第8章 多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

第八章多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)8.1多高層鋼結(jié)構(gòu)的主要震害特征8.2多高層鋼結(jié)構(gòu)的選型與結(jié)構(gòu)布置8.3多高層鋼結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算要求8.4多高層鋼結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造要求主要內(nèi)容§8.1多高層鋼結(jié)構(gòu)的主要震害特征強(qiáng)度高、延性好、重量輕、抗震性能好

鋼結(jié)構(gòu)特性：總體來說，在同等場地、烈度條件下，鋼結(jié)構(gòu)房屋的震害較鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋的震害要小

震害舉例及比較

1985年墨西哥城地震中鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞情況建造年份鋼結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)倒塌嚴(yán)重破壞倒塌嚴(yán)重破壞1957年以前7127161957~1976年3151231976年以后0046多高層鋼結(jié)構(gòu)在地震中的破壞形式有三種

節(jié)點(diǎn)連接破壞；構(gòu)件破壞；結(jié)構(gòu)倒塌一、節(jié)點(diǎn)連接破壞1.支撐連接破壞

圖圓鋼支撐連接的破壞

圖角鋼支撐連接的破壞

2.梁柱連接破壞

圖美國Northridge(北陵嶺)地震

日本阪神地震

1978年日本宮城縣遠(yuǎn)海地震（里氏7.4級）

1978年日本宮城縣遠(yuǎn)海地震鋼結(jié)構(gòu)建筑破壞類型統(tǒng)計(jì)

結(jié)構(gòu)數(shù)量

破壞類型破壞等級*統(tǒng)計(jì)ⅤⅣⅢⅡ總數(shù)百分比(%)過度彎曲柱–2–2117.4梁–––1梁、柱局部屈曲2112連接破壞支撐連接613256311980.4梁柱連接––21柱腳連接–421其它連接–1–1基礎(chǔ)失效不均勻沉降–24121812.2總計(jì)8233483148100支撐連接更易遭受地震破壞Ⅱ級：支撐連接出現(xiàn)裂紋，但沒有不可恢復(fù)的屈曲變形Ⅲ級：出現(xiàn)小于1/30層高的永久層間變形Ⅳ級：出現(xiàn)大于1/30層高的永久層間變形Ⅴ級：倒塌或無法繼續(xù)使用震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，梁柱連接的破壞大多數(shù)發(fā)生在梁的下翼緣處，而上翼緣的破壞要少得多可能的原因：

1.樓板與梁共同變形導(dǎo)致下翼緣應(yīng)力增大

2.下翼緣在腹板位置焊接的中斷是一個(gè)顯著的焊縫缺陷的來源

震后觀察到的在梁柱焊縫連接處的失效模式

1.美國Northridge(北嶺)地震2.日本阪神地震

模式1—翼緣斷裂模式2，3—熱影響區(qū)斷裂模式4—橫膈板斷裂梁柱剛性連接裂縫或斷裂破壞的原因（4點(diǎn)）：1.焊縫缺陷2.三軸應(yīng)力這些缺陷將成為裂縫開展直至斷裂的起源

梁柱連接的焊縫變形由于受到梁和柱約束，施焊后焊縫殘存三軸拉應(yīng)力，使材料變脆

如裂紋、欠焊、夾渣和氣孔等3.構(gòu)造缺陷出于焊接工藝的要求，梁翼緣與柱連接處設(shè)有襯板，實(shí)際工程中襯板在焊接后就留在結(jié)構(gòu)上，這樣襯板與柱翼緣之間就形成一條“人工”裂縫，成為連接裂縫發(fā)展的起源。4.焊縫金屬?zèng)_擊韌性低的沖擊韌性使得連接很易產(chǎn)生脆性破壞，成為引發(fā)節(jié)點(diǎn)破壞的重要因素

圖“人工”裂縫

二、構(gòu)件破壞多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞的主要形式有1.支撐壓屈

支撐在地震中所受的壓力超過其屈曲臨界力時(shí)，即壓屈破壞

梁或柱在地震作用下反復(fù)受彎，在彎矩最大截面處附近由于過度彎曲可能發(fā)生翼緣局部失穩(wěn)破壞2.梁柱局部失穩(wěn)支撐壓曲梁柱局部失穩(wěn)母材的斷裂

支撐處的斷裂

1995年日本阪神地震,位于阪神地震區(qū)蘆屋市海濱城的52棟高層鋼結(jié)構(gòu)住宅，有57根鋼柱發(fā)生斷裂，7根鋼柱在與支撐連接處斷裂，其中13根鋼柱為母材斷裂，37根鋼柱在拼接焊縫處斷裂.3.柱水平裂縫或斷裂破壞

鋼柱的斷裂是出人意料的，分析原因認(rèn)為：豎向地震使柱中出現(xiàn)動(dòng)拉力，由于應(yīng)變速率高，使材料變脆；加上地震時(shí)為日本嚴(yán)冬時(shí)期，鋼柱位于室外，鋼材溫度低于0oC；以及焊縫和彎矩與剪力的不利影響，造成柱水平斷裂。建造年份嚴(yán)重破壞或倒塌中等破壞輕微破壞完好1971年以前50201971-1982年00351982年以后00171995年日本阪神地震中ChouWard地震鋼結(jié)構(gòu)房屋震害情況

鋼結(jié)構(gòu)房屋在地震中嚴(yán)重破壞或倒塌與結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)水平關(guān)系很大1971年，日本鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范修訂；1982年，日本建筑標(biāo)準(zhǔn)法實(shí)施三、結(jié)構(gòu)倒塌

結(jié)構(gòu)倒塌是地震中結(jié)構(gòu)破壞最嚴(yán)重的形式鋼結(jié)構(gòu)建筑盡管抗震性能好，但在地震中也有倒塌事例發(fā)生。

§8.2多高層鋼結(jié)構(gòu)的選型與結(jié)構(gòu)布置一、結(jié)構(gòu)選型

在結(jié)構(gòu)選型上，多層和高層鋼結(jié)構(gòu)無嚴(yán)格界限

將超過12層的建筑歸為高層鋼結(jié)構(gòu)建筑為區(qū)分結(jié)構(gòu)的重要性對結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施的要求不同我國建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011—2001）規(guī)定：將不超過12層的建筑歸為多層鋼結(jié)構(gòu)建筑有抗震要求的多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)可采用以下結(jié)構(gòu)體系：

1.純框架結(jié)構(gòu)

延性好，但抗側(cè)力剛度較差框架-支撐體系是在框架體系中沿結(jié)構(gòu)的縱、橫兩個(gè)方向均勻布置一定數(shù)量的支撐所形成的結(jié)構(gòu)體系。在框架-支撐體系中，框架是剪切型結(jié)構(gòu)，底部層間位移大；支撐為彎曲型結(jié)構(gòu)，底部層間位移小，兩者并聯(lián)，可以明顯減少建筑物下部的層間位移，因此在相同的側(cè)移限值標(biāo)準(zhǔn)的情況下，框架-支撐體系可以用于比框架體系更高的房屋?？蚣荏w系是沿縱橫向方向由多榀平面框架構(gòu)成及承擔(dān)水平荷載的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，它也是承擔(dān)豎向荷載的結(jié)構(gòu)。

2.框架—支撐結(jié)構(gòu)體系①支撐類型支撐類型的選擇與是否抗震有關(guān)，也與建筑的層高、柱距以及建筑使用要求有關(guān)，Ａ.中心支撐中心支撐是指斜桿、橫梁及柱匯交于一點(diǎn)的支撐體系，或兩根斜桿與橫桿匯交于一點(diǎn)，也可與柱子匯交于一點(diǎn)，但匯交時(shí)均無偏心距。如右圖：中心支撐的類型（支撐框架）(a)X形支撐；(b）單斜支撐；(c）人字形支撐；(d)K形支撐；(e)V形支撐b.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(diǎn)處），另一端可在梁與柱交點(diǎn)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(gòu)成一耗能梁段，或在兩根支撐與桿之間構(gòu)成一耗能梁段的支撐。偏心支撐類型（偏心支撐框架）（a）門架式1；（b）門架式2；（c）單斜桿式；（d）人字形式；（e）V字形式a.框架—中心支撐結(jié)構(gòu)體系通過支撐提高框架的剛度，但支撐受壓會(huì)屈曲，支撐屈曲將導(dǎo)致原結(jié)構(gòu)承載力降低b.框架—偏心支撐結(jié)構(gòu)體系

可通過偏心梁段剪切屈服限制支撐受壓屈曲，使結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定的承載能力和良好的耗能性能，抗側(cè)力剛度介于純框架和中心支撐框架之間

3.框架－剪力墻板體系框架－剪力墻板體系是以鋼框架為主體，并配置一定數(shù)量的剪力墻板。剪力墻板主要類型：①鋼板剪力墻板②內(nèi)藏鋼板支撐剪力墻墻板③帶豎縫鋼筋混凝土剪力墻板內(nèi)藏鋼板剪力墻板與框架的連接帶豎縫剪力墻板與框架的連接4.框筒結(jié)構(gòu)體系

（2）框架結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點(diǎn)宜采用剛接

（1）實(shí)際上是密柱框架結(jié)構(gòu)（3）由于梁跨小，剛度大，使周圈柱近似構(gòu)成一個(gè)整體受彎的薄壁筒體（4）具有較大的抗側(cè)剛度和承載力因而框筒結(jié)構(gòu)多用于高層建筑

筒體結(jié)構(gòu)體系因其具有較大剛度，有較強(qiáng)的抗側(cè)力能力，能形成較大的使用空間，對于超高層建筑是一種經(jīng)濟(jì)有效的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)筒體的布置、組成、數(shù)量的不同，筒體結(jié)構(gòu)體系可分為框架筒、桁架筒、筒中筒及束筒等體系。1.各種鋼結(jié)構(gòu)體系建筑的適用高度

結(jié)構(gòu)體系設(shè)防烈度6、789框架1109050框架—支撐（剪力墻板）220200140筒體（框筒、筒中筒、束筒）和巨型框架300260180適用的鋼結(jié)構(gòu)房屋最大高度（m）

2.各種鋼結(jié)構(gòu)體系建筑的適用高寬比

適用的鋼結(jié)構(gòu)房屋最大高寬比

烈度6、789最大高寬比6.56.05.5二、高層鋼結(jié)構(gòu)的布置原則

3.高層鋼結(jié)構(gòu)的布置要求高層鋼結(jié)構(gòu)房屋除了滿足一般的規(guī)定外，尚應(yīng)符合①支撐框架在兩個(gè)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3②設(shè)置地下室時(shí)，框架-支撐(抗震墻板)結(jié)構(gòu)中豎向連續(xù)布置的支撐(抗震墻板)應(yīng)延伸至基礎(chǔ)；鋼框架柱應(yīng)至少延伸至地下一層，其豎向荷載應(yīng)直接傳至基礎(chǔ)；③8、9度時(shí)，宜采用偏心支撐、帶豎縫鋼筋混凝土抗震板墻、內(nèi)藏鋼板支撐或其他消能支撐；④一般情況下，對不超過12層的鋼結(jié)構(gòu)房屋可采用框架結(jié)構(gòu)、框架-支撐結(jié)構(gòu)或其他結(jié)構(gòu)類型；⑤超過12層的鋼結(jié)構(gòu)房屋，8度、9度時(shí)，宜采用偏心支撐、帶豎縫鋼筋混凝土抗震墻板、內(nèi)藏鋼支撐鋼筋混凝土墻板或其他消能支撐及筒體結(jié)構(gòu)，此時(shí)頂層可采用中心支撐；⑥超過12層的鋼框架-筒體結(jié)構(gòu)，在必要時(shí)可設(shè)置由筒體向外臂和周邊桁架組成的加強(qiáng)層；⑦樓蓋宜采用壓型鋼板現(xiàn)澆鋼筋混凝土組合樓或非組合樓板。

§8.3多高層鋼結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算要求一、計(jì)算模型確定多高層鋼結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算模型時(shí)，應(yīng)注意：進(jìn)行多高層鋼結(jié)構(gòu)地震作用下的內(nèi)力與位移分析時(shí)，一般可假定樓板在自身平面內(nèi)為絕對剛性。對整體性較差、開孔面積大、有較長的外伸段的樓板，宜采用樓板平面內(nèi)的實(shí)際剛度進(jìn)行計(jì)算2.進(jìn)行多高層鋼結(jié)構(gòu)多遇地震作用下的反應(yīng)分析時(shí)，可考慮現(xiàn)澆混凝土樓板與鋼梁的共同作用。在設(shè)計(jì)中應(yīng)保證樓板與鋼梁間有可靠的連接措施，此時(shí)樓板可作為梁翼緣的一部分計(jì)算梁的彈性截面特性進(jìn)行多高層鋼結(jié)構(gòu)罕遇地震反應(yīng)分析時(shí)，考慮到此時(shí)樓板與梁的連接可能遭到破壞，則不應(yīng)考慮樓板與梁的共同工作3.多高層鋼結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算可采用：

平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的空間協(xié)同計(jì)算模型結(jié)構(gòu)布置規(guī)則、質(zhì)量及剛度沿高度分布均勻、不計(jì)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)可采用平面結(jié)構(gòu)計(jì)算模型結(jié)構(gòu)平面或立面不規(guī)則、體型復(fù)雜，無法劃分平面抗側(cè)力單元的結(jié)構(gòu)以及筒體結(jié)構(gòu)應(yīng)采用空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型4.多高層鋼結(jié)構(gòu)在地震作用下的內(nèi)力與位移計(jì)算，應(yīng)考慮梁柱

的彎曲變形和剪切變形，尚應(yīng)考慮柱的軸向變形一般可不考慮梁的軸向變形，但當(dāng)梁同時(shí)作為腰桁架或桁架的弦桿時(shí)，則應(yīng)考慮軸力的影響6.應(yīng)計(jì)入梁柱節(jié)點(diǎn)域剪切變形（如圖）對多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)位移的影響

可將梁柱節(jié)點(diǎn)域當(dāng)作一個(gè)單獨(dú)的單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，也可按下列規(guī)定作近似計(jì)算：1）箱形截面柱框架可將節(jié)點(diǎn)域當(dāng)作剛域，剛域的尺寸取節(jié)點(diǎn)域尺寸的一半2）工字形截面柱框架可不考慮節(jié)點(diǎn)域，梁柱長度按軸線間距離確定5.柱間支撐兩端應(yīng)為剛性連接，但可按兩端鉸接計(jì)算。偏心支撐中的耗能梁段應(yīng)取為單獨(dú)單元二、地震作用阻尼比取值：多高層鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比較小，按反應(yīng)譜法計(jì)算時(shí)的取值：多遇地震下的地震作用高層鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比可取為0.02

多層（不超過12層）鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比可取為0.035

罕遇地震下的地震作用考慮結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性，多高層鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比均可取為0.05

三、結(jié)構(gòu)自振周期對于重量及剛度分布比較均勻的結(jié)構(gòu)，可用下式近似計(jì)算：在初步計(jì)算時(shí)，可按下列經(jīng)驗(yàn)公式估算n為建筑物層數(shù)，不包括地下部分及頂層小塔樓。四、設(shè)計(jì)反應(yīng)譜鋼結(jié)構(gòu)在彈性階段的阻尼比為0.02，小于一般結(jié)構(gòu)的阻尼比0.05，使地震反應(yīng)增大。根據(jù)研究，阻尼比為0.02的單質(zhì)彈性體系，其地震的加速度反應(yīng)將比阻尼比0.05提高35%，故在高層鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，水平地震影響系數(shù)曲線中的下降階段衰減指數(shù)應(yīng)為γ=0.95、傾斜段的斜率為η1=0.024，而水平地震影響系數(shù)的最大值與阻尼比為0.05時(shí)相比，可提高η2=1.32倍，其值按下表取用高層鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)水平地震影響系數(shù)最大值五、底部剪力計(jì)算采用底部剪力法計(jì)算水平地震作用，結(jié)構(gòu)總的水平地震作用等效底部剪力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算參考第三章。烈度6度7度8度9度0.0530.106(0.158)0.211(0.317)0.4228.4鋼構(gòu)件的抗震設(shè)計(jì)與構(gòu)造措施鋼構(gòu)件的設(shè)計(jì)包括以下內(nèi)容(1)構(gòu)件的強(qiáng)度驗(yàn)算；(2)構(gòu)件的穩(wěn)定承載力驗(yàn)算；(3)為保證構(gòu)件截面的塑性變形能充分開展，同時(shí)滿足構(gòu)件的局部失穩(wěn)不先于構(gòu)件的整體失穩(wěn)，應(yīng)對構(gòu)件寬厚比做出嚴(yán)格的限制；(4)受壓構(gòu)件的長細(xì)比和受彎構(gòu)件塑性鉸處側(cè)向支承點(diǎn)與相鄰側(cè)向支承點(diǎn)間構(gòu)件最大側(cè)向長細(xì)比的驗(yàn)算。1.鋼梁鋼梁的抗震破壞主要表現(xiàn)在梁的側(cè)向整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)，鋼梁的強(qiáng)度及變形能根據(jù)其板件寬厚比、側(cè)向支承長度及彎距梯度、節(jié)點(diǎn)的連續(xù)構(gòu)造等的不同而有很大差別。在抗震設(shè)計(jì)中為了滿足抗震要求，鋼梁必須具有良好的延性性能，因此必須正確設(shè)計(jì)截面尺寸、合理布置側(cè)向支撐，注意連接構(gòu)造，保證其能充分發(fā)揮變形能力。(1)梁的強(qiáng)度鋼梁在反復(fù)荷載下的極限荷載將比單調(diào)荷載時(shí)小，但考慮到樓板的約束作用又將使梁的承載能力有明顯提高，因此鋼梁承載力計(jì)算與一般在靜力荷載作用下的鋼結(jié)構(gòu)相同，計(jì)算時(shí)取截面塑性發(fā)展系數(shù)，承載力抗震調(diào)整系數(shù)。在進(jìn)行多遇地震作用下構(gòu)件承載力計(jì)算時(shí)，托柱梁的內(nèi)力乘以不小于1.5的增大系數(shù)。(2)梁的整體穩(wěn)定鋼梁的整體穩(wěn)定驗(yàn)算公式一般與靜力荷載作用下的鋼結(jié)構(gòu)相同，承載力抗震調(diào)整系數(shù)。當(dāng)梁設(shè)有側(cè)向支撐，并滿足規(guī)范規(guī)定的受壓翼緣自有長度與其寬度之比的限制時(shí)，可不計(jì)算整體穩(wěn)定。按7度及以上抗震設(shè)防的高層鋼結(jié)構(gòu)，梁受壓翼緣側(cè)向支承點(diǎn)間的距離與梁翼緣寬度之比，應(yīng)符合規(guī)范關(guān)于塑性設(shè)計(jì)的長細(xì)比要求。(3)梁、柱板件寬厚比

日本所做的一組梁柱試件，研究其在反復(fù)加載下的受力變形情況

b/t=8b/t=11

b/t=16隨著構(gòu)件板件寬厚比的增大構(gòu)件反復(fù)受載的承載能力與耗能能力將降低板件寬厚比越大，板件越易發(fā)生局部屈曲，從而影響后繼承載性能原因：梁柱試件在反復(fù)加載下的受力變形情況：框架柱的轉(zhuǎn)動(dòng)變形能力要求比框架梁的的轉(zhuǎn)動(dòng)變形能力要求低框架柱的板件寬厚比限值可比框架梁的板件寬厚比限值大寬厚比限值要求：

不超過12層框架的梁柱板件寬厚比限值

板件名稱6度7度8度9度柱工字形截面翼緣外伸部分工字型截面腹板箱型截面壁板13433911433710433594333梁工字型截面和箱型截面翼緣外伸部分箱型截面翼緣在兩腹板間的部分工字型截面和箱型截面腹板11361032930930超過12層框架的梁柱板件寬厚比限值

板件名稱6度7度8度9度柱工字形截面翼緣外伸部分工字型截面腹板箱型截面壁板13433911433710433594333梁工字型截面和箱型截面翼緣外伸部分箱型截面翼緣在兩腹板間的部分工字型截面和箱型截面腹板11361032930930注：1.表列數(shù)值適用于Q235，當(dāng)材料為其他牌號鋼材時(shí)，應(yīng)乘以

2.表中Nb為梁的軸向力，A為梁的截面積，f為梁的鋼材抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值2.鋼柱(1)鋼柱的計(jì)算長度在框架柱的抗震設(shè)計(jì)中，當(dāng)計(jì)算柱在多遇地震作