第8章多高层建筑钢结构抗震设计.ppt

第八章,多高层建筑钢结构抗震设计,8.1 多高层钢结构的主要震害特征 8.2 多高层钢结构的选型与结构布置 8.3 多高层钢结构的抗震计算要求 8.4 多高层钢结构抗震构造要求,主要内容,,§8.1 多高层钢结构的主要震害特征,,强度高、延性好、重量轻、抗震性能好,钢结构特性：,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,多高层钢结构在地震中的破坏形式有三种,节点连接破坏；构件破坏；结构倒塌,一、节点连接破坏,1.支撑连接破坏,图 圆钢支撑连接的破坏,图 角钢支撑连接的破坏,2.梁柱连接破坏,图 美国Northridge(北陵岭)地震,日本阪神地震,1978年日本宫城县远海地震（里氏7.4级）,1978年日本宫城县远海地震钢结构建筑破坏类型统计,,,支撑连接更易遭受地震破坏,,Ⅱ级：支撑连接出现裂 纹，但没有不可 恢复的屈曲变形,Ⅲ级：出现小于1/30 层高的永久 层间变形,Ⅳ级：出现大于1/30 层高的永久 层间变形,Ⅴ级：倒塌或无法 继续使用,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(北岭)地震,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,梁柱刚性连接裂缝或断裂破坏的原因（4点）：,1. 焊缝缺陷,2. 三轴应力,这些缺陷将成为裂缝开展直至断裂的起源,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,如裂纹、欠焊、夹渣和气孔等,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,图 “人工”裂缝,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,支撑在地震中所受的压力超过其屈 曲临界力时，即压屈破坏,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,2.梁柱局部失稳,支撑压曲,梁柱局部失稳,母材的断裂,支撑处的断裂,1995年日本阪神地震,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，7根钢柱在与支撑连接处断裂，其中13根钢柱为母材断裂， 37根钢柱在拼接焊缝处断裂.,3. 柱水平裂缝或断裂破坏,钢柱的断裂是出人意料的，分析原因认为：竖向地震使柱中出现动拉力，由 于应变速率高，使材料变脆；加上地震时为日本严冬时期，钢柱位于室外，钢 材温度低于0oC；以及焊缝和弯矩与剪力的不利影响，造成柱水平断裂1995年日本阪神地震中Chou Ward地震钢结构房屋震害情况,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，日本钢结构设计规范修订；,1982年，日本建筑标准法实施,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。

§8.2 多高层钢结构的选型与结构布置,,一、结构选型,在结构选型上，多层和高层钢结构无严格界限,将超过12层的建筑归为 高层钢结构建筑,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：,,将不超过12层的建筑归为 多层钢结构建筑,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,框架-支撑体系是在框架体系中沿结构的纵、横两个方向均匀布置一定数量的支撑所形成的结构体系在框架-支撑体系中，框架是剪切型结构，底部层间位移大；支撑为弯曲型结构，底部层间位移小，两者并联，可以明显减少建筑物下部的层间位移，因此在相同的侧移限值标准的情况下，框架-支撑体系可以用于比框架体系更高的房屋框架体系是沿纵横向方向由多榀平面框架构成及承担 水平荷载的抗侧力结构，它也是承担竖向荷载的结构2. 框架—支撑结构体系,①支撑类型 支撑类型的选择与是否抗震有关，也与建筑的层高、柱距以及建筑使用要求有关， Ａ.中心支撑 中心支撑是指斜杆、横梁及柱汇交于一点的支撑体系，或两根斜杆与横杆汇交于一点，也可与柱子汇交于一点，但汇交时均无偏心距。

如右图： 中心支撑的类型（支撑框架） ( a ) X 形支撑； ( b ）单斜支撑； ( c ）人字形支撑； ( d ) K 形支撑； ( e ) V 形支撑,b. 偏心支撑 偏心支撑是指支撑斜杆的两端，至少有一端与梁相交（不在柱节点处），另 一端可在梁与柱交点处连接，或偏离另一根支撑斜杆一段长度与梁连接，并 在支撑斜杆杆端与柱子之间构成一耗能梁段，或在两根支撑与杆之间构成一 耗能梁段的支撑 偏心支撑类型（偏心支撑框架） （a）门架式 1；（b）门架式 2 ；（c）单斜杆式；（d）人字形式；（e）V 字形式,a. 框架—中心支撑结构体系,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,b. 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,3.框架－剪力墙板体系 框架－剪力墙板体系是以钢框架为主体，并配置一定数量的剪力墙板 剪力墙板主要类型： ① 钢板剪力墙板 ② 内藏钢板支撑剪力墙墙板 ③ 带竖缝钢筋混凝土剪力墙板 内藏钢板剪力墙板与框架的连接 带竖缝剪力墙板与框架的连接,4. 框筒结构体系,（2）框架结构的梁柱节点宜采用刚接,（1）实际上是密柱框架结构,（3）由于梁跨小，刚度大，使周圈柱 近似构成一个整体受弯的薄壁筒体,（4）具有较大的抗侧刚度和承载力,因而框筒结构多用于高层建筑,筒体结构体系因其具有较大刚度，有较强的抗侧力能力，能形成较大的使用空 间，对于超高层建筑是一种经济有效的结构形式。

根据筒体的布置、组成、数 量的不同，筒体结构体系可分为框架筒、桁架筒、筒中筒及束筒等体系1.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）,2.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,二、高层钢结构的布置原则,3.高层钢结构的布置要求,高层钢结构房屋除了满足一般的规定外，尚应符合 ①支撑框架在两个方向的布置均宜基本对称，支撑框架之间楼盖的长宽比不宜大于3 ②设置地下室时，框架-支撑(抗震墙板)结构中竖向连续布置的支撑(抗震墙板)应延伸至基础；钢框架柱应至少延伸至地下一层，其竖向荷载应直接传至基础； ③8、9度时，宜采用偏心支撑、带竖缝钢筋混凝土抗震板墙、内藏钢板支撑或其他消能支撑； ④一般情况下，对不超过12 层的钢结构房屋可采用框架结构、框架-支撑结构或其他结构类型； ⑤超过12 层的钢结构房屋，8 度、9 度时，宜采用偏心支撑、带竖缝钢筋混凝土抗震墙板、内藏钢支撑钢筋混凝土墙板或其他消能支撑及筒体结构，此时顶层可采用中心支撑； ⑥超过12层的钢框架-筒体结构，在必要时可设置由筒体向外臂和周边桁架组成的加强层； ⑦楼盖宜采用压型钢板现浇钢筋混凝土组合楼或非组合楼板。

§8.3 多高层钢结构的抗震计算要求,,一、计算模型,确定多高层钢结构抗震计算模型时，应注意：,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,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. 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,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,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：,多遇地震下的地震作用,高层钢结构的阻尼比可取为0.02,多层（不超过12层）钢结构的阻尼比可取为0.035,罕遇地震下的地震作用,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,,,,三、结构自振周期,对于重量及刚度分布比较均匀的结构，可用下式近似计算：,,在初步计算时，可按下列经验公式估算,n为建筑物层数，不包括地下部分及顶层小塔楼四、设计反应谱 钢结构在弹性阶段的阻尼比为0.02，小于一般结构的阻尼比0.05， 使地震反应增大根据研究，阻尼比为0.02的单质弹性体系，其 地震的加速度反应将比阻尼比0.05提高35%，故在高层钢结构的设 计中，水平地震影响系数曲线中的下降阶段衰减指数应为γ=0.95 、倾斜段的斜率为η1=0.024，而水平地震影响系数的最大值与阻 尼比为0.05时相比，可提高η2=1.32倍，其值按下表取用,高层钢结构抗震设计水平地震影响系数最大值,五、底部剪力计算 采用底部剪力法计算水平地震作用，结构总的水平地震作用等效 底部剪力标准值计算参考第三章。

8.4钢构件的抗震设计与构造措施,钢构件的设计包括以下内容 (1)构件的强度验算； (2)构件的稳定承载力验算； (3)为保证构件截面的塑性变形能充分开展，同时满足构件的局部 失稳不先于构件的整体失稳，应对构件宽厚比做出严格的限制； (4)受压构件的长细比和受弯构件塑性铰处侧向支承点与相邻侧向 支承点间构件最大侧向长细比的验算1.钢梁 钢梁的抗震破坏主要表现在梁的侧向整体失稳和局部失稳，钢梁的 强度及变形能根据其板件宽厚比、侧向支承长度及弯距梯度、节点 的连续构造等的不同而有很大差别在抗震设计中为了满足抗震要 求，钢梁必须具有良好的延性性能，因此必须正确设计截面尺寸、 合理布置侧向支撑，注意连接构造，保证其能充分发挥变形能力1)梁的强度 钢梁在反复荷载下的极限荷载将比单调荷载时小，但考虑到楼板的约束作用又将使梁的承载能力有明显提高，因此钢梁承载力计算与一般在静力荷载作用下的钢结构相同，计算时取截面塑性发展系数 ，承载力抗震调整系数 在进行多遇地震作用下构件承载力计算时，托柱梁的内力乘以不小于1.5的增大系数2)梁的整体稳定 钢梁的整体稳定验算公式一般与静力荷载作用下的钢结构相同，承 载力抗震调整系数 。

当梁设有侧向支撑，并满足规范规定的受压翼缘自有长度与其宽度 之比的限制时，可不计算整体稳定按7度及以上抗震设防的高层 钢结构，梁受压翼缘侧向支承点间的距离与梁翼缘宽度之比，应符 合规范关于塑性设计的长细比要求3) 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。