多層鋼結構抗震設計.ppt

第8章 多層鋼結構抗震設計,返回總目錄,教學提示：多層鋼結構的結構體系主要有框架體系、框架-支撐(抗震墻板)體系等，它們的區(qū)別在于抗側力結構的形式不同。同混凝土結構相比，鋼結構具有優(yōu)越的強度和韌性，抗震能力較強。但也必須重視焊接、連接、冷加工等工藝技術以及腐蝕環(huán)境對鋼結構房屋抗震性能影響。多層鋼結構的抗震計算采用兩階段設計法，第一階段設計時，其地震作用效應采用彈性方法計算，根據不同情況，可采用底部剪力法、振型分解反應譜法以及時程分析法；第二階段的抗震驗算應采用時程分析法對結構進行彈塑性時程分析，其結構計算模型可以采用桿系模型、剪切型層模型、剪彎型模型或剪彎協同工作模型。 教學要求：本章要求學生了解多層鋼結構的結構體系、鋼結構房屋抗震規(guī)定、抗震計算要點及構造措施。, 8.1 概述 8.2 多層鋼結構抗震設計的一般規(guī)定 8.3 鋼結構房屋的抗震計算 8.4 多層鋼結構房屋的抗震構造要求 8.5 多層鋼結構廠房抗震設計 8.6 習題,本章內容,8.1.1 多層鋼結構的體系與布置,多層鋼結構的體系主要有框架體系、框架-支撐(抗震墻板)體系等。 1. 框架體系 框架體系是由沿縱橫向方向的多榀框架構成及承擔水平荷載的抗側力結構，它也是承擔豎向荷載的結構。這類結構的抗側力能力主要決定于梁柱構件和節(jié)點的強度與延性，故節(jié)點常采用剛性連接節(jié)點。 2. 框架-支撐體系 框架-支撐體系是在框架體系中沿結構的縱、橫兩個方向均勻布置一定數量的支撐所形成的結構體系。在框架-支撐體系中，框架是剪切型結構，底部層間位移大；支撐為彎曲型結構，底部層間位移小，兩者并聯，可以明顯減少建筑物下部的層間位移，因此在相同的側移限值標準的情況下，框架-支撐體系可以用于比框架體系更高的房屋。 支撐體系的布置由建筑要求及結構功能來確定，一般布置在端框架中、電梯井周圍處。支撐類型的選擇與是否抗震有關，也與建筑的層高、柱距以及建筑使用要求，如人行通道、門洞和空調管道設置等有關，因此需要根據不同的設計條件選擇適宜的類型。常用的支撐體系有中心支撐和偏心支撐。,8.1 概 述,(1)中心支撐。中心支撐是指斜桿與橫梁及柱匯交于一點，或兩根斜桿與橫桿匯交于一點，也可與柱子匯交于一點，但匯交時均無偏心距。根據斜桿的不同布置形式，可形成X形支撐、單斜支撐、人字形支撐、K形支撐及V形支撐等類型，如圖8.1所示。中心支撐是常用的支撐類型之一，因具有較大的側向剛度，對減小結構的水平位移和改善結構的內力分布是有效的，但在往復的水平地震作用下，會產生下列后果：支撐斜桿重復壓曲后，其抗壓承載力急劇降低；支撐的兩側柱子產生壓縮變形和拉伸變形時，由于支撐的端節(jié)點實際構造做法并非鉸接，引發(fā)支撐產生很大的內力和應力；斜桿從受壓的壓曲狀態(tài)變?yōu)槭芾鞝顟B(tài)，將對結構產生沖擊作用力，使支撐及其節(jié)點和相鄰的結構產生很大的附加應力；同一層支撐框架內的斜桿輪流壓曲又不能恢復(拉直)，樓層的受剪承載力迅速降低。因此對于地震區(qū)建筑，不得采用K形中心支撐，因K形支撐的斜桿因受壓屈曲或受拉屈服時，將使柱子發(fā)生屈曲甚至嚴重破壞。當采用單斜支撐且按受拉設計時，應同時設置不同傾斜方向的兩組單斜桿，且每層中不同方向單斜桿的面積在水平方向的投影面積之差不得大于10%。,8.1 概 述,(a) X型支撐1 (b) X型支撐2 (c) 人字形支撐 (d) V形支撐 圖8.1 中心支撐類型,8.1 概 述,圖8.2 偏心支撐類型,(2) 偏心支撐。偏心支撐是指支撐斜桿的兩端，至少有一端與梁相交(不在柱節(jié)點處)，另一端可在梁與柱交點處連接，或偏離另一根支撐斜桿一段長度與梁連接，并在支撐斜桿桿端與柱子之間構成一消能梁段，或在兩根支撐斜桿之間構成一消能梁段的支撐，如圖8.2所示。,8.1 概 述,采用偏心支撐的主要目的是改變支撐斜桿與梁(消能梁段)的先后屈服順序，即在罕遇地震時，消能梁段在支撐失穩(wěn)之前就進入彈塑性階段以利用非彈性變形進行消能，從而保護支撐斜桿不屈曲或屈曲在后。因此，偏心支撐與中心支撐相比具有較大的延性，它是適宜用于高烈度地區(qū)的一種新型支撐體系。 3. 框架-抗震墻板體系 框架-抗震墻板體系是以鋼框架為主體，并配置一定數量的抗震墻板。由于抗震墻板可以根據需要布置在任何位置上，布置靈活。另外抗震墻板可以分開布置，兩片以上抗震墻并聯體較寬，從而可減小抗側力體系等效高寬比，提高結構的抗推和抗傾覆能力?？拐饓Π逯饕幸韵氯N類型。 (1) 鋼抗震墻板。鋼抗震墻板一般需采用厚鋼板，其上下兩邊緣和左右兩邊緣可分別與框架梁和框架柱連接，一般采用高強度螺栓連接。鋼板抗震墻板承擔沿框架梁、柱周邊的地震作用，不承擔框架梁上的豎向荷載。非抗震設防及按6度抗震設防的建筑，采用鋼板抗震墻可不設置加勁肋。按7度及7度以上抗震設防的建筑，宜采用帶縱向和橫向加勁肋的鋼板抗震墻，且加勁肋宜兩面設置。,8.1 概 述,(2) 內藏鋼板支撐抗震墻板。內藏鋼板支撐抗震墻是以鋼板為基本支撐，外包鋼筋混凝土墻板的預制構件。內藏鋼板支撐可做成中心支撐也可做成偏心支撐，但在高烈度地區(qū)，宜采用偏心支撐。預制墻板僅在鋼板支撐斜桿的上下端節(jié)點處與鋼框架梁相連，除該節(jié)點部位外與鋼框架的梁或柱均不相連，留有間隙，因此，內藏鋼板支撐抗震墻仍是一種受力明確的鋼支撐。由于鋼支撐有外包混凝土，故可不考慮平面內和平面外的屈曲。墻板對提高框架結構的承載能力和剛度，以及在強震時吸收地震能量方面均有重要作用。 (3) 帶豎縫混凝土抗震墻板。普通整塊鋼筋混凝土墻板由于初期剛度過 高，地震時首先斜向開裂，發(fā)生脆性破壞而退出工作，造成框架超載而破壞，為此提出了一種帶豎縫的抗震墻板。它在墻板中設有若干條豎縫，將墻分割成一系列延性較好的壁柱。多遇地震時，墻板處于彈性階段，側向剛度大，墻板如同由壁柱組成的框架板承擔水平抗震。罕遇地震時，墻板處于彈塑性階段而在柱壁上產生裂縫，壁柱屈服后剛度降低，變形增大，起到耗能減震的作用。,8.1 概 述,8.1.2 鋼結構房屋的震害及破壞形式,同混凝土結構相比，鋼結構具有優(yōu)越的強度、韌性或延性、強度重量比，總體上看抗震性能好、抗震能力強。盡管如此，由于焊接、連接、冷加工等工藝技術以及腐蝕環(huán)境的影響，鋼材材性的優(yōu)點將受到影響。如果在設計、施工、維護等方面出現問題，就會造成損害或者破壞。震害調查表明(見表8-1)，鋼結構較少出現倒塌破壞情況，主要震害表現有構件整體或者局部失穩(wěn)、節(jié)點破壞、基礎連接破壞、構件破壞等。,表8-1 唐山鋼鐵廠震害調查資料,8.1 概 述,在地震作用下，鋼結構房屋由于鋼材的材質均勻，強度易于保證，因而結構的可靠性大；輕質高強的特點，使鋼結構房屋的自重輕，從而結構所受的地震作用減小；良好的延性性能，使鋼結構具有很大的變形能力，即使在很大的變形下仍不致倒塌，從而保證結構的抗震安全性。但是，鋼結構房屋如果設計與制造不當，在地震作用下，可能發(fā)生構件的失穩(wěn)和材料的脆性破壞以及連接破壞，而使其優(yōu)良的材性得不到充分的發(fā)揮，結構未必具有較高的承載力和延性。,8.1 概 述,一般來說，鋼結構房屋在強震作用下，強度方面是足夠的，但其側向剛度一般不足。鋼結構在地震作用下，雖然很少整體倒塌，但常發(fā)生局部破壞和材料的脆性破壞。例如，1985年9月19日，墨西哥城發(fā)生8.1級大地震，震后發(fā)現，1957年以前采用的鋼結構體系(如交叉支撐結構)發(fā)生嚴重破壞，而以后普遍采用的抗彎框架體系和抗彎框架-支撐體系則破壞較輕，其中抗彎框架體系的破壞主要發(fā)生在梁柱連接處，以及框架梁的受壓斜桿屈曲?？箯澘蚣?支撐體系除了Pino Suarez綜合樓發(fā)生倒塌外，只有兩棟結構有損傷。1994年美國諾斯里奇(Northrige)發(fā)生6.7級地震，震后未發(fā)現倒塌的鋼結構建筑，鋼結構的破壞形式主要為： 框架節(jié)點區(qū)的梁柱焊接連接破壞； 豎向支撐的整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)； 柱腳焊縫破壞以及錨栓失效。1995年1月17日日本阪神發(fā)生的7.2級大地震中，鋼結構建筑中震害嚴重和數量較多的主要是年久失修的簡易型低層鋼結構，但也有建于20世紀70年代后期的鋼結構建筑遭受破壞，而在1981年新的抗震規(guī)范頒布后按新規(guī)范設計的建筑很少破壞。其主要破壞形式為： 鋼柱脆斷； 支撐以及其連接板的破壞； 梁柱節(jié)點的破壞。那次地震中，由于鋼結構具有良好的延性，相對于鋼筋混凝土結構的破壞程度要小，同時也表明考慮抗震設計的鋼結構建筑很少破壞。而有些鋼結構建筑的倒塌和鋼柱的脆性斷裂，以及支撐屈曲和數量較多的梁柱節(jié)點破壞，已引起了工程界的重視，并進行了相應的研究。,8.1 概 述,8.1.3 鋼結構房屋的抗震性能,鋼結構房屋的抗震性能的好壞取決于結構體系構造、構件及其連接的抗震性能。常用的鋼結構體系有框架結構、框架-支撐結構、框架-抗震墻板結構以及筒體結構、巨型框架結構等。 鋼框架結構構造簡單、傳力明確，側移剛度沿高度分布均勻，結構整體側向變形為剪切型(多層)，抗側移能力主要取決于框架梁、柱的抗彎能力。如構造設計合理，在強震發(fā)生時，結構陸續(xù)進入屈服的部位是框架節(jié)點域、梁、柱構件，結構的抗震能力取決于塑性屈服機制以及梁、柱、節(jié)點的耗能及延性性能。當層數較多時，控制結構性能的設計參數不再是構件的抗彎能力，而是結構的抗側移剛度和延性。因此，從經濟角度看，這種結構體系適合于建造20層以下的中低層房屋。另外，研究及震害調查表明，以梁鉸屈服機制設計的框架結構抗震性能較好，易于實現“小震不壞、大震不倒”的經濟型抗震設防目標。,8.1 概 述,鋼框架-支撐體系可分為中心支撐類型和偏心支撐類型。中心支撐結構使用中心支撐構件，增加了結構抗側移剛度，可更有效的利用構件的強度，提高抗震能力，適合于建造更高的房屋結構，在強烈地震作用下，支撐結構率先進入屈服，可以保護或者延緩主體結構的破壞，這種結構具有多道抗震防線。中心支撐框架結構構件簡單，實際工程應用較多。但是由于支撐構件剛度大，受力較大，容易發(fā)生整體或者局部失穩(wěn)，導致結構總體剛度和強度降低較快，不利于結構抗震能力的發(fā)揮，必須注意其構造設計。帶有偏心支撐的框架-支撐結構，具備中心支撐體系側向剛度大、具有多道抗震防線的優(yōu)點，還適當減少了支撐構件的軸向力，進而減小了支撐失穩(wěn)的可能性。由于支撐點位置偏離框架接點，便于在橫梁內設計用于消耗地震能量的消能梁段。強震發(fā)生時，耗能梁段率先屈服，消耗大量地震能量，保護主體結構，形成了新的抗震防線，使得結構整體抗震性能，特別是結構延性大大加強。這種結構體系適合于在高烈度地區(qū)建造高層建筑。,8.1 概 述,圖8.3 地震作用下中心支撐的變形 圖8.4 偏心支撐框架的耗能機制,鋼框架-抗震墻板結構，使用帶豎縫或帶水平縫剪力墻板、內藏支撐混凝土墻板、鋼抗震墻板等，提供需要的側向剛度。其中，帶縫剪力墻板在彈性狀態(tài)下具有較大的抗側移剛度，在強震下可進入屈服階段并耗能。這種結構具有多道抗震防線，同實體剪力墻板相比，其特點是剛度退化過程平緩，整體延性好，在日本使用較多。,8.1 概 述,8.2.1 鋼結構房屋結構類型的選擇及所使用的結構尺度,結構類型的選擇關系到結構的安全性、實用性和經濟性?？筛鶕Y構總體高度和抗震設防烈度確定結構類型和最大使用高度。表8-2為建筑抗震設計規(guī)范規(guī)定的多層鋼結構民用房屋使用的最大高度。,表8-2 鋼結構房屋適用的最大高度(m),8.2 多層鋼結構抗震設計的一般規(guī)定,影響結構宏觀性能的另一個尺度是結構高寬比，即房屋總高度與結構平面最小寬度的比值，這一參數對結構剛度、側移、振動模態(tài)有直接影響。建筑抗震設計規(guī)范規(guī)定，鋼結構民用房屋的最大高寬比不宜超過表8-3的限定。 結構設計對結構尺度參數的選擇要同時滿足表8-2和表8-3的要求。,表8-3 鋼結構民用房屋適用的最大高寬比,8.2 多層鋼結構抗震設計的一般規(guī)定,根據抗震概念設計的思想，多層鋼結構要根據安全性和經濟性的原則按多道防線設計。在上述結構類型中，框架結構一般設計成梁鉸機制，有利于消耗地震能量、防止倒塌，梁是這種結構的第一道抗震防線；框架-支撐(抗震墻板)體系以支撐或者抗震墻板作為第一道抗震防線；偏心支撐體系是以梁的耗能段作為第一道防線。在選擇結構類型時，除考慮結構總高度和高寬比之外，還要根據各結構類型抗震性能的差異及設計需求加以選擇。一般情況下，對不超過12層的鋼結構房屋可采用框架結構、框架-支撐結構或其他結構類型；超過12層的鋼結構房屋，8度、9度時，宜采用偏心支撐、帶豎縫鋼筋混凝土抗震墻板、內藏鋼支撐鋼筋混凝土墻板或其他消能支撐及筒體結構。,8.2 多層鋼結構抗震設計的一般規(guī)定,8.2.2 結構平、立面布置以及防震縫的設置,多層鋼結構的結構平面布置、豎向布置應遵守抗震概念設計中結構布置規(guī)則性的原則。設計中如出現平面不規(guī)則或者豎向不規(guī)則的情況，應按規(guī)范要求進行水平地震作用計算和內力調整，并對薄弱部位采取有效的抗震構造措施，不應采用嚴重不規(guī)則的設計方案。由于鋼結構可耐受的結構變形比混凝土結構大，一般不宜設防震縫。需要設置防震縫時，縫的寬度應不小于相應鋼筋混凝土結構房屋的1.5倍。,8.2 多層鋼結構抗震設計的一般規(guī)定,8.2.3 支撐的設計要求,在框架-支撐體系中，可使用中心支撐或偏心支撐。不論是哪一種支撐，均可提供較大的抗側移剛度。因此，其結構平面布局應遵循抗側移剛度中心與結構質量中心盡可能接近的原則。以減少結構可能出現的扭轉。支撐框架之間樓蓋的長寬比不宜大于3，以防止樓蓋平面內變形影響對支撐抗側剛度的準確估計。另外，還可以使用支撐構件改進結構剛度中心與質量中心偏差較大的情況。 中心支撐構造簡單、設計施工方便。在大震作用下支撐可能失穩(wěn)，所產生的非線性變形可消耗一定的地震能量，但由于其力-位移曲線并不飽滿，耗能并不理想。偏心體系在小震及正常使用條件下與中心支撐體系具有相當的抗側剛度，在大震條件下靠梁的受彎段耗能，具有與強柱弱梁型框架相當的耗能能力，但構造相對復雜。因此，對超過12層的鋼結構宜采用偏心支撐，但在頂層可采用中心支撐。,8.2 多層鋼結構抗震設計的一般規(guī)定,中心支撐框架宜采用交叉支撐、人字支撐、斜桿支撐，不宜采用K形支撐，因為后者對柱子易形成抗剪集中現象。支撐的軸線應交匯于梁柱構件軸線的焦點，確有困難時偏離中心不應超過支撐桿件的寬度，并計入由此產生的附加彎矩。 偏心支撐框架的每根支撐至少有一根與框架梁相連接，消能梁段應設計成具有飽滿滯回能力的塑性鉸消能機構。,8.2 多層鋼結構抗震設計的一般規(guī)定,8.2.4 鋼結構房屋的結構布置要求,鋼結構房屋的結構體系與結構布置應符合規(guī)范規(guī)定的抗震設計基本要求。鋼結構房屋應盡量采用規(guī)則的建筑方案，當采用不規(guī)則建筑方案時，應設抗震縫，且縫寬應不小于鋼筋混凝土結構房屋的1.5倍。 多層鋼結構一般采用框架結構、框架-支撐結構。采用框架-支撐結構時，支撐框架的兩個方向的布置均宜基本對稱，支撐框架之間樓蓋的長寬比不宜大于3。多層鋼結構宜采用中心支撐，有條件時也可采用偏心支撐等消能支撐。中心支撐框架宜采用交叉支撐，也可采用人字形支撐或者單斜桿支撐，不宜采用K形支撐；支撐的軸線應交匯于梁柱構件軸線的交點，確有困難時偏離中心不應超過支撐桿件寬度，并應計入由此產生的附加彎矩。偏心支撐框架的每根支撐應至少有一端與框架梁連接，并在支撐與梁交點和柱之間或同一跨內另一支撐與梁交點之間形成消能梁段。,8.2 多層鋼結構抗震設計的一般規(guī)定,鋼結構房屋的樓板主要有在壓型鋼板上現澆混凝土形成的組合樓板(如圖8.5所示)和非組合樓板、裝配整體式鋼筋混凝土樓板、裝配式樓板等。一般宜采用組合樓板或者非組合樓板；對不超過12層的鋼結構尚可采用裝配整體式鋼筋混凝土樓板，亦可采用裝配式樓板或者其他輕型樓蓋。,8.2.5 鋼結構房屋的樓板,圖8.5 壓型鋼板組合樓板,采用壓型鋼板鋼筋混凝土組合樓板和現澆鋼筋混凝土樓板時，應與鋼梁有可靠連接。采用裝配式、裝配整體式或輕型樓板時，應將樓板預埋件與鋼梁焊接，或采取其他保證樓蓋整體性的措施。,8.2 多層鋼結構抗震設計的一般規(guī)定,鋼結構房屋根據工程情況可設計或不設計地下室，設置地下室時，框架-支撐結構中豎向布置的支撐應延伸至基礎；框架柱應至少延伸至地下一層。 支撐在地下室是否改為混凝土抗震墻形式，與是否設計鋼筋混凝土結構層有關，設置鋼筋混凝土結構層時采用混凝土墻段協調。該抗震墻是否由鋼支撐外包混凝土構成還是采用混凝土墻，由設計確定。 設置地下室的鋼結構房屋的基礎埋置深度，當采用天然地基時不宜小于房屋總高度的1/15；當采用樁基時，樁承臺埋深不宜小于房屋總高度的1/20。,8.2.6 鋼結構房屋的地下室,8.2 多層鋼結構抗震設計的一般規(guī)定,多層建筑鋼結構的抗震設計采用兩階段設計方法，即第一階段設計應按多遇地震計算地震作用，第二階段設計應按罕遇地震計算地震作用。 第一階段設計時，地震作用應考慮下列原則。 (1) 通常情況下，應在結構的兩個主軸方向分別計入水平地震作用，各方向的水平地震作用應全部由該方向抗側力構件承擔。 (2) 當有斜交抗側力構件時，宜分別計入各抗側力構件方向的水平地震作用。 (3) 質量和剛度明顯不均勻、不對稱的結構，應計入水平地震作用的扭轉效應。 (4) 按9度抗震設防的高層建筑鋼結構，或者按8度和9度抗震設防的大跨度和長懸臂構件，應計入豎向地震作用。,8.3.1 一般計算原則,8.3 鋼結構房屋的抗震計算,1. 多層建筑鋼結構的設計反應譜 高層建筑鋼結構的設計反應譜，采用阻尼比為0.02的地震影響系數 曲線表示，如圖8.6所示。 值應根據近震、遠震、場地類別及結構自振周期計算， 值不小于0.2 。 及特征周期Tg按表8-4和表8-5的規(guī)定采用，系數 按下列公式確定： 當0T0.1時 =1+3.5T (8-1) 當0.1T2時 =3.5T (8-2) 當T2時 =3.5T +0.2Tg -0.1 T (8-3),8.3 鋼結構房屋的抗震計算,圖8.6 高層建筑鋼結構的地震影響系數 式中： 地震影響系數； 地震影響系數最大值； T結構自振周期； Tg場地特征周期。,8.3 鋼結構房屋的抗震計算,表8-4 抗震設計水平地震影響系數最大值,表8-5 特征周期,(s),當主要抗側力構件為鋼筋混凝土結構時，地震影響系數應按建筑抗震設計規(guī)范的有關規(guī)定采用。,8.3 鋼結構房屋的抗震計算,2. 水平地震作用計算 多層建筑鋼結構的地震作用計算方法有：底部剪力法、振型分解反應譜法和時程分析法。高層建筑鋼結構應根據不同情況，分別采用不同的地震作用計算方法。 (1) 底部剪力法。 底部剪力法適用于高度小于等于60 m且平面和豎向較規(guī)則的高層建筑。底部剪力法根據建筑物的總策略荷載計算結構底部的總剪力，然后按一定的比例分配到各樓層，得到各樓層的水平地震作用后，即可按靜力方法計算結構的內力，使用較方便。 采用底部剪力法計算水平地震作用時，各樓層可僅按一個自由度計算，如圖8.7所示。與結構的總水平地震作用等效的底部剪力標準值由下式計算： (8_4),8.3 鋼結構房屋的抗震計算,圖8.7 底部剪力法計算圖形,8.3 鋼結構房屋的抗震計算,在質量沿高度分布基本均勻、剛度沿高度分布基本均勻或向上均勻減小的結構中，各層水平地震作用標準值按下式比例分配： (8-5) 頂部附加水平地震作用標準為 (8-6) (8-7) 式中： 相應于結構基本自振周期T1(按s計)的水平地震影響系數； 結構的等效總策略荷載，取總重力荷載代表值的80%；,8.3 鋼結構房屋的抗震計算,分別為第i、j層重力荷載代表值；抗震計算中重力荷載代表值為恒載和活載組合值之和，但雪荷載取標準值的50%，樓面活荷按建筑結構荷載規(guī)范規(guī)定的標準值第六組合值系數取值，一般民用建筑應取0.5，書庫、檔案庫建筑應取0.8； 分別為第i、j層樓蓋距底部固定端的高度； 第i層的水平地震作用標準值； 頂部附加地震作用系數； 頂部附加水平地震作用； 結構的基本自振周期；在初步計算時，可按下列經驗公式估算： (8-8) 對于重量及剛度分布比較均勻的結構，可用下式近似計算： (8-9),8.3 鋼結構房屋的抗震計算,式中： 結構頂層假想側移(m)，即假想將結構各 層的重力荷載作為樓層的集中水平力， 按彈性靜力方法計算所得到的頂層側移值； 計算周期修正系數，可取=0.9。 采用底部剪力法時，突出屋面小塔樓的地震作用效應宜乘以增大系數3。增大影響宜向下考慮12層，但不再往下傳遞。,8.3 鋼結構房屋的抗震計算,(2) 振型分解反應譜法。 不符合底部剪力法適用條件的其他高層鋼結構，宜采用振型分解反應譜法。 對體形比較規(guī)則，簡單，可不計扭轉影響的結構，振型分解反應譜法僅考慮平移作用下的地震效應組合，沿主軸方向，結構第j振型第i質點的水平地震作用標準值，按下列公式計算： (8-10) (8-11) 式中： 相應于j振型計算周期Tj的地震影響系數； j振型的參與系數； j振型第i質點的水平相對位移。,8.3 鋼結構房屋的抗震計算,根據各振型的水平地震作用標準值Fji，即可按下式計算水平地震作用響應(彎矩、剪 力、軸力和變形)： (8-12) 式中：S水平地震作用效應； Sjj振型水平地震作用產生的效應，可只取前2個3個振型；當基本自振周期大于1.5s時或房屋高寬比大于5時，振型個數可適當增加。 在復雜體型或不能按平面結構假定進行計算時，應按空間協同工作或空間結構計算空間振型。,8.3 鋼結構房屋的抗震計算,(3) 時程分析法。 豎向特別不規(guī)則的建筑及高度較大的建筑，宜采用時程分析法進行補充驗算。采用時程分析法計算結構的地震反應時，應輸入典型的地震波進行計算。不同的地震波會使相同結構出現不同的反應，這與地震波的頻譜、幅值及時間長短有關。采用的能反映當地場地特征的地震加速度波不能少于4條，其中宜包括一條本地區(qū)歷史上發(fā)生地震時的實測記錄。 地震波的持續(xù)時間不宜過短，宜取10s20s或更長。,8.3 鋼結構房屋的抗震計算,8.3.2 地震作用下鋼結構的內力與位移計算,1. 地震作用下的內力與位移計算 1) 多遇地震作用下 結構在第一階段多遇地震作用下的抗震設計中，其地震作用效應采用彈性方法計算?？筛鶕煌闆r，采用底部剪力法、振型分解反應譜法以及時程分析法。 實驗研究表明，鋼結構房屋的阻尼比小于鋼筋混凝土結構，對于超過12層的鋼結構可采用0.02，對于不超過12層的鋼結構可采用0.035，對于單層鋼結構仍采用0.05。 鋼結構在進行內力和位移計算時，對于框架-支撐、框架-抗震墻板以及框筒等結構常采用矩陣位移法。對于工字形截面柱，宜計入梁柱節(jié)點域剪切變形對結構側移的影響；對中心支撐框架和不超過12層的鋼結構，其層間位移計算可不計入梁柱節(jié)點域剪切變形的影響?？蚣?支撐結構的斜桿可按端部鉸接桿計算；中心支撐框架的斜桿軸線偏離梁柱軸線交點不超過支撐桿件的寬度時，仍可按中心支撐框架分析，但應計及由此產生的附加彎矩。,8.3 鋼結構房屋的抗震計算,對于筒體結構，可將其按位移相等原則轉化為連續(xù)的豎向懸臂筒體，采用有限條法對其進行計算。 在預估桿截面時，內力和位移的分析可采用近似方法。在水平載荷作用下，框架結構可采用D值法進行簡化計算；框架-支撐(抗震墻)可簡化為平面抗側力體系，分析時將所有框架合并為總框架，所有豎向支撐(抗震墻)合并為總支撐(抗震墻)，然后進行協同工作分析。此時，可將總支撐(抗震墻)當作一懸臂梁。,8.3 鋼結構房屋的抗震計算,2) 罕遇地震作用下 高層鋼結構第二階段的抗震驗算應采用時程分析法對結構進行彈塑性時程分析，其結構計算模型可以采用桿系模型、剪切型層模型、剪彎型模型或剪彎協同工作模型。在采用桿系模型分析時，柱、梁的恢復力模型可采用二折線型，其滯回模型可不考慮剛度退化。鋼支撐和消能梁段等構件的恢復力模型，應按桿件特性確定。采用層模型分析時，應采用計入有關構件彎曲、軸向力、剪切變形影響的等效層剪切剛度，層恢復力模型的骨架曲線可采用靜力彈塑性方法進行計算，可簡化為二折線或三折線，并盡量與計算所得骨架曲線接近。在對結構進行靜力塑性計算時，應同時考慮水平地震作用與重力載荷。構件所用材料的屈服強度和極限強度應采用標準值。對新型、特殊的桿件和結構，其恢復力模型宜通過實驗確定。分析時結構的阻尼比可取0.05，并應考慮二階段效應對側移的影響。,8.3 鋼結構房屋的抗震計算,2. 構件內力調整與組合 對于框架梁，可不按柱軸線處的內力而按梁段內力設計，框架-支撐結構中，框架部分按計算得到的地震剪力不小于結構底部總地震剪力的25%和框架部分地震剪力最大值1.8倍二者的較小者。人字形和U型支撐組合的內力設計值應乘以1.5的增大系數。 對于偏心支撐框架結構，為了確保消能梁段能進入彈塑性工作，消耗地震輸入能量，支撐斜桿的軸力設計值，應取與支撐斜桿相連接的消能梁段達到受剪隨載力時支撐斜桿軸力與增大系數的乘積，其值在8度及以下時不應小于1.4，9度時不應小于1.5；位于消能梁段同一跨的框架梁內力設計值，應取消能梁段達到受剪承載力與增大系數的乘積，其值在8度及以下時不應小于1.5，9度時不應小于1.6；框架柱的內力設計值，應取消能段達到受剪承載力時柱內力與增大系數的面積，其值在8度及以下時不應小于1.5，9度時不應小于1.6。,8.3 鋼結構房屋的抗震計算,內藏鋼支撐鋼筋混凝土墻板和帶豎縫鋼筋混凝土墻板應按有關規(guī)定計算，帶豎縫鋼筋混凝土墻板可僅承受水平荷載產生的剪力，不承受豎向荷載產生的壓力。 鋼結構轉換層下的鋼框架柱，地震內力應乘以1.5的增大系數。 在抗震設計中，一般高層鋼結構可不考慮風荷載及豎向地震的作用，但對于高度大于60 m的高層鋼結構須考慮風荷載的作用，在9度區(qū)尚需考慮豎向地震的作用。,8.3 鋼結構房屋的抗震計算,3. 側移控制 在小震下(彈性階段)，過大的層間變形會造成非結構構件的破壞，而在大震下(彈塑性階段)，過大的變形會造成結構的破壞或倒塌，因此，應限制結構的側移，使其不超過一定的數值。 在多遇地震下，鋼結構的層間側移標準值應不超過層高的1/300。結構平面端部構件的最大側移不得超過質心側移的1.3倍。 在罕遇地震下，鋼結構的層間側移不應超過層高的1/50。同時結構層間側移的延性比對于純框架、偏心支撐框架、中心支撐框架、有混凝土抗震墻的鋼框架應分別大于3.5、3.0、2.5和2.0。,8.3 鋼結構房屋的抗震計算,4. 鋼結構的整體穩(wěn)定 高層鋼結構的穩(wěn)定分為傾覆穩(wěn)定和壓屈穩(wěn)定兩種類型。傾覆穩(wěn)定可通過限制高寬比來滿足，壓屈穩(wěn)定又分為整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定。當鋼框架梁的上翼緣采用抗剪連接件與組合樓板連接時，可不驗算地震作用下的整體穩(wěn)定。,8.3 鋼結構房屋的抗震計算,鋼框架的承載能力和穩(wěn)定性與梁柱構件、支撐構件、連接件、梁柱接點域都有直接的關系。結構設計要體現強柱弱梁的原則，保證接點可靠性，實現合理的耗能機制。為此，需要進行構件、節(jié)點承載力和穩(wěn)定性驗算。驗算的主要內容有：框架梁柱承載力和穩(wěn)定驗算、節(jié)點承載力與穩(wěn)定性驗算、支撐構件的承載力驗算、偏心支撐框架構件的抗震承載力驗算、構件及其連接的極限承載力驗算。,8.3 鋼結構房屋的抗震計算,1. 鋼結構構件及其節(jié)點的抗震承載力計算 強柱弱梁是抗震設計的基本要求，在地震作用下，塑性效應在梁端形成而不應在柱端形成，此時框架具有較大的內力重分布和消能能力。為此柱端應比梁端有更大的承載能力儲備。對于抗震設防框架柱在框架的任一節(jié)點處，柱截面的塑性抵抗矩和梁截面的塑性抵抗矩應滿足下式的要求： (8-13),8.3 鋼結構房屋的抗震計算,式中： ， 柱和梁的塑性截面模量； N柱軸向壓力設計值； Ac柱截面面積； ， 柱和梁的鋼材屈服強度； 強柱系數，超過6層的鋼框架，6度IV類場地和7度時可取 1.0，8度時可取1.05，9度時可取1.15。 為了保證在大地震作用下，使柱和梁連接的節(jié)點域腹板不致局部失 穩(wěn)，以利于吸收和耗散地震能量，在柱與梁連接處，柱應設置與梁上下翼緣位置對應的加勁肋，使之與柱翼緣相包圍處形成梁柱節(jié)點域。節(jié)點域柱腹板的厚度，一方面要滿足腹板局部穩(wěn)定要求，另一方面還應滿足節(jié)點域的抗剪要求。,8.3 鋼結構房屋的抗震計算,研究表明，節(jié)點域既不能太厚，也不能太薄，太厚了使節(jié)點域不能發(fā)揮耗能作用，太薄了將使框架的側向位移太大。節(jié)點域的屈服承載力應滿足式(8-14)的要求： (8-14) 工字形截面柱 (8-15) 箱形截面柱 (8-16),8.3 鋼結構房屋的抗震計算,式中： ， 節(jié)點域兩側梁的全塑性受彎承載力； Vp節(jié)點域的體積，根據式(8-15)或式(8-16)確定； fv鋼材的抗剪強度設計值； 折減系數，6度IV類場地和7度時可 取0.6，8度、9度時可取0.7； 梁腹板高度和柱腹板高度； 柱在節(jié)點域的腹板厚度。,8.3 鋼結構房屋的抗震計算,為保證工字形截面柱和箱形截面柱的節(jié)點域的穩(wěn)定，節(jié)點域腹板的厚度應滿足式(8-17)的要求： (8-17) 節(jié)點域的受剪承載力應滿足式(8-18)的要求： (8-18) 式中： 節(jié)點域兩側梁的彎矩設計值； 節(jié)點域承載力抗震調整系數，取0.85。,8.3 鋼結構房屋的抗震計算,當柱所在樓層的受剪承載力比上一層的受剪承載力高出25%，或柱軸向力設計值與柱全截面面積的鋼材抗拉強度設計值乘積的比值不超過0.4，或作為軸心受壓構件在2倍地震力下穩(wěn)定性得到保證時，可不按式(8-18)驗算。當柱節(jié)點域腹板厚度不小于梁、柱截面高度之和的1/70時，可不驗算節(jié)點域的穩(wěn)定性。 2. 中心支撐框架構件的抗震承載力驗算 在反復荷載作用下，支撐斜桿反復受壓、受拉，且受壓屈曲后的變形增大較大，轉而受拉時不能完全拉直，造成受壓承載力再次降 低，即出現彈塑性屈曲后承載力退化現象。支撐桿件屈曲后，最大承載力的降低是明顯的，長細比越大，退化程度越嚴重。在計算支撐桿件時應考慮這種情況。,8.3 鋼結構房屋的抗震計算,在多遇地震作用效應組合下，支撐桿受壓承載力按式(8-19)進行： (8-19) (8-20) (8-21) 式中： N支撐斜桿的軸向力設計值； Abr支撐斜桿截面面積； 軸心受壓構件的穩(wěn)定系數； 受循環(huán)荷載時的強度降低系數； 支撐斜桿的正則化(歸一化)長細比； E支撐斜桿材料的彈性模量； 鋼材屈服強度； 支撐承載力抗震調整系數，取0.8； f鋼材的強度設計值； 構件長細比。,8.3 鋼結構房屋的抗震計算,對人字形支撐，當支撐腹桿在大震下受力壓屈曲后，其承載力將下降，導致橫梁在支撐連接處出現向下的不平衡集中力，可能引起橫梁破壞和樓板下陷，并在橫梁兩端出現塑性鉸；V形支撐的情況類似，僅當斜桿失穩(wěn)時樓板不是下陷而是向上隆起，不平衡力方向相反。因此，設計時要求人字形支撐和V形支撐的橫梁在支撐連接處應保持連續(xù)。在驗算橫梁時，除應承受支撐斜桿傳來的內力外，尚應滿足在不考慮支撐的支點作用將橫梁視為簡支梁時在豎向荷載和受壓支撐屈曲后產生的不平衡力作用下的承載力要求。不平衡集中力取受拉支撐的豎向分量減去受壓支撐屈曲壓力豎向分量的30%。,8.3 鋼結構房屋的抗震計算,3. 偏心支撐框架構件的抗震承載力驗算 偏心支撐框架的設計原則是強柱、強支撐和弱消能梁段，即在大地震時消能梁段屈服形成塑性鉸，且具有穩(wěn)定的滯回性能，即使消能梁段進入應變硬化階段，支撐斜桿、柱和其余梁段仍保持彈性。設計良好的偏心支撐框架，除柱腳有可能出現塑性鉸外，其他塑性鉸均出現在梁段上。偏心支撐框架的每根支撐應至少一端與梁連接，并在支撐與梁交點和柱之間或同一跨內另一支撐與梁交點之間形成消能梁段。消能梁段的受剪承載力應按下列規(guī)定驗算。,8.3 鋼結構房屋的抗震計算,當N0.15Af時 V (8-22) 式中：V=0.58Awfay或Vl=2Mlp/a，取較小值；其中 (8-23) 當N0.15Af時 V (8-24) 式中： 或 ， 取較小值； 系數，取0.9； V，N消能梁段的剪力設值和軸力設計值； Vl, Vlc消能梁段的受剪承載力和考慮軸力影響的受剪承載力； Mlp消能梁段的全塑性受彎承載力； a, h, tw, tf消能梁段的長度、截面高度、腹板厚度和翼緣厚度； A，Aw消能梁段的截面面積和腹板截面面積； Wp消能梁段的塑性截面模量； f, fay消能梁段鋼材的抗拉強度設計值和屈服強度； 消能梁段承載力抗震調整系數，取0.85。,8.3 鋼結構房屋的抗震計算,消能梁段的屈服強度越高，屈服后的延性越差，消能能力越小，因此消能梁段的鋼材屈服強度不應大于345 MPa。 支撐斜桿與消能梁連接的承載力不得小于支撐的承載力。若支撐須抵抗彎矩，支撐與梁的連接應采用鋼接，并按抗壓彎連接設計。 4. 鋼結構構件連接的抗震承載力驗算 鋼結構連接的設計原則是強連接弱桿件，鋼結構構件的連接應按地震組合內力進行彈性設計，并應進行極限承載力驗算。,8.3 鋼結構房屋的抗震計算,1) 梁與柱連接的承載力驗算 框架結構的塑性發(fā)展是從梁柱連接處開始的。為使梁柱構件能充分發(fā)展塑性形成塑性鉸，構件的連接應有充分的承載力。梁與柱連接按彈性設計時，梁上下翼緣的端截面應滿足連接的彈性設計要求，梁腹板應計入剪力和彎矩。 梁與柱連接的極限受彎、受剪承載力，應符合下列要求： (8-25) 且 (8-26) 式中： 梁上下翼緣全熔透坡口焊縫的極限受彎承載力； 梁腹板連接的極限受剪承載力，垂直于角焊縫受剪時，可提高1.22倍； 梁(梁貫通時為柱)的全塑性受彎承載力； 梁的凈跨(梁貫通時取該樓層的凈高)； ， 梁腹板的高度和厚度； 鋼材的屈服強度。,8.3 鋼結構房屋的抗震計算,2) 支撐與框架的連接及支撐拼連的承載力計算 支撐與框架的連接及支撐拼接，須采用螺栓連接。連接在支撐軸線方向的極限承載力應不小于支撐凈截面屈服承載力的1.2倍，即 (8-27) 式中： 螺栓連接和節(jié)點板連接在支撐軸線方向的極限承載力； 支撐的截面凈面積； 支撐鋼材的屈服強度。,8.3 鋼結構房屋的抗震計算,3) 梁、柱構件拼接處的承載力驗算 梁、柱構件拼接的彈性設計時，腹板應計入彎矩，且受剪承載力不應小于構件截面受剪承載力的50%；拼接的極限承載力，應符合下列要求。 (8-28) 無軸向力時 (8-29) 有軸向力時 (8-30) 式中： ， 構件拼接的極限受彎、受剪承載力； 構件有軸向力時全截面受彎承載力，按式(8-35) 至(8-36)計算； ， 拼接構件截面腹板的高度和厚度； 被拼接構件的鋼材屈服強度。,8.3 鋼結構房屋的抗震計算,拼接采用螺栓連接時，尚應符合下列要求。 翼緣 (8-31) 且 (8-32) 腹板 (8-33) 且 (8-34) 式中： ， 一個螺栓的極限受剪承載力和對應的板件極限承壓力； 翼端的有效截面面積； 腹板拼接中彎矩引起的一個螺栓的最大剪力； n 翼緣拼接或腹板拼接一側的螺栓數。,8.3 鋼結構房屋的抗震計算,4) 構件有軸力時的全截面受彎承載力計算 當梁柱連接為梁貫通型時，側柱與梁的連接除彎矩外，還承受軸力N，柱的抗彎承載力 隨壓力的增加而減少，構件有軸向力時的全截面受彎承載力應按式(8-35)和式(8-36)計算。 (1) 對工字形截面(繞強軸)和箱形截面。 當 0.13時 (8-35) 當 0.13時 (8-36),8.3 鋼結構房屋的抗震計算,(2) 對工字形截面(繞弱軸)。 當 時 (8-37) 當 時 (8-38) 式中： N ， 構件的軸向力和軸向屈服承受力； A ， 構件截面的面積和腹板截面的面積。,8.3 鋼結構房屋的抗震計算,5) 焊接的極限承載力計算 焊縫的極限強度高于母材的抗拉強度，計算時取其等于母材的抗拉強度最小值；角焊縫的極限抗剪強度也高于母材的極限抗剪強度，梁腹板連接的角焊縫極限受剪承載力取母板的極限抗剪強度乘角焊縫的有效受剪面積。因此，焊縫的極限承載力應按式(8-39)和式(8-40)計算。 對接焊接受拉 (8-39) 角焊縫受剪 (8-40) 式中： 焊縫的有效受力面積； 構件母材的抗拉強度最小值。,8.3 鋼結構房屋的抗震計算,6) 高強度螺栓連接的極限受剪承載力計算 高強度螺栓連接的極限受剪承載力，應取下列二式計算的較小者： (8-41) (8-42) 式中： ， 一個高強度螺栓的極限受剪承載力和對應的極限承壓力； 螺栓連接的剪切面數量； 螺栓螺紋處的有效截面面積； 螺栓鋼材的抗拉強度最小值； 螺栓桿直徑； 同一受力方向的鋼板厚度之和； 螺栓連接板的極限承壓強度，取。,8.3 鋼結構房屋的抗震計算,8.4.1 鋼框架構造措施,1. 框架柱的長細比 長細比和軸壓比均較大的柱，其延性較小，并容易發(fā)生全框架整體失穩(wěn)。對柱的長細比和軸壓比作些限制，就能控制二階段效應對柱極限承載力的影響。為了保證框架柱具有較好的延性，地震區(qū)柱的長細比不宜太大，不超過12層的鋼框架柱的長細比，6度8度時不應大于，9度時不應大于。 2. 梁柱板件的寬厚比 在鋼框架設計中，為了保證梁的安全承載，除了承載力和整體穩(wěn)定問題外，還必須考慮梁的局部穩(wěn)定問題。如果梁的受壓翼緣寬厚比或腹板的高厚比較大，則在受力過程中它們就會出現局部失穩(wěn)。板件的局部失穩(wěn)，降低了構件的承載力。防止板件失穩(wěn)的有效方法是限制它的寬厚比。對按7度及7度以上抗震設防的框架梁，要求梁出現塑性鉸后還有轉動能力，以實現結構內力重分布，因此，對板件的寬厚比有嚴格的限制；對設防烈度為6度和非抗震設計的結構，要求梁截面出現塑性鉸，但不要求太大的轉動能力。,8.4 多層鋼結構房屋的抗震構造要求,框架柱當根據強柱弱梁設計時，柱中一般不會出現塑性鉸，僅考慮柱在后期出現少量塑性不需要很高的轉動能力。因此，對柱板件的寬厚比不需要像梁那樣嚴格。因此，正確地確定板件寬厚比，可以使結構達到安全而合理的設計。 總高度不超過12層框架梁、柱板件寬厚比應符合表8-6的要求。,表8-6 不超過12層框架的梁柱板件寬厚比限值,11 36,10 32,9 30,8.4 多層鋼結構房屋的抗震構造要求,框架梁柱板件寬厚比的規(guī)定是以結構設計符合強柱弱梁為前提的。如果梁柱構件不滿足“節(jié)點承載力驗算”的強度條件，則表8-5中工字形柱翼緣外伸部分的11和10應分別改為10和9，工字形腹板的43應分別改為40(7度)和36(8度、9度)。 3. 構件的側向支撐 梁柱構件在出現塑性鉸截面處，其上下翼緣均應設置側向支承。相鄰兩支承點間的構件長細比，應符合國家標準關于塑性設計的有關規(guī)定。 4. 梁柱連接的構造要求 下面提出的梁柱連接構造要求，是在工程實踐的基礎上，結合國外技術標準和近年來幾次大震害調查結果確定的。,8.4 多層鋼結構房屋的抗震構造要求,梁與柱的連接宜采用柱貫通型連接方式。柱在兩個互相垂直的方向都與梁剛接時，宜采用箱形截面。當僅在一個方向剛接時，宜采用工字形截面，并將柱腹板置于剛接框架平面內。梁與柱的連接應采用剛性連接，也可根據需要采用半剛性連接。梁與柱的剛性連接，可將梁與柱翼緣在現場直接連接，也可通過預先焊在柱上的梁懸臂段在現場進行梁的拼接。工字形截面柱(翼緣)和箱形截面柱與梁剛接時，應符合下列要求如圖8.8所示，有充分依據時也可采用其他構造形式。,圖8.8 框架梁與柱的現場連接,8.4 多層鋼結構房屋的抗震構造要求,(1) 梁翼緣與柱翼緣間應采用全熔透坡口焊縫；8度乙類建筑和9度時，應檢驗V形切口的沖擊韌性，其恰帕沖擊韌性在-20時不低于27J。 (2) 柱在梁翼緣對應位置設置橫向加勁肋，且加勁肋厚度不應小于翼緣厚度。 (3) 梁腹板宜采用摩擦型高強度螺栓通過連接板與柱連接；腹板角部宜設置扇形切角，其端部與梁翼緣的全熔透焊縫應隔開。 (4) 當梁翼緣的塑性截面模量小于梁全截面塑性截面模量的70% 時梁腹板與柱的連接螺栓不得小于兩列；當計算僅需一列時，仍應布置兩列，且此時螺栓總數不得小于計算值的1.5倍。 (5) 8度III、IV場地和9度時，宜采用能將塑性鉸自梁端外移的骨形連接。 框架梁采用懸臂梁段與柱剛性連接時，如圖8.9所示，懸臂梁段與柱應預先采用全焊接連接，梁的現場拼接可采用翼緣焊接腹板螺栓連接，如圖8.9(a)所示，或全部螺栓連接，如圖8.9(b)所示。,8.4 多層鋼結構房屋的抗震構造要求,翼緣焊接腹板螺栓連接 (b) 全部螺栓連接 圖8.9 框架梁與柱通過梁懸臂段的連接 箱形截面柱在與梁翼緣對應位置設置的隔板應采用全熔透對接焊縫與壁板相連。工字形截面柱的橫向加勁肋與柱翼緣應采用全熔透對接焊縫連接，與腹板可采用角焊縫連接。,8.4 多層鋼結構房屋的抗震構造要求,5. 節(jié)點域補強及節(jié)點附近構造措施 當節(jié)點域的體積不滿足穩(wěn)定要求，應采取加厚節(jié)點域貼焊補強板的措施。補強板的厚度及其焊縫應按傳遞補強板所分擔剪力的要求設計。 在罕遇地震下，框架節(jié)點可能進入塑性區(qū)，應保證塑性區(qū)的整體性。因此，梁與柱剛性連接時，柱在梁翼緣上下各500 mm的節(jié)點范圍內，柱翼緣與柱腹板間或箱形柱壁板間的連接焊縫，應采用坡口全熔透焊縫。 6. 框架柱接頭構造措施 框架柱接頭位置宜設在框架上方1.3 m附近。柱對接接頭應采用全熔透焊縫，柱拼接接頭上