多层及高层钢结构房屋抗震设计

第六章多层及高层钢结构房屋抗震设计6.1钢结构房屋的震害与抗震性能一、钢结构房屋的震害钢结构特性强度高、延性好、重量轻、抗震性能好总体来说，在同等场地、烈度条件下，钢结构房屋的震害较钢筋混凝土结构房屋的震害要小震害举例及比较1985年墨西哥城地震中钢结构和钢筋混凝土结构的破坏情况钢结构严重钢筋混凝土结构严重建造年份倒塌倒塌破坏破坏1957年以前

71957~1976年

31976年以后

012751416102366.1钢结构房屋的震害与抗震性能框架梁柱刚性节点破坏6.1钢结构房屋的震害与抗震性能地震下刚性连接节点脆性破坏6.1钢结构房屋的震害与抗震性能支撑屈曲6.1钢结构房屋的震害与抗震性能梁柱局部失稳6.1钢结构房屋的震害与抗震性能多高层钢结构在地震中的破坏形式有三种节点破坏；构件破坏；结构倒塌一、节点连接破坏1.支撑连接破坏圆钢支撑连接的破坏角钢支撑连接的破坏6.1钢结构房屋的震害与抗震性能2.梁柱连接破坏美国Northridge地震日本阪神地震6.1钢结构房屋的震害与抗震性能1978年日本宫城县远海地震钢结构建筑破坏类型统计破

坏

等

级*统计结

构

数

量破

坏

类

型百分比(%)Ⅱ级：支撑连接出现裂纹，但没有不可恢复的屈曲变形ⅤⅣⅢⅡ

总数––––柱梁221过度弯曲–117.4Ⅲ级：出现小于1/30层高的永久层间变形梁、柱局部屈曲2112支撑连接梁柱连接柱脚连接其它连接6–––13–252631Ⅳ级：出现大于1/30层高的永久层间变形连接破坏11980.4421–11基础失效Ⅴ级：倒塌–不均匀沉降2412831812.2100或无法继续使用总计823341486.1钢结构房屋的震害与抗震性能震害调查发现，梁柱连接的破坏大多数发生在梁的下翼缘处，而上翼缘的破坏要少得多可能的原因：1.楼板与梁共同变形导致下翼缘应力增大2.下翼缘在腹板位置焊接的中断是一个显著的焊缝缺陷的来源震后观察到的在梁柱焊缝连接处的失效模式1.美国Northridge地震6.1钢结构房屋的震害与抗震性能6.1钢结构房屋的震害与抗震性能2.日本阪神地震模式1—翼缘断裂模式2，3—热影响区断裂模式4—横膈板断裂6.1钢结构房屋的震害与抗震性能梁柱刚性连接裂缝或断裂破坏的原因（4点）：1.焊缝缺陷如裂纹、欠焊、夹渣和气孔等这些缺陷将成为裂缝开展直至断裂的起源2.三轴应力梁柱连接的焊缝变形由于受到梁和柱约束，施焊后焊缝残存三轴拉应力，使材料变脆6.1钢结构房屋的震害与抗震性能3.构造缺陷出于焊接工艺的要求，梁翼缘与柱连接处设有衬板，实际工程中衬板在焊接后就留在结构上，这样衬板与柱翼缘之间就形成一条“人工”裂缝，成为连接裂缝发展的起源。4.焊缝金属冲击韧性低的冲击韧性使得连接很易产生脆性破坏，成为引发节点破坏的重要因素“人工”裂缝6.1钢结构房屋的震害与抗震性能二、构件破坏多高层建筑钢结构构件破坏的主要形式有1.支撑压屈支撑压曲支撑在地震中所受的压力超过其屈曲临界力时，即压屈破坏2.梁柱局部失稳梁或柱在地震作用下反复受弯，在弯矩最大截面处附近由于过度弯曲可能发生翼缘局部失稳破坏梁柱局部失稳6.1钢结构房屋的震害与抗震性能3.柱水平裂缝或断裂破坏位于阪神地震区芦屋市海滨城的52栋高层钢结构住宅，有57根钢柱发生断裂，其中13根钢柱为母材断裂，37根钢柱在拼接焊缝处断裂7根钢柱在与支撑连接处断裂，支撑处的断裂母材的断裂6.1钢结构房屋的震害与抗震性能三、结构倒塌结构倒塌是地震中结构破坏最严重的形式钢结构建筑尽管抗震性能好，但在地震中也有倒塌事例发生。1995年日本阪神地震中ChouWard地震钢结构房屋震害情况建造年份严重破坏或倒塌中等破坏轻微破坏完

好钢结构房屋在地震中严重破坏或倒塌与结构抗震设计水平关系很大1971年以前5000002310571971-1982年1982年以后1971年，日本钢结构设计规范修订；1982年，日本建筑标准法实施6.2抗震设计规定一、结构选型在结构选型上，多层和高层钢结构无严格界限为区分结构的重要性对结构抗震构造措施的要求不同我国建筑抗震设计规范（GB50011—2001）规定：将超过12层的建筑归为高层钢结构建筑将不超过12层的建筑归为多层钢结构建筑6.2抗震设计规定有抗震要求的多高层建筑钢结构可采用以下结构体系：1.纯框架结构延性好，但抗侧力刚度较差2.框架-中心支撑体系通过支撑提高框架的刚度，但支撑受压会屈曲，支撑屈曲将导致原结构承载力降低6.2抗震设计规定3.框架—偏心支撑结构体系可通过偏心梁段剪切屈服限制支撑受压屈曲，使结构具有稳定的承载能力和良好的耗能性能，抗侧力刚度介于纯框架和中心支撑框架之间6.2抗震设计规定各种钢结构体系建筑的适用高度适用的钢结构房屋最大高度（m）设防烈度结构体系6、711089框

架9050框架—支撑（剪力墙板）220300200260140180筒体（框筒、筒中筒、束筒）和巨型框架各种钢结构体系建筑的适用高宽比适用的钢结构房屋最大高宽比烈度6、76.589最大高宽比6.05.56.2抗震设计规定二、结构平面布置多高层钢结构的平面布置应尽量满足下列要求：1.

建筑平面宜简单规则，并使结构各层的抗侧力刚度中心与质量中心接近或重合，同时各层刚心与质心接近在同一竖直线上6.2抗震设计规定2.建筑的开间、进深宜统一，其常用平面的尺寸关系应符合下表和图的要求L/B＜5L/Bmax＜4l/bl’/Bmax

B’/Bmax＞1

＜0.5＜1.56.2抗震设计规定三、结构竖向布置多高层钢结构的竖向布置应尽量满足下列要求：1.楼层刚度大于其相邻上层刚度的70%，且连续三层总的刚度降低不超过50%2.相邻楼层质量之比不超过1.5（屋顶层除外）3.立面收进尺寸的比例L1/L＞0.75立面收进6.2抗震设计规定4.任意楼层抗侧力构件的总受剪承载力大于其相邻上层的80%5.框架—支撑结构中，支撑（或剪力墙板）宜竖向连续布置，除底部楼层和外伸刚臂所在楼层外，支撑的形式和布置在竖向宜一致四、结构布置的其他要求1.高层钢结构宜设置地下室在框架-支撑（剪力墙板）体系中，竖向连续布置的支撑（剪力墙板）应延伸至基础；设置地下室时，框架柱应至少连接到地下一层2.8、9度时，宜采用偏心支撑、带缝钢筋混凝土剪力墙板、内藏钢板支撑、外伸臂框架或其它消能支撑6.2抗震设计规定3.采用偏心支撑框架时，顶层可为中心支撑4.楼板宜采用压型钢板（或预应力混凝土薄板）加现浇混凝土叠合层组成的楼板；楼板与钢梁应采用栓钉或其它元件连接（如右图）当楼板有较大或较多的开孔时，可增设水平钢支撑以加强楼板的水平刚度。楼板与钢梁的连接6.3钢结构房屋的抗震计算完整的建筑结构抗震设计包括三个方面的内容与要求：1.概念设计在总体上把握抗震设计的主要原则，弥补由于地震作用及结构地震反应的复杂性而造成抗震计算不准确的不足2.抗震计算为建筑抗震设计提供定量保证3.构造措施为保证抗震概念与抗震计算的有效提供保障上述三个方面的内容是一个不可割裂的整体，忽略任何一部分，都可能使抗震设计失效6.3钢结构房屋的抗震计算一、计算模型确定多高层钢结构抗震计算模型时，应注意：1.

进行多高层钢结构地震作用下的内力与位移分析时，一般可假定楼板在自身平面内为绝对刚性。对整体性较差、开孔面积大、有较长的外伸段的楼板，宜采用楼板平面内的实际刚度进行计算2.进行多高层钢结构多遇地震作用下的反应分析时，可考虑现浇混凝土楼板与钢梁的共同作用。在设计中应保证楼板与钢梁间有可靠的连接措施，此时楼板可作为梁翼缘的一部分计算梁的弹性截面特性进行多高层钢结构罕遇地震反应分析时，考虑到此时楼板与梁的连接可能遭到破坏，则不应考虑楼板与梁的共同工作6.3钢结构房屋的抗震计算3.多高层钢结构的抗震计算可采用：平面抗侧力结构的空间协同计算模型结构布置规则、质量及刚度沿高度分布均匀、不计扭转效应可采用平面结构计算模型结构平面或立面不规则、体型复杂，无法划分平面抗侧力单元的结构以及筒体结构应采用空间结构计算模型4.多高层钢结构在地震作用下的内力与位移计算，应考虑梁柱的弯曲变形和剪切变形，尚应考虑柱的轴向变形一般可不考虑梁的轴向变形，但当梁同时作为腰桁架或桁架的弦杆时，则应考虑轴力的影响6.3钢结构房屋的抗震计算5.柱间支撑两端应为刚性连接，但可按两端铰接计算。偏心支撑中的耗能梁段应取为单独单元6.应计入梁柱节点域剪切变形（如图）对多高层建筑钢结构位移的影响可将梁柱节点域当作一个单独的单元进行结构分析，也可按下列规定作近似计算：1）箱形截面柱框架可将节点域当作刚域，刚域的尺寸取节点域尺寸的一半2）工字形截面柱框架可不考虑节点域，梁柱长度按轴线间距离确定6.3钢结构房屋的抗震计算二、地震作用阻尼比取值：多高层钢结构的阻尼比较小，按

反应谱法计算时的取值：高层钢结构的阻尼比可取为0.02多遇地震下的地震作用多层（不超过12层）钢结构的阻尼比可取为0.035考虑结构进入弹塑性，多高层钢结构的阻尼比均可取为0.05罕遇地震下的地震作用6.3钢结构房屋的抗震计算三、

计算有关要求进行多高层钢结构抗震计算时，应注意满足下列设计要求：1、进行多遇地震下抗震设计时，框架-支撑（剪力墙板）结构体系中总框架任意楼层所承担的地震剪力，不得小于结构底部总剪力的25%2、在水平地震作用下，如果楼层侧移满足下式，则应考虑P–△效应δ

—

多遇地震作用下楼层层间位移∑∑δV—

楼层层高h∑≥0.1hP—计算楼层以上全部竖向荷载之和P∑V

—计算楼层以上全部多遇水平地震作用之和此时该楼层的位移和所有构件的内力均应乘以下式放大系数α1α

=∑δP1−∑h

V6.3钢结构房屋的抗震计算3.验算在多遇地震作用下整体基础（筏形基础或箱形基础）对地基的作用时，可采用底部剪力法计算作用于地基的倾覆力矩，但宜取0.8的折减系数4.当在多遇地震作用下进行构件承载力验算时，托柱梁及承托钢筋混凝土抗震墙的钢框架柱的内力应乘以不小于1.5的增大系数。6.4钢结构房屋的抗震构造要求一、纯框架结构抗震构造措施1.框架柱的长细比在一定的轴力作用下，柱的弯矩转角关系:6.4钢结构房屋的抗震构造要求由于几何非线性（P-δ效应）的影响，柱的弯曲变形能力与柱的轴压比及柱的长细比有关柱的变形能力与轴压比的关系柱的轴压比越大弯曲变形能力越小6.4钢结构房屋的抗震构造要求柱的变形能力与长细比的关系弯曲变形能力越小柱的长细比越大6.4钢结构房屋的抗震构造要求2.梁、柱板件宽厚比日本所做的一组梁柱试件，研究其在反复加载下的受力变形情况6.4钢结构房屋的抗震构造要求梁柱试件在反复加载下的受力变形情况：b/t=16构件反复受载的承载能力与耗能能力将降低b/t=8b/t=11随着构件板件宽厚比的增大原因：板件宽厚比越大，板件越易发生局部屈曲，从而影响后继承载性能6.4钢结构房屋的抗震构造要求框架柱的转动变形能力要求比框架梁的的转动变形能力要求低框架柱的板件宽厚比限值可比框架梁的板件宽厚比限值大宽厚比限值要求：不超过12层框架的梁柱板件宽厚比限值板件名称6度137度118度109度9工字形截面翼缘外伸部分柱梁工字型截面腹板箱型截面壁板4339433743354333工字型截面和箱型截面翼缘外伸部分箱型截面翼缘在两腹板间的部分工字型截面和箱型截面腹板1110993632303085−120N

/

Af

80−110N

/

Af

72−100N

/Af

72−100N

/Afbbbb6.4钢结构房屋的抗震构造要求超过12层框架的梁柱板件宽厚比限值板件名称6度137度118度109度9工字形截面翼缘外伸部分柱梁工字型截面腹板箱型截面壁板4339433743354333工字型截面和箱型截面翼缘外伸部分1136103299箱型截面翼缘在两腹板间的部分3030工字型截面和箱型截面腹板80−110N

/

Af

72−100N

/

Af

72−100N

/

Afbb85

120N

/

Af−bb235f注：1.表列数值适用于Q235，当材料为其他牌号钢材时，应乘以y2.表中Nb为梁的轴向力，A为梁的截面积，f为梁的钢材抗拉强度设计值6.4钢结构房屋的抗震构造要求3.梁与柱的连接构造梁柱的连接构造，应符合下列要求：（1）梁与柱的连宜采用柱贯通型（2）柱在两个互相垂直的方向都与梁刚接时，宜采用箱形截面；当仅在一方向刚接时，宜采用工字型截面，并将柱腹板置于刚接框架平面内（3）梁翼缘与柱翼缘应采用全熔透坡口焊缝（4）柱在梁翼缘对应位置应设置横向加劲肋，且加劲肋厚度不应小于梁翼缘厚度（5）当梁翼缘的塑性截面模量小于梁全截面塑性截面模量的70%时，梁腹板与柱的连接螺栓不得小于二列；当计算仅需一列时，仍应布置二列，且此时螺栓总数不得小于计算值的1.5倍6.4钢结构房屋的抗震构造要求为防止框架梁柱连接处发生脆性断裂，可以采用如下措施：1）严格控制焊接工艺操作，重要的部位由技术等级高的工人施焊，减少梁柱连接中的焊接缺陷2）8度乙类建筑和9度时，应检验梁翼缘处全焊透坡口焊缝V形切口的冲击韧性，其冲击韧性在－20C时不低于27J3）补充梁腹板与抗剪连接板之间的焊缝梁腹板补焊6.4钢结构房屋的抗震构造要求4）采用梁端加盖板和加腋，或梁柱采用全焊接方式来加强连接的强度梁柱连接的加强5）利用节点域的塑性变形能力，为此节点域可先设计成先于梁端屈服，但仍需满足有关公式的要求6.4钢结构房屋的抗震构造要求6）利用“强节点弱杆件”的抗震概念，将梁端附近截面局部削弱梁端狗骨式设计具有优越的抗震性能，可将框架的屈服控制在削弱的梁端截面处上下翼缘两侧开4个圆形切口，切口与圆形平行并磨光150设计制作时：a.月牙形切削的切削面应刨光b.起点可距梁端约150mm不宜大于原截面积的90%c.切削后梁翼缘最小截面积应能承受按弹性设计的多遇地震下的组合内力6.4钢结构房屋的抗震构造要求为进一步提高梁端的变形延性，根据梁端附近的弯矩分布，对梁端截面削弱进行更细致的设计使得梁在一个较长的区段（同步塑性区）能同步地进行塑性耗能同步塑性设计：建议梁的同步塑性区L3的长度取为梁高的一半使梁的同步塑性区各截面的塑性抗弯承载力比弯矩设计值同等地低5%-10%在同步塑性区两端各有一个L2＝L4＝100mm左右光滑以避开热影响区过渡区，过渡区离柱表面L1＝50-100mm6.4钢结构房屋的抗震构造要求二、中心支撑框架抗震构造措施1.受拉支撑的布置要求地震作用方向是任意的，且为反复作用中心支撑采用只能受拉的斜杆体系时应同时设置两组不同倾斜方向的斜杆两组斜杆的截面面积在水平方向的投影面积之差不得大于10%2.受压支撑杆件的要求地震作用下，支撑杆件可能会经历反复的压曲拉直作用支撑杆件不宜采用焊接截面，应尽量采用轧制型钢若采用焊接H型截面作支撑构件时，在8、9度区，其翼缘与腹板的连接宜采用全焊透连接焊缝6.4钢结构房屋的抗震构造要求为限值支撑压曲造成的支撑板件的局部屈曲对支撑承载力及耗能能力的影响，对支撑板件的宽厚比需限值更严，应不大于下表规定的限值：钢结构中心支撑板件宽厚比限值不超过12层8度超过12层板件名称7度9度6度7度8度9度翼缘外伸部分工字型截面腹板箱型截面腹板1333311130289988727252523232123212119圆管外径与壁厚比42404038注：表列数值适用于Q235钢，采用其他牌号钢材应乘以

235

fy6.4钢结构房屋的抗震构造要求为使支撑杆件最低具有一定的耗能性能，中心支撑杆件的长细比不宜大于下表的限值：钢结构中心支撑板件长细比限值类型不超过12层

按压杆设计按拉杆设计6、7度1508度120150909度12015060200超过12层120235

f注：表列数值适用于Q235钢，采用其他牌号钢材应乘以y此外，当支撑为填板连接的双肢组合构件时，肢件在填板间的长细比不应大于构件最大长细比的1/2，且不应大于406.4钢结构房屋的抗震构造要求3.支撑节点要求当结构超过12层时，支撑宜采用H型钢制作，两端与框架可采用刚接构造H型钢支撑连接节点示例支撑杆端宜放大做成圆弧状支撑与框架连接处梁柱与支撑连接处应设置加劲肋6.4钢结构房屋的抗震构造要求当结构不超过12层时，若支撑与框架采用节点板连接，支撑端部至节点板嵌固点在支撑杆件方向的距离，不应小于节点板厚度的2倍试验表明：这个不大的间隙允许节点板在强震时有少许屈曲，能显著减少支撑连接的破坏，有积极作用支撑端部节点板构造示意图6.4钢结构房屋的抗震构造要求4.框架部分要求中心支撑框架结构的框架部分的抗震构造措施要求可与纯框架结构抗震构造措施要求一致当房屋高度不高于100m且框架部分承担的地震作用不大于结构底部总地震剪力的25%时，8、9度的抗震构造措施可按框架结构降低一度的相应要求采用。6.4钢结构房屋的抗震构造要求三、偏心支撑框架抗震构造措施1.消能梁段的长度偏心支撑框架的抗震设计应保证罕遇地震下结构屈服发生消能梁段上剪切屈服型这种消能梁段的偏心支撑框架的刚度和承载力较大，延性和耗能性能较好消能梁的屈服形式有两种弯曲屈服型抗震设计时，消能梁段宜设计成剪切屈服型6.4钢结构房屋的抗震构造要求净长a满足下列公式要求者为剪切屈服型消能梁段:Mρ(Aw

/A)<0.3时，a

≤

1.6p（1）当=V

0.58

f

h

fp

y

o

wV其中pMM

=

W

fp

p

y（2）当

ρ(A

/

A)≥0.3

时，

a

1.15

0.5

1.6≤

(−

ρ

)pwVpV――消能梁段塑性受剪承载力WA――消能梁段截面塑性抵抗矩ppM――消能梁段塑性受弯承载力――消能梁段腹板高度p――消能梁段截面面积hotwAw――消能梁段腹板截面面积()Aw

/

Aρ

=――消能梁段腹板厚度如消能梁段与柱连接应设计成剪切屈服型或在多遇地震作用下的组合轴力设计值

N

>

0.16Af6.4钢结构房屋的抗震构造要求2.消能梁段的材料及板件宽厚比要求偏心支撑框架主要依靠消能梁段的塑性变形消能地震能量，故对消能梁段的塑性变形能力要求较高一般钢材的塑性变形能力与其屈服强度成反比消能梁段所采用的钢材的屈服强度不能太高，应不345MPa6.4钢结构房屋的抗震构造要求为保障消能梁段具有稳定的反复受力的塑性变形能力：1）消能梁段腹板不得加焊贴板提高其承载力2）不得在腹板上开洞3）消能梁段及与消能梁段同一跨内的非消能梁段，其板件的宽厚比不应大于下表的限值板件名称宽厚比限值8翼缘外伸部分9