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钢结构抗震性能化设计 漫谈钢结构抗震设计 余海群 2013年10月 问题探讨 抗震等级的实质是延性还是承载力？ 如果抗震等级的本质是延性，仅与结构高度和结 构体系相关合理吗？ 构件延性和结构延性是一回事吗？ 承载力验算时地震作用为什么不采用设防地震作 用？ 问题探讨 中震弹性设计的结构安全度一定高于弹性承载力 较低的结构吗？ 门式刚架是否需要符合抗震设计规范的规定？ 采用隔震设计的结构，弹性承载力要求是否可以 降低？ 钢结构设计规范中抗震性能化设计的适用范围？ 抗震设计基本概念 层间剪力分布抗震设计法 ?9 固有周期 ?9质量分布影响下的动力作用 抗震设计：控制地震施加给建筑物的能量 ?9衰减的能量 ?9塑性变形消耗的能量 地震效应的大小由建筑物对地震波的反应结果决定 抗震设计基本概念 强梁弱柱强梁弱柱 可能产生中间层破坏可能产生中间层破坏 强柱弱梁强柱弱梁 产生梁破坏机构产生梁破坏机构 抗震设计基本概念 剪切型模型 ?9 一般框架结构 弯剪型模型 ?9框架支撑结构 ?9超高层结构和筒状结构（高宽比较大） 构件及节点进入非线性 ?9 屈服 ?9 失稳 ?9 滑移 结构的能量吸收能力 塑性变形能力 ?9 结构体系 ?9构件延性 日本抗震设计路径 路径1：小震验算 ?9 规模较小的钢结构 路径2：小震和层间位移角验算 ?9 建筑物的平面和立面高度方向都比较规则 ?9 保证结构特征系数ds=0.3的塑性变形能力 ?9建筑物高度小于31m 路径3：保有水平承载力计算法 ?9 用地震反应谱来代替时程解析法作为地震效应 ?9 结构特征系数ds代表结构实际吸收能量的能力 抗震设计基本概念 结构特征系数结构特征系数d ds s ds=qy/qmax=1/(1+2 ) =1/(1+4 ave) ?9 累积塑性变形倍率 指正负塑性变形增量 的总和除以弹性变形 y的商 ?9s0ab=socde 地震反应能量吸收地震反应能量吸收 抗震设计基本概念 累积塑性变形倍率 = pi/ y ave= pi/（2 y） 抗震设计基本概念 累积塑性变形倍率与最大塑性变形率 0.25个循环 =-1 抗震设计基本概念 累积塑性变形倍率与最大塑性变形率 滑移型1个循环 =2（-1） 抗震设计基本概念 累积塑性变形倍率与最大塑性变形率 完全弹塑性型1个循环 =4（-1） 抗震设计基本概念 累积塑性变形倍率与最大塑性变形率 完全弹塑性型2个循环 =8（-1） 抗震设计基本概念 典型恢复力特性模型 滑移型 完全弹塑性型 应变硬化型 支撑的屈强比与结构的塑性变形能力（2-1） 假设 构件极限抗拉强度fu=375kn/mm2 构件实际构件屈强比为0.85 则 构件净截面断裂承载力 an*fu=（614.3-17*5）*375=198.45kn 构件屈服承载力 a*fyact=614.3*0.85*375=195.81kn198.45kn 结果 塑性化区域不能扩大，整体延性很低，发生脆性破坏 工字形截面挑梁的塑性变形能力 结构吸收能量的能力 当建筑物的平面和立面高度方向都比较规则且保证塑性变 形能力时，且建筑物高度在规范允许范围内，仅保证小震 计算和层间位移验算即可。 ?9结构体系 ?9 构件延性 关于钢结构抗震设计 地震效应的大小由建筑物对地震波的反应结果来 决定 阻尼、周期、后期刚度、二阶效应、多自由度体 系等对地震力的影响 影响钢构件延性的因素 影响结构延性的因素 阻尼的影响 对于弹性体系，阻尼的影响相当大 对于弹塑性体系，衡量阻尼影响的定量指标是它 对r谱（地震力折减系数谱）的影响 修订后的抗规gb50017-2010较2001版钢结构 地震作用降低 周期的影响 随着周期增大，地震作用变小 周期长时，场地土越软地震力越大 后期刚度的影响 钢结构的后期刚度来自如下几个方面： ?9材料的抗拉强度超出屈服强度的部分，这部分要在 变形很大时发挥作用 ?9 双重抗侧力结构的主要抗侧力结构屈服，次要结构 还没有屈服；这种体系往往有比较明确的双线性的 荷载-位移关系 ?9 超静定体系，塑性铰逐步形成。这种体系连续的刚 度下降，直至达到极限强度 延性越大，后期刚度的影响越大；后期刚度大，地震力折 减系数大 二阶效应的影响 弹塑性结构，二阶效应导致刚度退化以及 动力失稳，产生延性极限。 考虑二阶效应，地震力要增大 多自由度的影响 多层的多自由度体系，研究起来工作量更 大。但是目前国内外少量的研究表明，多 层体系，地震力要放大，地震力折减系数 要减少。地震力放大系数在12之间，随周 期和自由度变化，以及随结构是弯曲型的 还是弯剪型的而变。周期越长，放大系数 就越大。但是简单的公式没有。 影响钢构件的延性的因素 钢构件的截面宽厚比 杆件的长细比 框架柱的轴压比 影响结构延性的因素 构件的延性 连接节点的延性 双重抗侧力结构中框架的剪力分担率 确保“保险丝”的思路得以实现 不适合采用极限承载力设计的建筑物 不适合模拟成单质点 体系的建筑物 不适合使用等价线性 法的建筑物 高次卓越振型的建筑 物 偏心产生扭转的建筑 物 竖向震动的大跨度建 筑物 塑性率极大且仅在某 一特定方向产生残余 变形的建筑物 钢结构设计规范gb50017 抗震性能化设计 性能化设计体现在以下几个方面： ?9根据结构特性及使用功能选定塑性耗能区性能 等级 ?9根据结构塑性耗能区弹性承载力的差别，采用 不同的延性等级 ?9进行延性开展机构的控制，确保地震来袭时结 构按照预想的延性机构开展弹塑性变形 钢结构设计规范gb50017 抗震性能化设计 采用能力设计法，进行塑性开展机构的控 制 ?9 强柱弱梁 ?9强节点弱构件 ?9强框架弱支撑 钢结构设计规范gb50017 抗震性能化设计 引入非塑性耗能区内力增大系数e ?9引导构件相对强弱符合延性开展的要求； ?9 为罕遇地震作用下出现的重力荷载重分布做好准备 引入钢材超强系数y，确保延性开展机构的实现 框架结构根据延性要求采用不同的节点域验算方法 支撑结构根据延性要求支撑的长细比和板件宽厚比 性能化设计步骤 验算小震作用下承载力满足抗规要求 （不包括塑性耗能区） 小震作用下层间位移满足抗规要求 初步选择塑性耗能区的性能等级 进行设防地震下的承载力验算 确定构件和节点延性等级及相应抗震措施 必要时验算大震层间位移角 压弯和受弯构件的截面板件宽厚比等级及限值 ?=(?max-?min)/?max 构件构件 截面板件宽厚截面板件宽厚 比等级比等级 s1s1级级 s2s2级级 s3s3级级 s4s4级级 s5s5级级 压弯 构件 h形 截面 翼缘 9 11 13 15 20 腹板 33+131.30 38+131.39 42+181.51 45+251.66 250 箱形 截面 壁板 （腹板） 间翼缘 30 35 42 45 受弯 构件 工字 形截 面 翼缘 9 11 13 15 20 腹板 65 72 93 124 250 箱形 截面 壁板 （腹板） 间翼缘 25 32 37 42 钢结构房屋的抗震等级 （引自gb50011-2010表8.1.3） 房屋房屋 高度高度 烈度烈度 6 7 8 9 50m 四 三 二 50m 四 三 二 一 框架梁、柱板件宽厚比限值框架梁、柱板件宽厚比限值 （引自（引自gb50011-2010表表8.3.2） 构件构件 一一级级 二二级级 三级三级 四级四级 柱 h形截面 翼缘 10 11 12 13 h形截面 腹板 43 45 48 52 箱形截面壁板 （腹板）间翼缘 33 36 38 40 梁 工字形截面 翼缘 9 9 10 11 工字形截面 腹板 72-120nb/af ?60 72-100nb/af ?65 80-110nb/af ?70 85-120nb/af ?75 箱形截面壁板 （腹板）间翼缘 30 30 32 36 受弯构件和压弯构件的截面板件宽厚比等级 （引自gb50011-2010表6） 构件构件 a类类 b类类 c c类类 柱 h形截面 翼缘 10 12 指现行钢规 按弹性准则设计 时腹板不发生局 部屈曲的情况 h形截面 腹板 44 50 箱形截面 壁板（腹板） 间翼缘 33 37 梁 工字形截面 翼缘 9 11 工字形截面 腹板 65 72 箱形截面壁 板（腹板） 间翼缘 30 36 水平地震影响系数最大值 地震影响地震影响 6度度 7度度 8度度 9度度 多遇地震 0.04 0.08（0.12） 0.16（0.24） 0.32 设防地震 0.12 0.23（0.34） 0.45（0.68） 0.90 多遇地震/设 防地震 0.33 0.35 0.36(0.35) 0.36 规则结构塑性耗能区不同性能等级 对应的性能系数最小值 性能性能 等级等级 性能性能1 性能性能2 性能性能3 性能性能4 性能性能5 性能性能6 性能性能7 性能 系数 最小值 1.10 0.9 0.70 0.55 0.45 0.35 0.28 结构构件最低延性等级 设防设防 类别类别 塑性耗能区最低性能等级塑性耗能区最低性能等级 性能 1 性能 2 性能 3 性能 4 性能 5 性能 6 性能 7 适度 设防类 （丁类） 级 级 级 级 标准 设防类 （丙类） 级 级 级 级 级 重点 设防类 （乙类） 级 级 级 级 级 特殊 设防类 （甲类） 级 级 级 级 级 按抗震性能化设计思路设计流程 建筑物 地震以外荷载承 载能力和正常使 用状态计算符合 规范规定 基本符合建 抗规1-5章 的规定（除材 料和承载力） 多遇地震作用下 承载力符合抗规规定 （对于丙类结构，延性等级不 低于级的塑性耗能区除外） 层间位移角1/250 地下结构 的验算 设防地震作用验算 高承载力低延性 低承载力高延性 非结构构件的 问题 按抗震性能化设计思路 设防地震作用验算的设计流程 建筑物根据建筑工程抗震设防分类 标准确定设防类别设防类别 根据设防烈度、结构体系、使用功能、 附属设施功能要求、投资大小等确定 最低延性等级最低延性等级 验算塑性耗能 区性能系数 按照机构控制 验算其他构件 的承载力 根据延性等级 确定构件和节 点的抗震措施 按抗震性能化设计思路 设防地震作用验算的框架结构设计流程 建筑物根据建筑工程抗震设 防分类标准确定设防类别设防类别 根据设防烈度、使用功能、附 属设施功能要求、投资大小等 确定最低延性等级最低延性等级 验算框架梁梁端 性能系数 （按层进行） 剪力按梁端（或柱 端）产生塑性铰时 最大剪力计算 强柱弱梁 框架梁轴压比 0.15 根据延性等级确定 框架梁梁端（柱最大应力 区）板件宽厚比 节点域 框架柱长细比 按抗震性能化设计思路 设防地震作用验算的支撑结构设计流程 建筑物根据建筑工程抗震设防分类 标准确定设防类别设防类别 根据设防烈度、使用功能、附属设施 功能要求、投资大小等确定最低延最低延 性等级性等级 验算支撑性能系数 当长细比大于130时， 可按只受拉构件计算 （按层进行） 强柱弱支撑 根据延性等级确定 支撑板件宽厚比和长 细比 与抗规比较：钢规更适合精细化设计（2-1） 均需符合抗规1-5章的规定（材料选用和承载力验 算稍有区别） 使用范围不同 均须进行多遇地震作用下变形验算 均须进行多遇地震作用下承载力验算，但按钢规设 计时，塑性耗能区可不符合承载力要求 与抗规比较：钢规更适合精细化设计（2-2） 材料要求不同 框架结构强柱弱梁验算不同 框架结构节点域承载力验算不同 支撑验算方法不同 截面板件宽厚比的规定不同 钢规采用延性等级、抗规采用抗震等级 什么是性能系数？ 所谓的性能系数指进行设防地震作用验算时，考虑结构 的延性对地震作用的折减系数，类似于抗震规范中的屈服 强度系数。 为什么要求塑性耗能区的性能系数较其他构件低？ 结构的延性不仅取决于构件的延性，更与结构预期的破 坏途径相关，比如对于框架结构，只有框架梁的性能系数 最低，预期的塑性铰才会出现在框架梁处，所有的验算都 为了确保这一点。 为什么门式刚架轻型钢结构厂房可不符合建筑抗 震设计规范（gb50011-2010）的规定？ 对于门式刚架轻型钢结构厂房，由于截面板件宽厚比等 级允许采用s5级且采用变截面设计，内力无法进行重分布 ，所以内力计算和构件设计均采用弹性设计，由于围护结 构均采用轻型材料，因此质量较小故地震作用影响一般比 不上风荷载的影响，最适合低延性高承载力的设计，而 建筑抗震设计规范（gb50011-2010）中采用低延性高承 载力设计的单层钢结构厂房截面板件宽厚比等级控制在s4 级，所以门式刚架轻型钢结构厂房承载力要求应更高而延 性要求可以降低。 进行框架结构强柱弱梁验算有什么需要注意的地方？ （2-1） 采用建筑抗震设计规范（gb50011-2010）进行抗震 设计，根据8.2.5条强柱弱梁采用式 w pc(f yc-n/ac)w pcf yc（等截面梁）验算时 ，公式左侧为框架柱的富余受弯承载力，而右侧作为框架 梁受弯承载力，一般均应考虑硬化系数1.1，因此，当框 架柱不考虑采用塑性设计时，公式应改为 w ec(f yc-n/ac)1.1w pcf yc （等截面梁），当 采用塑性设计，根据钢结构设计规范（gb50017-2003 ）9.2.3条，当轴压比大于0.13时，框架柱作为压弯构件 的富余受弯承载力为1.15w pc(f yc-n/ac) （详细分析 可参考童根树教授钢结构的平面内稳定第3.3节“截 面在压力和弯矩作用下的弹塑性性能和极限承载力”）， 进行框架结构强柱弱梁验算有什么需要注意的地方？ （2-2） 因此，采用抗震规范的强柱弱梁验算时，框架柱采用塑 性截面。细心的设计者会发现8.3.2条条文说明“从抗震 设计的角度，对于板件宽厚比的要求，主要是地震下构件 端部可能的塑性铰范围，非塑性铰范围的构件宽厚比可有 所放宽”当放宽框架柱板件宽厚比限值时，强柱弱梁的计 算也应适当调整。 焊接梁柱翼缘与腹板间的焊缝什么时候必须采用熔透焊缝？ 塑性耗能区板件间的连接、在梁翼缘上下各600mm的节 点范围内，柱翼缘与柱腹板间或箱形柱壁板间的连接焊缝 ，采用全熔透焊缝。 钢结构拼接时应该注意什么？ 尽量避免在最大应力区尤其是塑性耗能区的拼接，应选 择弯矩较小、在地震作用下弯矩波动变化较小的弹性区拼 接。当拼接位置避开了塑性耗能区，则可按与较小被拼接 截面承载力等强的原则设计，需要注意的是，承载力等强 并不是真正物理意义上的等强，一般采用节点极限承载力 大于构件屈服承载力乘以连接系数的原则验算，也可采用 最大荷载内力组合值（暴雨、大雪、罕遇地震等），考虑 一定的安全系数（对于地震可采用连接系数作为安全系数 ）进行连接的承载力弹性设计。当由于条件限制不能避开 塑性耗能区，如框架梁的拼接位置到柱翼缘表面的距离不 小于 maxl/10,1.5h（l为梁的净跨、h为梁高）时，则 应考虑连接系数进行梁端梁-梁拼接极限受弯、受剪承载 力验算，此时尚需注意受剪承载力应考虑0.5的折减系数 。 构件承载力越高，结构的抗震性能越好吗？（2-1） 结构抗震性能的高低和构件承载力高低有关系 ，但并不是简单的构件承载力越高结构抗震性能 越好的关系。结构体系、塑性耗能区的构造要求 以及构件承载力的高低都和抗震性能的高低有着 直接关系。 构件承载力越高，结构的抗震性能越好吗？（2-2） 简单的说，除隔震设计外，抗震设计可有下列二种思路： 1 采用普通结构体系，即刚强的结构抗侧力体系抵抗地 震作用，此时构件承载力直接决定结构的承载力。 2 采用制振结构体系，主要的设计思想是让结构按照设 计者预想的破坏途径破坏，这样，设计者必须控制塑性耗 能区的承载力，不能使其过高，如仅增加塑性耗能区的承 载力，而其他构件的承载力未相应增加，结构的抗震性能 反而可能降低。 以交叉支撑系统为例，当支撑实际屈服强度较低时，在强 烈地震作用下，支撑屈服时，与支撑直接连接的框架柱所 承担的相应的竖向分力也相对较低，当仅提高支撑承载力 ，则框架柱可能在支撑屈服前发生破坏而导致结构破坏。 为什么说钢结构适合做性能化设计？（2-1） 一方面，钢结构为薄壁构件，构件尺寸大并不意味着用钢 量高，比如500mmx800mm的混凝土构件一定比500mmx500mm 的材料用量高，但钢结构可以通过采用调整板厚的手段在 不提高甚至减低用钢量的条件下提高构件抗弯承载力。对 于截面大小无限制的框架结构，通过增加腹板高度减小腹 板厚度可在不增加用钢量的条件下提高构件的弹性承载力 ，从而降低构件延性要求，达到节约造价的目的。比如轻 型门式刚架结构，即便是采用中震弹性的要求，其结构一 般也是由风荷载控制，这样，在设计门式刚架时，腹板和 翼缘间的焊缝甚至可采用单面角焊缝、间断焊缝等。 为什么说钢结构适合做性能化设计？（2-2） 另一方面，由于钢材有着良好的延性，特定的结构采用一 定的设计处理手段可以使结构仅需较低的承载力即可满足 。 我国幅员辽阔，各地地震环境及结构类型千差万别，指望 规范为所有的结构给出唯一的正确解恐怕不太现实，设计 者应根据场地、结构体系、功能要求、投资大小、震后损 失和修复难易程度等，掌握各类构件的性能，了解其本质 ，把握关键点，采用性能化设计方法进行抗震设计。 采用钢结构性能化设计有什么好处，采用高延性低承载力 思路设计的钢结构用钢量一定比采用低延性高承载力的钢 结构低吗？（2-1） 采用性能化设计后，结构设计采用了不同的设计手法，一 类为高延性低承载力，另一类为低延性高承载力，对于采 用高延性低承载力设计手法设计的结构，构件分为三类， 第一类是塑性耗能区的构件，承载力要求不高但构造要求 高，第二类是弹性区的普通构件，构造要求不高但承载力 有一定要求，第三类为关键构件，构造要求不高但承载力 要求高。这样对于同一结构的不同部位，可采用不同的构 造要求。 采用钢结构性能化设计有什么好处，采用高延性低承载力 思路设计的钢结构用钢量一定比采用低延性高承载力的钢 结构低吗？（2-2） 有一点设计人员必须了解，即所有的构造措施对应的都是 能耗的增加和造价的升高，因此，设计应设法避免不必要 的构造要求。比如，对于柱脚，尽量采用角焊缝而不是熔 透焊缝。对于拼接接头，只要选择合适位置，则无需为了 庞大的节点而发愁，这一点也为抗震设防区的装配式钢结 构提供了出路。 采用高延性低承载力思路设计的钢结构用钢量不一定比采 用低延性高承载力的钢结构低。以7度设防的单层抗弯框 架为例，众所周知，门式刚架轻型钢结构房屋用钢量远较 普通钢结构低，主要原因是由于抗弯承载力的提高对材料 用量的要求远远低于由于延性需求所要求的，因此，进行 钢结构抗震设计时寻求承载力和延性需求的最佳结合点是 合理设计的关键点。 塑性耗能区的钢材和做法有什么特殊要求，可以采 用冷成型钢吗，为什么？ 塑性耗能区应避免选择在加工过程中已损失部分塑性的钢 材，因此不能采用冷成型钢，最好采用热轧型钢及整根材 料，采用焊接截面时，板件间的连接应采用完全焊透的对 接焊缝。 为什