钢框架结构截面设计及构造要求详解

钢框架结构截面设计包括构件设计和节点设计。

（一）钢结构构件设计

钢结构构件设计包括构件的强度验算、构件稳定承载力验算。为保证构件局部失稳不先于构件整体失稳，还需控制其板件宽厚比。

1.框架梁设计要点

（1）梁的承载力计算包括梁的抗弯、抗剪承载力计算；梁的抗弯强度按单向弯曲计算，计算时应考虑截面塑性发展系数γx；钢材强度设计值、钢材抗剪强度设计值在抗震设计时应除以γRE。

（2）梁的整体稳定性，当满足梁上刚性铺板条件时，不需进行验算。

刚性铺板可阻止梁的失稳，但应满足两个条件：一是铺板在自身平面内有相当大的刚度，二是铺板与梁有可靠的连接。钢框架结构采用现浇钢筋混凝土楼板时，混凝土楼板与梁上翼缘之间的粘结，可以防止梁的侧向位移和扭转；当采用压型钢板—混凝土组合楼板时，梁翼缘上设置栓钉，使楼板与钢梁形成牢固的整体。这两种楼板均可视为刚性铺板。当不符合上述刚性铺板条件时，应计算梁的稳定性。

当梁设有侧向支撑体系，并符合《钢结构设计规范》规定的受压翼缘自由长度与其宽度之比的限值时，一般可不计算梁的整体稳定性。但对7 度及以上抗震设防的高层钢结构，还应符合该规范关于塑性设计的长细比要求。

对于箱形截面梁，由于侧向抗弯和抗扭刚度都比较大，一般不会弯扭屈曲，当满足《钢结构设计规范》中对梁截面尺寸的比值和侧向无支撑点距离与梁翼缘宽度的比值限值时，不必验算梁的整体稳定性。

（3）在钢梁设计中，除了承载力和整体稳定问题外，为了保证梁的安全承载，还必须考虑梁的局部稳定问题。如果梁的受压翼缘宽厚比或腹板的高厚比较大，则在受力过程中它们会出现波状的局部屈曲，这种现象称为局部失稳。板件的局部失稳，降低了构件的承载力。防止板件失稳的有效方法是限制它的宽厚比。

梁板件的宽厚比应随截面塑性变形的发展程度而满足不同的要求。对设防烈度大于和等于7 度地区，要求梁截面出现塑性铰后还有转动能力，以实现结构内力重分布，其塑性转动能力相当于弹性转动能力的7～9倍。对非抗震设计和设防烈度为6 度的结构，要求梁截面出现塑性铰，但不要求有太大的转动能力。

正确地确定板件宽厚比，可使结构达到安全而合理的设计。框架梁板件宽厚比的限值见表3-5-3（参见图3-5-2）。

表3-5-3　框架梁板件宽厚比限值

注 1.表中N 为梁的轴向力，A 为梁的截面面积，f 为梁的钢材强度设计值。
2.表列值适用于Q235 钢，当钢材为其他牌号时应乘以。

图3-5-2　钢梁的截面

2.框架柱设计要点

（1）设计框架柱时，广泛采用计算长度法，把框架的稳定简化为柱的稳定来对待，即用柱的计算长度代替实际长度来考虑与柱相连构件的约束影响。计算框架由多种荷载设计值产生的内力后，把框架柱作为单独的压弯构件来设计。

等截面框架柱在框架平面内的计算长度，为该层柱高度乘以计算长度系数μ。μ值按无侧移和有侧移由《钢结构设计规范》确定。无侧移框架系指框架中设有支撑、剪力墙、电梯井等支撑结构，以阻止框架受力或失稳时框架的侧移。当框架中未设上述支撑结构，或支撑结构的抗侧移刚度小于框架本身抗侧移刚度5 倍者，称为有侧移框架。

无侧移框架，柱的计算长度系数μ值均小于1，有侧移框架柱的计算长度系数μ值大于1。

（2）与梁刚接的框架柱，在轴向压力N 和弯矩M 的共同作用下，它兼有压杆和梁的特点，以截面出现塑性铰作为压弯构件的承载力极限状态。弯矩作用在两个主平面内双轴对称实腹式工字形和箱形截面框架柱，须进行承载力计算、强轴平面内稳定验算、弱轴平面内稳定验算。

（3）钢框架结构采用强柱弱梁设计概念，在罕遇地震作用下，使塑性铰出现在梁端而不是柱端，按《钢结构设计规范》塑性设计的要求，抗震设计的框架结构在框架的任一节点处，柱截面的全塑性弯矩应大于梁截面的全塑性弯矩。

（4）框架柱板件宽厚比，因按6 度设防和非抗震设计的框架柱，不会出现塑性铰，对板件宽厚比未提出特殊要求；设防烈度大于和等于7 度的框架柱，如能满足强柱弱梁要求，一般不会出现塑性铰。但考虑到材料性能的变异、截面尺寸偏差等因素，在个别情况下框架柱也可能出现塑性铰。因此，对柱板件的宽厚比也应考虑按塑性发展来加以限制，不过不需要像梁那样严格。框架柱板件宽厚比的限值见表3-5-4。

表3-5-4　框架柱板件宽厚比限值

注 表列值适用于Q235钢，当钢材为其他牌号时应乘以。

（5）设计柱截面时，除验算其是否有足够的承载力和整体稳定性外，还需控制柱的长细比。一般来说，柱细长并承受较大的轴向力时，柱的延性越差，并容易发生框架整体失稳。对柱的长细比和轴压比作些限制，就能控制二阶效应对柱极限承载力的影响。地震区柱的长细比不宜过大，按7 度和7 度以上抗震设防的结构，柱的长细比不宜超过；按6 度抗震设防和非抗震设计结构，柱长细比不应超过120。

当预估的截面不满足计算要求时，不能盲目加大截面，应该分两种情况区别对待：(www.xing528.com)

（1）强度不满足，通常加大组成截面的板件厚度，其中，抗弯不满足加大翼缘厚度，抗剪不满足可加大腹板厚度。

（2）变形超限时通常不应加大板件厚度，而应考虑加大截面的高度，否则会很不经济。

（二）钢框架节点设计

1.节点设计一般原则

节点设计的一般原则如下：

（1）节点受力应力求传力简捷、明确，使计算分析与节点的实际受力情况相一致。

（2）保证节点连接有足够的强度，使结构不致因连接较弱而引起破坏。

（3）节点连接应具有良好的延性，建筑结构钢材本身具有很好的延性，对抗震设计十分重要，但这种延性在结构中不一定能体现出来，这主要是由于节点的局部压曲和脆性破坏而造成的，因此在设计中应采用合理的细部构造，避免采用约束度大和易产生层状撕裂的连接形式。

（4）构件的拼接一般应按等强度原则设计，亦即拼接件和连接强度应能传递断开截面的最大承载力。

（5）尽量简化节点构造，以便于加工，及安装时容易就位和调整。

2.节点设计一般要求

节点设计有非抗震设计和抗震设计之分。当为非抗震设计时，结构受风荷载控制，其节点连接处于弹性受力状态。要求抗震设防的结构，当风荷载起控制作用时，仍应满足抗震构造要求。在抗震设计的结构中，连接的最大承载力应高于构件的屈服承载力。大震时，结构将部分地进入塑性，应具有足够的变形能力，即节点具有良好的延性。节点抗震设计的目的，在于保证构件产生充分的塑性变形时节点不致破坏。为此，框架结构中梁与柱的连接节点应验算以下各项：

（1）节点连接的最大承载力。

（2）构件塑性区的局部稳定。

（3）受弯构件塑性区侧向支撑点的距离。

3.节点型式

在高层钢结构的节点设计中，梁—柱连接的节点是关键的节点，根据梁对柱的约束刚度（转动刚度），节点的连接大致可分为刚性连接、半刚性连接和铰接连接三种类型。为简化计算，通常假定梁柱节点为完全刚接或完全铰接的。

（1）刚性连接：主梁与柱的刚性连接系指那些具有足够刚度，能使所连接的构件间夹角在达到承载能力之前，实际不变的接头，它的连接强度不低于被连接构件的屈服强度。凡抵抗侧力的框架和梁柱的抗弯连接，均应采用刚接方案。

其构造形式分为三种：

1）全焊连接，梁的上下翼缘用坡口全熔透焊缝，腹板用角焊缝与柱翼缘相连接。

2）栓焊混合连接，即仅在梁上下冀缘用全熔透焊缝，腹板则用高强度螺栓与柱翼缘上的剪力板相连接。

3）全栓接连接，梁翼缘与腹板借助T 形连接件用高强度螺栓与柱翼缘相连。

主梁与柱刚接时，应验算以下各项：

1）主梁与柱的连接承载力。校核梁翼缘和腹板与柱的连接在弯矩和剪力作用下的强度。

2）柱腹板的抗压承载力。在梁受压翼缘引起的压力作用下，柱腹板不应破坏。

3）节点板域的抗剪承载力。

（2）半刚性连接：在框架结构梁柱节点的连接中，有时采用端板连接，即将端板焊于梁端部横截面上，并用高强度螺栓与柱翼缘相连，一般视为半刚性连接。端板连接节点安装比较方便，可减少工地焊接工作量，适用于低烈度区层数不多的钢框架结构。

（3）铰接连接：多层或高层钢框架凡用支撑或剪力墙一类构件承受水平荷载（框架仅承受重力荷载）和提供抗推刚度的结构体系，梁与柱连接几乎均采取铰接方案。

梁与柱的铰接方案，一般仅将梁的腹板与柱通过角钢或端板相连，或将梁端用承托件连于柱。与梁腹板连接的高强螺栓主要承受梁端剪力，此外还应考虑偏心弯矩的作用。在无加劲角钢支托的情况下，应验算支托角钢的厚度。