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第五章、组合柱和框架

5.1介绍

第4.1节给出了组合框架的定义，并讨论了关节、连接以及它们与整体分析方法之间的关系(表4.1)。为了说明连续梁的背景下的建筑，它是有必要使用的。一二跨梁与墙作为其内部支持，没有转移墙和梁之间的弯矩。在一个梁由一列通过一个非“名义上被牵制”的柱支撑的地方，弯矩取决于节点、梁和柱的性质。他们形成了一个框架的一部分这可能必须为水平荷载提供抵抗力，如风（一个无支撑框架），或将这些荷载通过楼板传递给支撑结构。

在支撑结构的横向刚度足够时，框架可以只设计为抵抗垂直荷载（一个“框架”）。 多层建筑的电梯和楼梯区域经常有—混凝土墙用来防火。这些可以提供僵硬的侧向约束,例如狭长的建筑物的端壁。然后该框架可以设计为“支撑”。

无支撑框架需要更强的构件和连接件。目前使用的中等高度的框架的长期经验设计方法[43]“wind-moment”， 不是EN 1994-1-1中给出的。

一些关于半刚性和部分强度接头的欧洲标准3和4的设计规则比较现代化，几乎没有在实践中使用的经验。本章的范围仅限于有梁柱节点的支撑框架，这些梁柱节点是名义上的固定或者刚性和全强度的。以图5.1所示的结构为例。DEF等典型平面框架的间距是4.0米，并支撑如3.4节中设计的组合楼板。每一个框架有十个与4.6节中设计相同的双跨度梁，除了在4米间距提供内部支持是由复合柱代替墙（如B、E等），以及刚性和全强度的梁柱节点。

接近点A、C、D、E等的外柱节点都是表面固定的。对柱的设计弯矩取决于这些引脚的假定位置，这是在5.4.4.2中讨论的。这座建筑假定为60米长。每一端提供横向支撑的有剪力墙（图5.1（a）），以及一个电梯和楼梯间塔楼（核心）在中长，4米宽。通常作用在正常长度的建筑物上的水平荷载被认定为是通过每个楼板传递到这些支撑元素，在建筑物核心和一个端壁之间生成（60minus;4）/ 2 = 28米。这些砖是相当薄，但作为水平梁，他们是约19米深。他们的跨度/深度比是如此低（28 / 19 = 1.47）以致对于横向荷载他们是非常僵硬的，并且压力也很低。

在其他方向的横向力的效果被假定为是可以忽略不计。外墙是由边梁如JC和CF，跨越外柱之间。这些光束不会被设计。

这种结构是用来作为基础的行为和设计方法的解释，而不是完全现实。例如，它缺乏手段，以逃避其两端。

大多数多层建筑的布局是这样的，他们的框架可以设计为二维。该柱通常用他们主横梁的网平面来设计，如图5.1(a)，结果梁柱相互作用导致两者中主轴弯曲。

对于重力荷载的整体分析，每个平面框架被假定为独立于其他。每个层高列长度的轴向载荷N y和结束时刻M 1,y和M 2,y是发现主轴框架,和相应的值N z,M 1,z和M 2 z等短轴框架在图5.1。然后列长度是设计(或一个假定的设计检查)轴向载荷N y N z和bi-axial弯曲引起的四端力矩。

在多层复合平面框架的设计中，必须对不完善的缺陷进行补贴。整体缺陷，如不垂直柱的侧向屈曲，影响的框架作为一个整体（框架不稳定性的）。成员的缺陷，如弓之间的楼层的柱的长度，影响这些长度的屈曲（member不稳定”），甚至可能影响一个框架的稳定性。

全局分析通常是线性弹性的，有弹性的，裂纹和弯矩-关节的旋转特性。在任何可能的情况下使用一阶分析，但首先必须检查二阶效应（由节点或构件的位移引起的附加作用效应）可以忽略不计。如果不使用，就是用二阶分析。一组用于设计这样一个框架的流程图，鉴于别处[17],太广泛复制在这里。然而，这些图表的顺序将遵循图5.1（b），将会发现上面提到的许多并发症。

柱和节点分别在5.2节和5.3中有讨论到。5.4节中有解释关于支撑框架的欧洲标准的分析方法，并有一个例子。关于EN 1994-1-1中框架设计方法的细节有给出，然后给出了框架中两个柱的计算。

5.2组合柱

多层建筑中的钢柱需要防火保护。这通常是由混凝土提供装箱。在50年代以前，用一种低强度湿拌的做法是正常的，并忽视了混凝土对柱的强度和稳定性的贡献。由Faber和其他人做的测试表明通过是用质量较好的混凝土和设计柱为复合构件可以节约。这导致了套杆的设计方法。这最初是钢构件的容许应力法，而且是H或工字型。然后，它成为可在限制状态的形式[ 19 ]。在这种方法中,混凝土的存在允许在两个方面。它被假定为抵抗一个小的轴向载荷，并降低了有效的细长的钢构件，从而增加了其抗轴向载荷的能力。抵抗弯矩被认为是完全由钢提供的。在混凝土中没有考虑纵向钢筋的抗阻。

下轴向和偏载套管支柱实验表明，该套管支撑方法给出一个极不均衡的方式，通常有安全过度的边缘检测。例如，琼斯和里兹克[ 45 ]报价负荷因素的范围从4.7到6.7，并由Faber [ 44 ]的工作支持这一结论。该方法在BS5950进行了改进，但仍普遍非常保守。它的主要优点是，它比目前可用的方法更合理和经济而且更简单。

其中适当考虑在混凝土浇注H型柱钢和混凝土之间的相互作用的最早的方法之一是由八宿 - 萨默维尔[46]提出的。它一直延伸到包括双轴弯曲，并与试验和数值模拟[47，48]的结果吻合得很好。它被认为是对建筑物中的列常规使用过于复杂，但被包括在复合桥英国代码。其范围包括钢管混凝土钢管[49],它已被用作桥墩，例如在多级高速公路交汇处。

Basu和萨默维尔的方法是基于使用代数近似通过数值分析获得的曲线。对于欧洲规范4：1.1，被Roik，贝格曼等人优先应用于在波鸿大学开发的方法之中。它具有更广泛的范围，是基于一个更清楚的概念模型，并且是稍微简单的模型。在5.6节的描述中列举了非常鲜明的例子。

5.3梁与柱节点

5.3.1节点的属性

三种类型的钢束和一个H型钢柱的边缘之间的连接如图5.2所示，和短端板节点如图5.22所示。他们都是螺栓，因为他们都是现场制作，检查焊接是昂贵和困难的。图5.2（图1）所示的是列在一个外部的墙上。在一个内部的柱中，另一个梁会被连接到其他的边缘。也可以有短轴梁连接到柱网络，如图5.2所示（图3）。

梁的组合和列是内部的，纵向加固的板坯将连续过去的列，如图5.2所示（c）。它可能只为控制裂化，但如果它由单个杆组成，而不是焊接结构，在条的张力下可能会被认为有助于接头的弯曲阻力，如图5.2（d）。小直径的杆可能断裂使前拱区旋转的光束变得足够大以达到设计值的电阻，所以这些条应至少16毫米直径的[ 8 ]。

在图5.2（a）的网络连接正板接头中， 螺栓主要设计用于垂直切变，抗弯刚度低。图5.2（c）的端板接头可能是“半刚性”（稍后定义）。 A处的螺栓通常被设计为仅张力，并在压缩区（B和C）的螺栓被设计为仅垂直切变。

实现了“刚性”连接，可能有必要使用一个延伸端板和加固柱腹板在区域D和E中，如图5.2（b）所示。

端板接头的电阻

直到表格数据变得可用，一个半刚性端板连接部分的强度设计，如图5.2（c），需要大量的计算。这些都可以用一个例子解释，这个例子在设计1994-1-1 [ 17 ]版的设计师指南中。现在有一个方法的大纲就是，假设在该列的相对侧的光束的深度相同。

通过使用一个薄的端板来保证接头的旋转能力，使其在拉力螺钉处断裂之前形成。塑性弯曲的柱和弯曲的柱腹板在D也可能发生。螺栓断裂的检查可能需要允许杠杆作用（增加螺栓紧张所造成的压力，端板支撑在柱的边缘）。顶端的螺栓的FT中，Rd的拉伸阻力是由最弱的这些类型的变形进行说明。

在板坯纵向钢筋被假定为在张力屈服，因此，力Ft，S，Rd 是已知的。

假设梁中的轴向力可以忽略不计,底部的压缩力联合不能超过FT，故障可能由于在E中的柱腹板弯曲发生，所以在这种电阻下发现，允许在列的轴向压缩。如果解决弯曲，可以添加钢筋，但这很少是必要的。如果是小于总张力，假设网络的面积也得到，使得Fa,fl,Rd Fa,web,Rd = FT,Rd Ft,s,Rd。这四个力的作用线是已知的，所以在联合MJ、Rd 后，其抗弯性被发现。

对于不等深度的光束，或在外部柱，还需要在列的电阻上检查抗剪切和在板坯加强转移到不平衡张力。该方法也允许外包混凝土的柱或梁的腹板。

关节以垂直切变的电阻通常是由在B和C的螺栓提供，并且可以通过在端板或柱FL法兰的轴承强度的限制。一些剪切到A处的螺栓将分配减少其设计的张力。

对于终板联合矩旋转曲线

所需要的其他设计信息是对关节的旋转拱弯矩的曲线，phi;。这是定义为额外的旋转，这将发生联合刚性梁与中线的交点的列,如图5.3所示。对于钢筋连接，方法是在EN1993-1-1[15]给出了这条曲线的预测。它们也适用于复合关节，在EN1994年1月1日的附录A给出科幻阳离子的案例。这些允许的剪切连接的顶部加固的纵向刚度的影响，并在参考17进行说明。组件的弹性性质，得到初始弹性刚度SJ、INI。这被认为是适用于弯矩MJ、ED、2MJ、Rd/3，其中MJ，Rd是关节的抗弯性。

在较高的弯曲力矩，EN1993-1-8给出了刚度SJ，INI/ SJ=（1.5Mj，ED / MJ，路）psi;。其中psi;取决于关节的类型，并且是2.7的焊接或螺栓端板接头。psi;=2.7的时刻旋转曲线如图5.4所示的0ABC，其中phi;0.67是 Mj,Ed = 2Mj,Rd/3MJ的旋转。这个分析不方便，有一个关节的刚度取决于弯矩。对于梁与柱接头，EN1993-1-8允许简化网络连接的阳离子，对 Mj,Ed, Sj = Sj,ini/2的所有值都满足。这就是图5.4中的直线OB。

5.3.2节点的分类

如表4.1所示，梁与柱节点都在欧洲规范4分类网络版中，在欧洲规范3，通过转动刚度，这是有关弹性的全球分析，并通过抵抗弯矩，这与一个框架的极限荷载阻力有关。三个刚性类示于图5.5。名义上固定接头有Sj.ini le; 0.5EaIb/Lb（5.1）。其中，EaIb是连接梁的旋转刚度，长度Lb的EaIb的值应该与采取相邻帧中的全局分析的接头的横截面一致。这种限制Sj的显著性，这可以通过考虑梁的跨度LB和截面，两端连接到刚性柱Sj.ini=0.5EaIb/Lb的连接来说明。它可以通过弹性分析显示，对于均匀分布载荷W的每单位长度，约束（占用）在梁的每一端的时刻是Mel = (wLb 2/8)/7.5。（5.2）

这些最终的时刻作用于列的灵活性，其中将在实践中减少到低于Mel时刻。在柱中心线的引脚设计，它被假定设计用于Mel=0不是“负面影响”的弯曲力矩。

如果Sj.ini ge; kbEaIb/Lb则联合是刚性的。其中，KB= 8的支撑框架（定义在EN1993-1-8）。造成这仅仅是“刚性”的连接的灵活性弹性的时刻再分配量可能是相当显著的。作为一个例子，我们考虑同样的光束像以前那样具有属性EaIb和LB，当节点刚度Sj/ini=8eaib时，两端支持刚性柱，均匀负载，使得两端时刻是2Mj，Rd/3。

一个统一的梁弹性分析表明，最终时刻是WL2/15。它们将是WL2/ 12，如果接头是真正的刚性，因此其灵活性导致20％分配负弯矩。在实践中一个组合梁的情况比较复杂，因为EaIb不是沿跨度均匀，列不是刚性的。

半刚性连接的初始转动刚度在这两者之间，图5.5。通过接头强度的阳离子分类如下。设计一个阻力MJ接头，RD是分类为fiED的铰接，如果MJ，RD是少于25%的较弱的抗弯连接，它将出现充分转动能力。不难设计满足这些条件的关系。一个例子是在5.10节。一个充满力量的联合具有设计性（弯曲，或者剪切）至少等于MPL，RD的加入。有一个单独的要求检查连接的旋转能力是否足够有效。如果放弃MJ，ge;1.2mpl RD，RD（5.3）这个条件，这是很困难的。因此，在实践中，“全强度”连接可以设计为满足条件5.3。然后，它可以假定非弹性旋转发生在相邻的连接的光束。保证钢结构的分类fi阳离子系统压缩然后转动能力。一部分强度连接有电阻小于的成员加入，但必须有足够的fi；高效的旋转能力，如果是在一个塑料铰链的位置，使所有必要的塑料铰链设计荷载作用下的发展。

5.4无摇摆组合框架的设计

本节的范围仅限于多层结构的类型显示在图5.1中,模仿两组平面框架如5.1节中解释道。假定横梁和立柱的极限重力载荷的设计布局是已知的。第一步是定义框架的缺陷。这些主要来自缺乏垂直列出现,但也必须考虑成员之间缺乏配合,钢中残余应力的影响,和其他一些小的影响,如温度不均匀的结构。术语“列”在此处用于指可以延伸在建筑物的整个高度的成员。它等于一个层高的长度的一部分被称为“列长度”，在这里，这是必要的，以避免混淆。长度为L的层高高度塔内缺陷是由一个初始弓，E0表示。这个范围从L / 100与L / 300，这取决于色谱柱的类型和弯曲的轴。对于图中所示的列的长轴弯曲。主要轴线图5.1所示的柱弯曲（一），在特定1994-1-1fiES弓l / 200，或20毫米4米。这具有被允许的成员的在VERI阳离子，但不能在一阶全局分析。 EN 19941-1为第二阶分析忽略成员不完善的条件是，本质上，这NEDle;0.25Ncr，其中NCR是该成员的弹性临界轴向力正常，允许蠕变，由公式给出5.20。 20毫米4微米的弓超过，这将是在结构上可接受的，因为它也允许其它的效果，如在钢的残余应力的耐受性。假设外的直线度的E0在中间长度发生。没有假设对于该缺陷的形状。在横梁缺陷允许的分类系统对钢铁元素压缩,而在设计横向屈曲。框架的缺陷，通过初始侧移，phi;表示，如图5.6（a）为一个单一的高度H柱长、受轴向载荷的作用在柱好像是垂直和水平力作用下Nphi;相同，如图所示。假设一个组合框架的角度phi;为相应的钢框架相同。这是由于在1993-1-1作

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