钢结构格构柱设计
钢结构梁柱估算
钢结构梁柱估算梁的设计：1.型钢梁设计由梁的荷载和支承情况根据内力计算得到梁的最大弯矩，根据选用的型钢材料确定其抗弯强度设计值，由此求得所需要的梁净截面抵抗矩，然后在型钢规格表中选择型钢的型号。
最后对选定的型钢梁截面进行强度、刚度和整体稳定验算。
2.组合梁设计梁的截面选择步骤为：估算梁的高度（一般用经济高度）、确定腹板的厚度和翼缘尺寸，然后验算梁的强度、稳定和刚度。
柱的设计：1.实腹柱设计截面选择的步骤如下：（1）假定柱的长细比，一般在50―90范围之内，轴力大而长度小时，长细比取小值，反之取大值；（2）根据已假定的长细比，查得轴心受压稳定系数。
然后根据已知轴向力和钢材抗压强度设计值求得所需截面积；（3）求出截面两个主轴方向所需的回转半径（根据已知的两个方向的计算长度和长细比）；（4）由此计算出截面轮廓尺寸的高和宽；（5）通过求得的截面面积和宽以及高，再根据构造要求、钢材规格等条件，选择柱的截面形式和确定实际尺寸；（6）验算实腹柱的截面强度、刚度，整稳和局稳；2.格构柱设计截面选择的步骤如下：（1）假定长细比，一般在50―90之间；（2）计算柱绕实轴整体稳定，用与实腹柱相同的方法和步骤选出肢件的截面规格。
根据假定的长细比，查稳定系数，最后确定所需的截面面积；（3）计算所需回转半径；（4）算出截面轮廓尺寸宽度和高度；（5）计算虚轴长细比；通过求得的面积、高度和宽度以及考虑到钢材规格及构造要求选择柱的截面形式和确定实际尺寸。
（6）强度、刚度和整稳验算；（7）缀条设计和缀板设计；回转半径就是惯性半径。
定义：任意形状截面的面积为A，则图形对y轴和z轴的惯性半径分别为iy=sqrt(Iy/A),iz=sqrt(Iz/A).特征：惯性半径是对某一坐标轴定义的；惯性半径的量纲为长度的一次方，单位为M；惯性半径的值恒为正。
用处：1,惯性矩Ix,回转半径ix=sqrt（Ix/A),长细比λx=lox/ix,截面验算：局部稳定b/t=(10+0.1λ)sqrt(235/fy);h0/tw=(25+0.5λ)sqrt(235/fy).2,知道了柱子的轴力和计算长度-假定长细比初步估计截面-选定截面计算长细比，回转半径惯性矩等-截面验算。
《钢结构格构柱》PPT课件
{
a)
b)
缀条
l1 l0 l1
缀板
x 1 y 1
肢件
x 1
y
肢件
图4－6 格构式柱
1
肢件：受力件。 由 2 肢（工字钢或槽钢）、 4 肢（角钢）、 3 肢 （园管）组成。
a)
x y
b)
2 EI y
l
2 y
（4－10）
（4－12）
y ,cr
2 E 2 y
2、绕虚轴屈曲 绕虚轴屈曲时，不能忽略剪切变形影响，这时，
N x ,cr
EI x EI x 2 ( l x ) lx
2 2
N b,cr
2 EI
l2
x ,cr
式中
2 E 2 E 2 ( x ) x2
I1 A i
2 1
② 计算
引入单肢节间段长细比1，且 1= l1 /i1 代入式：
1 2 EI x
l
2 x
2 1
12 EA
因为 Ix=Aix2， x= lx /ix ，代入得：
2 2 2 1 1 1 2 1 2 12 x x
③ 计算 x
x
y
c)
x y
d)
x y
图4－7 格构式柱的截面型 式
4.4.2整体稳定临界力
公式（4－9）仍然是适用的。
N b,cr
2 EI
l
2
1 2 EI 1 2 1 l
（ 4－ 9）
1、绕实轴屈曲 绕实轴屈曲时，与实腹截面一样，可忽略剪切变形 的影响，并写成弹性与非弹性通式，得
格构式柱、柱梁连接
轴心受压构件整体弯曲后，沿杆长各截面上将存在弯矩与剪力。
对实腹式构件,剪力引起得附加变形很小,对临界力得影响只占3／100０左右。
因此,在确定实腹式轴心受压构件整体稳定得临界力时，仅仅考虑了由弯矩作用所产生得变形,而忽略了剪力所产生得变形。
对于格构式柱,当绕虚轴失稳时,情况有所不同,因肢件之间并不就是连续得板而只就是每隔一定距离用缀条或缀板联系起来。
柱得剪切变形较大,剪力造成得附加挠曲影响就不能忽略。
在格构式柱得设计中，对虚轴失稳得计算,常以加大长细比得办法来考虑剪切变形得影响，加大后得长细比称为换算长细比。
钢结构设计规范对缀条柱与缀板柱采用不同得换算长细比计算公式。
(1)双肢缀条柱根据弹性稳定理论,当考虑剪力得影响后，其临界力得表达为:式中——格构柱绕虚轴临界力换算为实腹柱临界力得换算长细比。
(5、25)——单位剪力作用下得轴线转角(单位剪切角)。
现取图5.１6(a)得一段进行分析,以求出单位剪切角。
如图5．１6(b）所示,在单位剪力作用下一侧缀材所受剪力。
设一个节间内两侧斜缀条得面积之与A１,其内力;斜缀条长,则:斜缀条得轴向变形为:αA1——斜缀条总面积假设变形与剪切角就是有限得微小值,则由引起得水平变位为:故剪切角为:(５、26) 这里,为斜缀条与柱轴线间得夹角,代入式（5、25)中得:（5、25)(５、２７) 一般斜缀条与柱轴线间得夹角在400～700范围内，在此常用范围,得值变化不大(图5、17),我国规范加以简化取为常数２7,由此得双肢缀条柱得换算长细比为:（5、２８)式中——整个柱对虚轴得长细比(不计缀材)；Ａ——整个柱肢得毛截面面积;Ａ1——一个节间内两侧斜缀条毛截面面积之与。
需要注意得就是,当斜缀条与柱轴线间得夹角不在400~７00范围内时,值将大２7很多,式(5.28)就是偏于不安全得,此时应按式(５、27)计算换算长细比。
(２)双肢缀板柱双肢缀板柱中缀板与肢件得连接可视为刚接，因而分肢与缀板组成一个多层框架,假定变形时反弯点在各节点得中点[图５、1８(a)]。
钢结构格构柱
钢结构格构柱在现代建筑和工程领域中，钢结构格构柱以其独特的结构优势和广泛的应用范围，成为了支撑起众多宏伟建筑和重要设施的关键构件。
它不仅在大型工业厂房、桥梁建设中发挥着重要作用，在高层建筑、体育场馆等领域也有着不可或缺的地位。
钢结构格构柱，简单来说，就是由型钢、钢管或角钢等通过一定的连接方式组合而成的柱子。
它的基本构成通常包括肢件和缀材两部分。
肢件是柱子的主要受力部分，承担着来自上部结构的荷载，并将其传递到基础；缀材则用于连接肢件，增强柱子的整体稳定性和承载能力。
从结构形式上看，钢结构格构柱主要有缀条式和缀板式两种。
缀条式格构柱的缀材采用角钢、槽钢等杆件，与肢件通过焊接或螺栓连接。
这种形式的格构柱具有较好的抗扭性能和经济性能，适用于较大跨度和较高荷载的情况。
缀板式格构柱的缀材则是用钢板制成，与肢件焊接连接。
它的整体性较好，但制作工艺相对复杂，成本也较高。
在设计钢结构格构柱时，需要考虑众多因素。
首先是荷载的计算，要准确确定作用在柱子上的各种荷载，包括竖向荷载、水平荷载、风荷载、地震作用等。
然后根据荷载的大小和性质，选择合适的钢材型号和规格。
钢材的强度、韧性、焊接性能等都是需要重点关注的指标。
此外，柱子的长细比也是设计中的一个关键参数。
长细比过大，柱子容易失稳；长细比过小，则会造成材料的浪费。
为了保证柱子的稳定性，还需要进行整体稳定性和局部稳定性的验算。
钢结构格构柱的制作过程要求严格。
在原材料的选择上，必须保证钢材的质量符合国家标准和设计要求。
制作过程中，肢件和缀材的切割、焊接、钻孔等工艺都需要精细操作，以确保尺寸精度和连接质量。
焊接质量尤为重要，焊缝要饱满、均匀，不得有裂纹、气孔等缺陷。
制作完成后，还需要对柱子进行防腐处理，以延长其使用寿命。
在施工安装方面，钢结构格构柱也有一定的技术要求。
安装前要对基础进行验收，确保基础的平整度和标高符合要求。
柱子的吊装要采用合适的起重设备和吊装方法，保证柱子在吊装过程中的安全和稳定。
钢结构设计格构式柱的等效惯性矩
国家级精品课程—钢结构设计
第25讲 重型单层工业厂房横向框架旳计算和厂房 柱设计（1）
厂房柱设计
1 柱旳截面形式和构造 2 柱旳截面验算 3 阶形柱变截面处旳构造 4 柱脚构造和计算
国家级精品课程—钢结构设计
格构柱： 阶形柱旳下柱（h＞1m)
柱旳截面宽度不宜不大于 0.4m。
国家级精品课程—钢结构设计
第25讲 重型单层工业厂房横向框架旳计算和厂房
2.柱身构造
柱设计（1）
横向加劲肋 • 腹板采用纵向加劲肋， • 腹板旳高厚比≥80时， • 其间距约为（2.5~3）hw • 当有水平力作用时，应设置横向加劲肋。 纵向加劲肋
33 44
国家级精品课程—钢结构设计
第25讲 重型单层工业厂房横向框架旳计算和厂房 （2）屋架最不利内力组柱合设计（1）
施工时先安装屋面，再将屋架与柱固定
•在屋盖自重作用下简支
桁架旳内力分析，
•其他荷载作用下按屋架
屋架与柱
M1
临时固定
M1
和框架柱刚接分析内力
M1
M1
屋架与 柱固定
国家级精品课程—钢结构设计
国家级精品课程—钢结构设计
第25讲 重型单层工业厂房横向框架旳计算和厂房 柱旳截面形式和构造 柱设计（1）
1.厂房柱形式 分离式柱：
✓屋盖肢:和横梁形成框架 ✓吊车肢:承受吊车竖向荷载 ✓两肢分别单独承担荷载,减 小吊车肢在框架平面内旳计 算长度, ✓构造、制作及安装简朴以便， 但刚度较差，用钢量大，一 般在扩建厂房中采用。
国家级精品课程—钢结构设计
第25讲 重型单层工业厂房横向框架旳计算和厂房 柱设计（1）
钢柱设计资料
钢柱设计资料一、钢柱构造要求1、当实腹式柱的腹板计算高度ho与厚度t w之比大于80时,应采用横向加劲肋加强,其间距不得大于3ho。
横向加劲肋的尺寸和构造应按"钢结构设计规范GB50017--2003"第4.3.6条的有关规定采用。
2、格构式柱或大型实腹式柱,在受有较大水平力处和运送单元的端部应设置横隔,横隔的间距不得大于柱截面长边尺寸的9倍和8m。
二、柱脚构造要求1、插入式柱脚中,钢柱插入混凝土基础杯口的最小深度:实腹柱为1.5hc或1.5dc;双肢格构柱(单杯口或双杯口)为0.5hc和1.5bc(或dc)的较大值。
但不宜小于吊装时钢柱长度的1/20。
工字形截面的实腹柱一般不设底板,这样施工方便,箱形和管形截面柱以及格构柱,宜设置柱底板,可减少柱子的埋入长度。
注:(1)、hc为柱截面高度(长边尺寸);bc为柱截面宽度;dc为圆管柱的外径。
(2)、钢柱底端至基础杯口底的距离一般采用50mm,当有柱底板时,可采用200mm。
2、预埋入混凝土构件的埋入式柱脚,其混凝土保护层厚度以及外包式柱脚外包混凝土的厚度均不应小于180mm。
钢柱的埋入部分和外包部分均宜在柱的翼缘上设置圆柱头焊钉(栓钉),其直径不得小于16mm,水平及竖向中心距不得大于200mm。
埋入式柱脚在埋入部分的顶部应设置水平加劲肋或隔板。
3、柱脚在地面以下的部分应采用强度等级较低的混凝土包裹(保护层厚度不应小于50mm),并应使包裹的混凝土高出地面不小于150mm。
当柱脚底面在地面以上时,柱脚底面应高出地面不小于100mm。
*注:带*号者为规范强制性条文。
4、柱脚底板当平面尺寸较大时,为便于施工底板下的二次浇灌层,应在底板上开设直径不小于100mm的孔洞,间隔500~700mm,一般每平方米底板面积开一个孔。
5、靴梁柱脚锚栓加劲肋的高度,一般不宜小于400mm,加劲肋厚度不宜小于10mm,其上端宜刨平顶紧于顶板(或加强角钢)上。
钢结构格构柱设计
相应的回转半径：
ix lx / x 600/ 52 11.5cm
由附录6，二肢间需要的距离：
b ix 11.5 26.2cm 0.44 0.44
p.405 取25cm。
3、验算绕虚轴稳定性 槽钢惯性矩：I1=218cm4； 格构柱对虚轴的惯性矩：
I x 2( I1 4010.42 ) 9090 cm4
A
N x f A
（4－16）
5 .7轴心受压格构式构件的局部稳定
• 为了保证单肢不先于构件整体失稳，单肢 长细比1= l1 /i1应小于、等于柱子最大长细 比的0.7倍。 i1是柱肢对本身1-1轴的回转半 径。
为了保证单肢不先于柱子整体屈曲破坏， 规范规定：
25<1≤40
且 1≤构件最大长细比的0.5倍
规定单肢节段长细比的意义：在于确定缀板间 的距离。
缀材计算 1、轴心受压构件的剪力V （1）V的取值 设：屈曲模态为一个正弦半 波。
l z M N cr y N cr ym sin l dM z V N cr ym cos dz l l y y m sin
z Ncr
z
x ym y z o L y h=2.27ix y
d / cos 1 l1 l1
V=1/2
α l1
Δ
γ1 V=1/2 x y
γ1
图4－8 剪切变形
横截面上有剪力V=1时，分配给有关缀条面上的 剪力V=1/2。斜杆内力为
1/ 2 Sd cos
1 Sd cos 2
斜杆伸长：
Sd ld l1 d EAd 2 EAd sin cos
2
1 2 EI 1 2 1 l
中欧钢结构设计规范格构柱承载力比较
中欧钢结构设计规范格构柱承载力比较首先是柱截面尺寸和钢材强度的要求。
中欧钢结构设计规范中都对柱截面的宽度和高度有一定的要求，以及柱截面厚度的限制。
关于钢材的强度要求，中欧钢结构设计规范都要求使用符合相关标准的高强度钢材。
其次是轴压承载力的计算。
中欧钢结构设计规范都通过对格构柱的轴压承载力进行计算来确定柱的尺寸和钢材的强度。
具体的计算方法可能有所差异，但基本原理是相同的。
接下来是局部稳定性的要求。
格构柱的局部稳定性常常是设计中的一个关键问题，关系到柱的承载能力和使用安全。
中欧钢结构设计规范中都对局部稳定性进行了详细的要求和计算方法的说明。
最后是稳定计算。
中欧钢结构设计规范中都要求对格构柱进行稳定计算，即通过对柱的稳定性进行分析来确定柱的尺寸和钢材的强度。
具体的计算方法可能有所差异，但基本原理是相同的。
总体来说，中欧钢结构设计规范对于格构柱的承载力要求基本一致，但在具体的计算方法和细节上可能存在一些差异。
因此，在实际设计中，需要根据所采用的设计规范来进行合理的计算和设计。
此外，中欧钢结构设计规范中还包括了其他方面的要求和规定，如构件的连接、施工要求等，这些也是设计中需要考虑的因素。
综上所述，中欧钢结构设计规范中对于格构柱的承载力要求基本一致，但在具体的计算方法和细节上可能存在一些差异。
设计师在进行钢结构设计时，需要根据所采用的设计规范来进行合理的计算和设计，以确保结构的安全性和可靠性。
同时，也需要考虑其他方面的要求和规定，以保证整个设计的质量和施工的顺利进行。
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肢大长长细细比比的? 1=0.l71倍/i。1应i小1是于柱、肢等对于本柱身子1-最1
轴的回转半径。
为了保证单肢不先于柱子整体屈曲破坏， 规范规定：
25< ? 1≤40
且
? 1≤构件最大长细比的 0.5倍
规定单肢节段长细比的意义：在于确定缀板间 的距离。
缀材计算
1、轴心受压构件的剪力 V
（1）V的取值
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
设：屈曲模态为一个正弦半
波。
M
y ? ym sin ? Ncr y ?
?z
l N cr
ym
sin
?z
l
V
?
dM dz
?
N cr
ym
?
l
cos ?z
l
M max ? N cr ym
Vmax
?
?
l
Ncr ym
z N cr
x
L
ym y
y
y
z
o
y
h=2.27 ix
N cr
按照边缘屈服准则，
? max ?
N cr A
?
Ncr ym ?h ? Ix 2
fy
规范取：
Vmax ?
Af 85
fy 235
（2）V的分布
计算缀材时，近似 地以剪力 V均匀分布计。 并且，由承受该剪力的 两个缀材面分担，每个 缀材平面内的剪力 V1为
V 1=V/2
（4－82）
④ 计算 lx
? lx ? ??
?
1?
27
A
A1?2x
? ??lx ?
设计时，应先假设（斜）缀条面积，然后，用式（ 4－
15）算 ? x ，再根据 ? x 查? x。稳定验算公式同实腹式
构件。
4.7.2缀板式柱
a)
?一般各缀板等距离布置， 刚度相等。缀板内力按 缀板与肢件组成的多层 框架分析。屈曲时，除 发生格构柱整体弯曲外， 所有肢件也都发生S形弯 曲变形，如图4－9所示。
?1
式中
?
——
x
考虑剪力影响后，绕虚轴的换算长细比。
??
1?
?
2 EI x
l
2 x
?1
（4－14）
问题归结为计算 ? 。
??
1?
?
2 EI x
l
2 x
?1
? 是考虑剪力影响后，格构式压杆计算长度的放
大系数，它决定于体系的单位剪切角 ?1，因而和采用 的缀材体系有关。下面按缀条式和缀板式分别讨论：
（1）缀条式柱 ① 计算?1
?x ? ?? x ?
?
2 x
?
?12
④ 计算 lx
?
lx
?
?lx
?
? ?
?
1?
?12
?
2 x
? ??lx ?
设计时应先假设单肢节段长细比 ? 1才能计算换算长
细比。用换算长细比查 ? x ，再按实腹式构件相同的公
式验算稳定性：
?
?
N A
?
?
x
f
?
?
N A
??x
f
（4－16）
5 .7轴心受压格构式构件的局部稳 定
M
l1/4
M l1/2
② 计算?
引入单肢节间段长细比 ? 1，且 ? 1= l1 /i1
代入式：
??
1?
?
2 EI x
l
2 x
? ?12
12 EA
因为 Ix=Aix2， ? x= lx /ix ，代入得：
??
1?
?2
12
???122x
?
1?
?12
?
2 x
③ 计算 ? x 最后得二肢缀板柱绕虚轴的换算长细比
?
y ,cr
?
?
2 E?
?
2 y
（4－10） （4－12）
2、绕虚轴屈曲
绕虚轴屈曲时，不能忽略剪切变形影响，这时，
N x,cr
?
? 2EI x? (?lx )2
?
? 2EI x?
lx
? x,cr
?
? 2E? (?? x )2
?
? 2E?
?
2 x
Nb,cr ?
（4－13）
?
2 EI l2
1?
?
1 2EI l2
5 .4轴心受压格构式构件的整体稳定 4.4.1 轴心受压格构式构件组成 肢件
{ 格构式轴心受压构件 缀材 a) b)
缀板、缀条
缀条
l1
x1
y
肢件
1
图4－6 格构式柱
l0 l1
x1 y
1
缀板 肢件
肢件：受力件。 由2肢（工字钢或槽钢）、 4肢（角钢）、 3肢
（园管）组成。
a) x
b) x
y
y
c) x
c) x
d)
y
x y
图4－7 格构式柱的截面型 式
4.4.2 整体稳定临界力
公式（ 4－9）仍然是适用的。
N b,cr
?
?
2EI l2
1?
1
? 2EI
l2
?1
1、绕实轴屈曲
（4－9）
绕实轴屈曲时，与实腹截面一样，可忽略剪切变形
的影响，并写成弹性与非弹性通式，得
N y ,cr
?
?
2EI y?
l
2 y
图4－8示出三角式缀条
体系，在柱截面单位剪力 l1
（ V=1）作用下，体系的单
V=1/ Δ 2α γγ
位剪切角为：
?1
?
? l1
?
?d
/ cos?
l1
1
V=1/
1
x
2
图4－8 剪切变形
y
横截面上有剪力 V=1时，分配给有关缀条面上的
剪力 V=1/2 。斜杆内力为
Sd
?
1/2
cos?
Sd cos?
?
1/ 1/ 21 x 2
y
y
1x
V=1时，柱肢 的单位剪切角
?1为：
?1
?
tg?1
?
?
l1 / 2
?
1 ?1 ?l1 ?l1 ?2 ?l1 ?2 EI1 2 2 4 3 2 l1
? l12 24 EI1
1/2 1
式中 I 1——单肢对自身截 面Ⅰ-Ⅰ轴的惯性矩，可表 示为：
I1 ? A ?i12
l1/2
d)
y
x y
图4－7 格构式柱的截面型 式
缀材：把肢件连成整体，并能承担剪力。 缀板：用钢板组成。 缀条：由角钢组成横、斜杆。
a) b)
l1
x1 y
1
缀条 肢件
l0 l1
x1 y
1
缀板 肢件
截面的虚实轴：与肢件腹板相交的主轴为实轴，否则 是虚轴，图 4-20a 、b、c、d。
a) x
b) x
y
y
b)
δ
V/2=1/ 1/
2l/ 1 2 2 γ
1
l/ 1 2
1/ 1/ c) 2 1 x 2
y
y
1x
图4－9 缀板式体系的剪切变形
① 计算?1
从图4－9中取出一个节段 为分离体。
b)
δ
V/2=1/ 1/
2l/ 1 2 2 γ
通常，缀板刚度比肢件大得 l/ 1 2
1
多，可忽略缀板本身变形，并假 c) 定剪力平均分配给两个柱肢（b 图）。
1 2
斜杆伸长：
?d
?
S d ld EA d
?
l1
2 EA d sin ?
cos ?
一根斜 杆
所以
?1
?
1
2EAd sin ?
cos2 ?
② 计算? 代入式（ 4－41）
??
1?
?
2 EI x
l
2 x
?1
??
1?
2lx2 Ad
? 2Ix sin? cos2 ?
?
? 2A 1 ? 2?2x Ad sin? cos2 ?
若取? =20o～50o，则，sin? cos2? =0.36
??
A
1 ? 27 A1?2x
?
2 x
?
l
2 x
ix2
?
l
2 x
A
Ix
式中， A——两个柱肢的毛截面面积；
A1——两根斜杆的毛截面面积（ A1=2Ad）。
③ 计算 ? x
?
?x ?
A
1?
27
A1?
2 x
?x
?
?
2 x
?
27
A A1
（4－15）