抗震区多层钢结构的抗震设计课件

1、8 8度抗震区多层钢结构的抗震设计度抗震区多层钢结构的抗震设计-绿地土桥小学设计心得绿地土桥小学设计心得 上海绿地设计上海绿地设计【摘要摘要】以都江堰绿地土桥小学教学楼的结以都江堰绿地土桥小学教学楼的结构抗震设计为例，运用结构抗震的概念设计构抗震设计为例，运用结构抗震的概念设计原理，介绍多层钢结构在原理，介绍多层钢结构在8度抗震设防地区的度抗震设防地区的抗震设计和措施，总结了设计中常见问题的抗震设计和措施，总结了设计中常见问题的注意事项。注意事项。【关键词关键词】多层钢结构；多层钢结构；8度设防；抗震概念度设防；抗震概念设计；结构体系；设计细节。设计；结构体系；设计细节。 摘要、关键词摘要、关

2、键词 上海绿地设计上海绿地设计一、绪论一、绪论： “5.12”5.12”汶川大地震给当地人民群众生命财产造汶川大地震给当地人民群众生命财产造成巨大损失。从受灾情况看，震区建筑大多为砖混成巨大损失。从受灾情况看，震区建筑大多为砖混( (凝土凝土) )建筑，楼板和屋面采用混凝土预制件则是地震建筑，楼板和屋面采用混凝土预制件则是地震中的最大杀手。砖混结构房屋受压较好，但塑性和韧中的最大杀手。砖混结构房屋受压较好，但塑性和韧性很差。地震时，房屋在地震波上下左右循环反复荷性很差。地震时，房屋在地震波上下左右循环反复荷载作用下，立即发生整体垮塌，人员来不及逃生，这载作用下，立即发生整体垮塌，人员来不及逃生

3、，这是这次地震伤亡惨重的最主要原因。是这次地震伤亡惨重的最主要原因。 因此，在震区重建中，我们必须考虑建筑结构和因此，在震区重建中，我们必须考虑建筑结构和材料问题。材料问题。绪论绪论 上海绿地设计上海绿地设计 二、都江堰市绿地土桥小学概况：二、都江堰市绿地土桥小学概况： 新建土桥小学位于都江堰市原土桥小学旧校址，新建土桥小学位于都江堰市原土桥小学旧校址，在四川省都江堰市崇义镇土桥乡，该地块东西长约在四川省都江堰市崇义镇土桥乡，该地块东西长约120m，南北宽约，南北宽约130m，用地面积约，用地面积约15950 ，场地，场地东侧靠近灌温路，交通方便。东侧靠近灌温路，交通方便。 规划小学规划小学1

4、2班，学生班，学生540人，新建校舍建筑面积约人，新建校舍建筑面积约4433.5 ，其中：三层（局部四层）综合教学楼，其中：三层（局部四层）综合教学楼3748 ，食堂及生活辅房，食堂及生活辅房618，警卫室，警卫室36，消防水泵房，消防水泵房31.5。运动场包含。运动场包含200米环形塑胶跑道一座。米环形塑胶跑道一座。 土桥小学教学楼是上海对口援建项目中唯一一座全土桥小学教学楼是上海对口援建项目中唯一一座全钢结构建筑。钢结构建筑。概况概况 上海绿地设计上海绿地设计鸟瞰图鸟瞰图 上海绿地设计上海绿地设计 三、模型信息三、模型信息： 1、建筑结构布置和选型、建筑结构布置和选型 1.1 建筑结构布置

5、教学综合楼平面布置整体为建筑结构布置教学综合楼平面布置整体为U形，由抗形，由抗震伸缩缝分为三个独立单体，教学楼（三层钢框架结构）、震伸缩缝分为三个独立单体，教学楼（三层钢框架结构）、行政楼（四层砼框架结构）、试验楼（三层砼框架结构）。行政楼（四层砼框架结构）、试验楼（三层砼框架结构）。 本文所论述的对象是教学楼（三层钢框架结构），上部本文所论述的对象是教学楼（三层钢框架结构），上部结构由抗震缝与相邻建筑脱开，形成独立结构体系，可单独结构由抗震缝与相邻建筑脱开，形成独立结构体系，可单独进行上部结构计算，对抗震有利。进行上部结构计算，对抗震有利。 在在“5.12”汶川大地震前，都江堰教学楼多数采用

6、砖混结汶川大地震前，都江堰教学楼多数采用砖混结构和单框架结构，房屋外廊采用悬挑结构，地震中多有损坏。构和单框架结构，房屋外廊采用悬挑结构，地震中多有损坏。为了提高结构安全等级，本设计采用钢结构三柱框架体系，为了提高结构安全等级，本设计采用钢结构三柱框架体系，即外廊外沿设柱，增加教学楼的安全储备，使其成为震不垮即外廊外沿设柱，增加教学楼的安全储备，使其成为震不垮的避难之所。的避难之所。 教学楼平面布局为规则长方形，楼板无大洞口削弱；立教学楼平面布局为规则长方形，楼板无大洞口削弱；立面简洁、整齐，有利于抗震。面简洁、整齐，有利于抗震。模型信息模型信息 上海绿地设计上海绿地设计一层平面图抗震缝抗震缝

7、 抗震缝抗震缝 平面图 上海绿地设计上海绿地设计 立面图立面图 上海绿地设计上海绿地设计 1.21.2计算程序计算程序 本工程上部结构计算采用中国建筑科学研究院编本工程上部结构计算采用中国建筑科学研究院编制的制的PKPMPKPM系列系列STSSTS、SATWESATWE多层版建筑结构分析与设多层版建筑结构分析与设计软件。计软件。 1.2.1 1.2.1 计算模型的建立计算模型的建立 取标高取标高0.5000.500（基础杯口）以上部分作为研究（基础杯口）以上部分作为研究对象。对象。计算程序计算程序 2 2、结构信息：、结构信息： 2.1 2.1 抗震设防抗震设防上海绿地设计上海绿地设计表表1

8、抗震设防信息抗震设防信息 类别类别 取值取值 依依 据据结构安全等级结构安全等级二级二级建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准设计使用年限设计使用年限5050年年建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准场地土类别场地土类别类类都江堰市土桥小学场地岩土工程勘察报告都江堰市土桥小学场地岩土工程勘察报告抗震设防分类抗震设防分类乙类乙类建筑工程抗震设防分类标准建筑工程抗震设防分类标准多遇地震下的阻尼比多遇地震下的阻尼比0.0350.035建筑抗震设计规范建筑抗震设计规范（20082008年版）年版）罕遇地震下的阻尼比罕遇地震下的阻尼比0.0500.050建筑抗震设计规范建筑抗

9、震设计规范（20082008年版）年版）抗震设防烈度抗震设防烈度8 8度度建筑抗震设计规范建筑抗震设计规范（20082008年版）年版）设计基本地震加速度设计基本地震加速度0.20g0.20g建筑抗震设计规范建筑抗震设计规范（20082008年版）年版）设计地震分组设计地震分组第二组第二组建筑抗震设计规范建筑抗震设计规范（20082008年版）年版）特征周期特征周期TgTg0.40 s0.40 s建筑抗震设计规范建筑抗震设计规范（20082008年版）年版）抗震措施抗震措施9 9度度建筑抗震设计规范建筑抗震设计规范（20082008年版）年版）抗震设防信息抗震设防信息 上海绿地设计上海绿地设计

10、表表2 2 其它计算参数其它计算参数分类分类设计参数设计参数取值取值取值原则取值原则总总信信息息地震力计算地震力计算计算计算X X、Y Y两个方向水平地震力，两个方向水平地震力，不必计算竖向地震力不必计算竖向地震力结构类别结构类别框架结构框架结构地下室层数地下室层数无无裙房层数裙房层数0 0结构重要性系数结构重要性系数1.01.0风风荷荷载载信信息息修正后的基本风压修正后的基本风压W0W00.40 kN/0.40 kN/结构基本周期结构基本周期T1T10.27 s0.27 s体形系数体形系数ss1.301.30地地震震信信息息振型组合方法振型组合方法CQCCQC耦联耦联安全等级为二级安全等级为

11、二级计算振型数计算振型数9 9多遇地震水平地震影多遇地震水平地震影响系数最大值响系数最大值0.160.16建筑抗震设计规范建筑抗震设计规范（20082008年版）年版）罕遇地震水平地震影罕遇地震水平地震影响系数最大值响系数最大值0.900.90活荷质量折减系数活荷质量折减系数0.500.50周期折减系数周期折减系数0.800.80其它计算参数其它计算参数 上海绿地设计上海绿地设计 3 3、计算结果及分析、计算结果及分析 3.1 3.1结构的总质量结构的总质量 活载产生的总质量活载产生的总质量 (t): 101.043(t): 101.043 恒载产生的总质量恒载产生的总质量 (t): 1394

12、.673(t): 1394.673 结构的总质量结构的总质量 (t): 1495.717(t): 1495.717 3.2 3.2 结构动力特性结构动力特性 3.2.1 3.2.1 振型与周期振型与周期( (总刚分析方法总刚分析方法) )计算结果计算结果 上海绿地设计上海绿地设计振型号振型号周期周期转角转角平动系数平动系数 (X+Y)(X+Y)扭转系数扭转系数备注备注1 11.03131.0313179.64179.641.00 ( 1.00+0.00 )1.00 ( 1.00+0.00 )0.000.002 20.77350.773588.8588.850.93 ( 0.00+0.93 )0

13、.93 ( 0.00+0.93 )0.070.073 30.64630.6463102.15102.150.37 ( 0.00+0.37 )0.37 ( 0.00+0.37 )0.6270.6274 40.38170.3817179.84179.840.93 ( 0.93+0.00 )0.93 ( 0.93+0.00 )0.070.075 50.36940.3694177.82177.820.01 ( 0.01+0.00 )0.01 ( 0.01+0.00 )0.990.996 60.34730.347356.4056.400.00 ( 0.00+0.00 )0.00 ( 0.00+0.00

14、)1.001.007 70.34140.34145.265.260.00 ( 0.00+0.00 )0.00 ( 0.00+0.00 )1.001.008 80.33090.330982.4282.420.00 ( 0.00+0.00 )0.00 ( 0.00+0.00 )1.001.009 90.33050.330559.7259.720.00 ( 0.00+0.00 )0.00 ( 0.00+0.00 )1.001.00表表3 3 振型分析表（考虑扭转耦联）振型分析表（考虑扭转耦联） 由上表可知：第一振型模态为由上表可知：第一振型模态为X X向平动，第二振型模态为向平动，第二振型模态为Y

15、Y向平动，第三向平动，第三振型模态为扭转振型。扭转振型周期与第一平动振型周期之比为振型模态为扭转振型。扭转振型周期与第一平动振型周期之比为0.6270.627，小于小于0.90.9，满足规范相关规定。，满足规范相关规定。振型分析表振型分析表 上海绿地设计上海绿地设计 3.2.2 3.2.2 有效质量参与系数有效质量参与系数 本文对结构选取本文对结构选取9个振型参与组合时对应的有效质量个振型参与组合时对应的有效质量参与系数如下：参与系数如下： X方向的有效质量系数：方向的有效质量系数： Y方向的有效质量系数：方向的有效质量系数： 满足满足抗震规范抗震规范条文说明条文说明5.2.2中规定的：中规定

16、的：“振型个数一般可以取振型参与质量达到总质量的振型个数一般可以取振型参与质量达到总质量的90所需的振型数所需的振型数”。 98.41；91.79；有效质量参与系数有效质量参与系数上海绿地设计上海绿地设计 从计算结果中看出，从计算结果中看出，X X、Y Y方向本层方向本层侧移刚度与上一层相应侧移刚度侧移刚度与上一层相应侧移刚度70%70%的比的比值或上三层平均侧移刚度值或上三层平均侧移刚度80%80%的比值中较的比值中较小值为小值为: :1.111.11，各层侧向刚度无突变。，各层侧向刚度无突变。3.3 3.3 各层侧移刚度及层刚度比各层侧移刚度及层刚度比侧移刚度侧移刚度上海绿地设计上海绿地设

17、计 在在X X方向地震力作用下，上部结构底层的剪重方向地震力作用下，上部结构底层的剪重比为比为: :8.52%8.52%； 在在Y Y方向地震力作用下，上部结构底层的剪方向地震力作用下，上部结构底层的剪重比为重比为: :10.32%10.32%； 抗震规范抗震规范(5.2.5)(5.2.5)条要求的楼层最小剪重比条要求的楼层最小剪重比为为: :3.20%3.20%。3.4 3.4 最小剪重比最小剪重比剪重比剪重比上海绿地设计上海绿地设计 3.5 3.5层间位移角和位移比层间位移角和位移比 本结构属于钢框架结构，按照本结构属于钢框架结构，按照抗震规范抗震规范5.5.15.5.1条要求，故采用条要

18、求，故采用1/3001/300的位移角限值来严格控制其抗震的位移角限值来严格控制其抗震变形。变形。 由计算结构可知，最大层间位移角由计算结构可知，最大层间位移角 X X方向为方向为:1/314:1/314（第一层），（第一层）， Y Y方向为方向为:1/427:1/427（第一层），（第一层）， 均小于均小于1/3001/300，满足规范要求。，满足规范要求。 本结构最大层间位移比，本结构最大层间位移比， X X方向为方向为:1.41:1.41， Y Y方向为方向为:1.17:1.17， 均满足规范规定要求小于均满足规范规定要求小于1.51.5。位移角和位移比位移角和位移比 上海绿地设计上海绿

19、地设计四、设计细节四、设计细节 1 1、柱脚选用固接。采用插入式柱脚，为增强柱脚锚固，柱子、柱脚选用固接。采用插入式柱脚，为增强柱脚锚固，柱子插入基础杯口部分加焊栓钉。插入基础杯口部分加焊栓钉。 柱脚柱脚 上海绿地设计上海绿地设计2 2、主梁与柱连接采用固接：、主梁与柱连接采用固接：主梁与柱主梁与柱 上海绿地设计上海绿地设计3 3、主梁与次梁连接采用铰接：、主梁与次梁连接采用铰接：主梁与次梁主梁与次梁 上海绿地设计上海绿地设计 4 4、楼板设计：、楼板设计： 楼板为压型钢板非组合楼板，由于教学楼的楼板为压型钢板非组合楼板，由于教学楼的耐火等级为二级，楼板为不燃烧体，耐火极限为耐火等级为二级，楼

20、板为不燃烧体，耐火极限为1.0h1.0h，如果压型钢板参与结构计算，形成组合楼，如果压型钢板参与结构计算，形成组合楼板，则须对其进行防火处理，喷涂防火涂料，涂板，则须对其进行防火处理，喷涂防火涂料，涂层厚度层厚度1.01.0，涂料理论用量为：，涂料理论用量为：1.61.61.71.7/ /，折合造价为：折合造价为：9191元元/ /，压型钢板折合造价为：，压型钢板折合造价为：9898元元/ /，两者差距不大，而且非组合楼板增加安全，两者差距不大，而且非组合楼板增加安全系数，缩短施工周期。系数，缩短施工周期。 建模时，非组合楼板用等效刚度的混凝土楼建模时，非组合楼板用等效刚度的混凝土楼板代替。板

21、代替。楼板设计楼板设计 上海绿地设计上海绿地设计 5 5、屋面设计：、屋面设计： 本工程屋面大部分为覆彩钢坡屋面，坡本工程屋面大部分为覆彩钢坡屋面，坡度度21.821.8。当地学校建筑大多以坡屋面为主，。当地学校建筑大多以坡屋面为主，上铺水泥瓦。在上铺水泥瓦。在“5.12”5.12”地震时，多有屋面地震时，多有屋面水泥瓦脱落砸伤人员的情况发生。水泥瓦脱落砸伤人员的情况发生。 为解决这一难题，并保留为解决这一难题，并保留“川西北民居川西北民居”风格，本设计屋面采用大片灰色镀锌钢板风格，本设计屋面采用大片灰色镀锌钢板(0.5(0.5厚），避免了地震中屋面瓦的脱落，同厚），避免了地震中屋面瓦的脱落，

22、同时减轻屋面自重，有利于抗震。时减轻屋面自重，有利于抗震。屋面设计屋面设计 上海绿地设计上海绿地设计五、结论：五、结论： “ “5.12”5.12”汶川大地震灾后重建项目汶川大地震灾后重建项目土土桥小学目前已设计、施工完成，并成功投入桥小学目前已设计、施工完成，并成功投入使用。该项目对震后重建中针对使用。该项目对震后重建中针对8 8度抗震设防度抗震设防要求，如何选择结构形式进行了有益的探讨，要求，如何选择结构形式进行了有益的探讨，并成为钢框架结构在灾后重建中优于混凝土并成为钢框架结构在灾后重建中优于混凝土框架结构的一个很好的实例证明。框架结构的一个很好的实例证明。 结论结论上海绿地设计上海绿地

23、设计 1 1、从用钢量上比较：土桥小学教学楼（钢框架结、从用钢量上比较：土桥小学教学楼（钢框架结构），建筑面积构），建筑面积13031303，总用钢量，总用钢量137.455t137.455t，折合用，折合用钢量钢量105105/ /；同等建设规模的土桥小学实验楼采用；同等建设规模的土桥小学实验楼采用钢筋混凝土框架结构，用钢量为钢筋混凝土框架结构，用钢量为105105/ /。 2、从建设速度比较：土桥小学教学楼比土桥小学、从建设速度比较：土桥小学教学楼比土桥小学实验楼建设速度要快实验楼建设速度要快50%，节省了很多时间成本，全，节省了很多时间成本，全部工程周期为部工程周期为143天。天。 3、

24、从结构自重及对基础的影响比较：土桥小学、从结构自重及对基础的影响比较：土桥小学教学楼比土桥小学实验楼结构轻教学楼比土桥小学实验楼结构轻50%以上，对抗震更以上，对抗震更为有利，基础处理、运输量的成本也会下降。为有利，基础处理、运输量的成本也会下降。 4、从柱子截面及对建筑空间的影响比较：土桥小、从柱子截面及对建筑空间的影响比较：土桥小学教学楼比土桥小学实验楼的柱子截面小，增加了约学教学楼比土桥小学实验楼的柱子截面小，增加了约5%的空间面积。的空间面积。结论结论 上海绿地设计上海绿地设计 1 1 建筑抗震设计规范（建筑抗震设计规范（GB50011-2001GB50011-2001）（）（20082008年版）年版）S.S. 北京：中国建筑工业出版社，北京：中国建筑工业出版社，2008.2008. 2 2 钢结构设计规范钢结构设计规范(GB5001