建筑结构抗震设计(3)(4)

分别按1.5J.25、1.15采用。 6.3多层和蒼j钢结构房屋抗液设计_

6.3.1多层和高层铟结构房屋主要震害特征

钢结构具有强度髙、延性好、重量轻的优点3总体来说，在同等场地、同等烈度条件下，钢结构房屋的震害较钢筋混凝土结构房屋的震害要轻一些，但也不能完全忽视钢结构的震害a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。目前钢结构房屋的震害资料积累还不够丰富，仅在1985年9月19日墨西哥地震、1994年1月17日美国Northridge抗震J995年1月17日日本阪神地震、1999年9月21日台湾集集地震、2008年5月12日中国汶川地震等地震中取得了一些震害资料，其中以日本阪神地震中的钢结构房屋震害资料最为丰富。阪神地震后，日本建筑学会近畿钢结构委员会对988幢钢结构房屋的震害进行了统计，见表6.26；同时，对几个强震区的钢结构房屋震害进行了统计，见表6.27；日本建筑学会公布的钢结构房屋的总体破坏比率见表6.28。

表6.2619汜年日本阪神地震中988镛钢结构房屋震害情况 破坏程倒塌 严重中等小破坏 幢数 90 332 266 300 所占比9.1 33.6 26.9 30.4

表6.271995年曰本阪神地震中几个强震区的钢结构房展震害情况 破坏程倒塌、严中等小破坏 轻做幢数 476 339 498 474 所占比26.6 20.0 27.9 26.5

表6.281995年日本阪神地震钢结构房屢的总体破坏率 单位:％ 建筑年代 房屋倒严局轻其1946—19615 20.0 40.0 20.0 20.0 0 1962—1971105 41.9 24.8 22.9 9.5 1.0 1972—1981156 17.3 23.1 47.4 10.9 1.3 1982—1991225 6.7 24.4 49.3 19.1 0.4 1991—199559 3.4 18.6 57.6 20.3 0

在2008年5月12日的中国汶川地震中，钢结构房屋的破坏相对混凝土结构房屋和砌体结构房屋轻得多。震害调查中发现:钢结构多为钢结构厂房，破坏也仅为局部破坏，完全倒塌的例子较少，常见的钢结构厂房破坏为围护结构破坏或吊顶及室内装饰破坏或设备倒塌，如图6.35所示。

(1)节点连接破坏

节点连接破坏主要有两种形式，一种是支撑连接破坏（见图6.36(a)、图6.36(b))，另一种是梁柱连接破坏(见图6.36(c)〉。由于节点传力集中、构造复杂、施工难度大，容易造成应力集中、强度不均衡现象，再加上可能出现焊缝缺陷、构造缺陷，节点破坏就更容易出现。 节点域的破坏形式比较复杂，主要有加劲板的屈曲和开裂、加劲板焊缝出现裂缝、腹板的屈曲和裂缝。

S6.35汶川地震中的钢结构厂房I(再

1994年关国Northridge地《和1995年日本阪神地琪造成；*很多梁柱刚性连接破坏，震丼调査发现t梁柱连接破坏大多发生在梁的F凳缘处，而上贫缘破坏较少。这可能有两种原因：一是，楼板与梁共同变形导致下S缘丨&力增大；二是，下翼缘從腹板位置焊接中断娃一个显著的焊缝缺陷。

(2>构件破坏构件破坏的主要形式有：

①支撑压屈。支撑构件为结构提供r较大的侧向刚度，当地#强度较大时，承受的轴向力（反复拉压)增加，如果支撐的长度、w部加劲板构造与主体结构的连接构造等出现问题，就会出现破坏或失稳=当支撐所受的压力超过其屈曲临界力时，即发生压屈破坏，如图6.37(a〉、（b>所示。 ②梁柱局部失稳。枢架梁或柱的局部屈曲是因为梁或杵在地震作用下反复受弯，以及构件的截Ifi尺寸和局部构造如长细比、板件宽厚比设计不合现造成的，如图6.37(c)所示。 ③柱水平裂缝或断裂破坏=丨995年H本阪神地震中，位于阪神地芘区芦屋滨的52栋高层钢结构ft宅，有57根钢柱发生水平裂缝破坏，如囡6.37(d)及凼6.37(e)所示。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h截面弯矩和剪力的彩响，造成柱水平断裂。

(⑴钢扑柱卩水弘裂缒 （e)钢柱柱身在句支撑连接处出现水平裂缝 EB6.37钢结构构件破坏 (3)结构倒塌

结构倒塌是地震中结构破坏进严《的形式。钢结构达筑尽管抗诶性能好，但在地震中也々倒塌发生。1985年壜西舟大地庙中有10栋钢结构房犀倒塌，1995年阪神地震中也有不少钢结构房屋倒塌。当结构布S不当、设汁不当或构造存在缺陷时就可能造成结构倒塌。 6.3.2多高S钢结构选切4布K

2

《抗震规范》规定的钢结构民丨U房闻的结构类铟和最人尚度列T-表6.9中。平面和竖向均不规则的钢结构，适用的最大作度1C适当降低。 结构体系 设防烈度 6、7度7度8度 9度<0(0.(0.(0.10^) <0.15為） 框架 110 90 90 70 50 框架?中心支220 200 180 150 120 框架?偏心支240 220 200 180 L60 撑(延性墙筒体<框筒、300 280 260 240 180 筒中筒、束

房屋的高宽比，特别是髙层建筑的高宽比，主要反映结构抗侧力刚度、抗弯刚度和整体抗倾覆等情况。此外，对于高层钢结构房屋，还涉及风荷载作用下建筑物内人员舒适感的问题，因此钢结构房屋的平面总宽度不宜过小。<抗震规范》规定的钢结构房屋的高宽比列于表6.30中。计算高宽比的高度从室外地面箅起，对于有大底盘的塔形建筑，计算髙宽比的高度从大底盘顶部算起。

表6.30钢结构民用房*的最大适用离宽比单位:!

烈度 6、7度 8度 9度 最大髙宽比 6.5 6.0 5.5

钢结构房屋应根据设防分类、烈度和房屋高度采用不同的抗震等级，并应符合相应的计算和构造措施要求。丙类建筑的抗震等级应按表6.31确定。

表6.31钢结构房屋的抗震等级 房屋6度 7度 8度 9度 在50m - 四 三 二 >50m 四 二 -

1>结构选窀 (1)框架体系

框架体系为由梁与柱构成的结构般由沿房屋纵横方向设置的多榀平面框架构成。这类结构的抗侧力能力主要取决于梁柱构件和节点的强度与延性。节点一般采用刚性连接。相对而言，框架体系的抗侧刚度较小，地震作用下的水平位移较大。

采用框架结构时，甲、乙类建筑和高层的丙类建筑，不应采用单跨框架，多层的丙类建筑不宜采用单跨框架。 (2)框架-支撑体系

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。支撑体系的布置由建筑要求及结构功能來确定，一般布置在端框架中、电梯井周围等处。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。支撑按其布置分为中心支撑和偏心支撑，其中中心支撑的斜杆一般两端均直接连在梁柱节点上，而偏心支撑的斜杆至少有一端偏离了梁柱节点，直接连在梁上c

抗震等级为三、四级且高度不大于50m的钢结构宜采用中心支撑，必要时也可采用偏心支撑、屈曲约束支撑等消能支撑。高层钢结构采用偏心支撑框架时，顶层可采用中心支撑。

中心支撑框架通过支撑能提高框架的侧向刚度，但支撑受压会屈曲，从而导致原结构承载力降低。抗震设防的中心支撑框架一般宜采用抗震性能较好的十字交叉支撑（见图6.38(a))，也可采用单斜杆支撑（见图6.38(b))、人字支撑（见图6.38(c))或V形支撑（见图

6.38(d))，不宜采用K形支撑（见图6.38(e))。这是因为在地震作用下，K形支撑中的斜杆与柱相交处存在较大的侧向集中力，在柱上形成较大的侧向弯矩，使柱更容易侧向失稳。当中心支撑采用只能受拉的单斜杆体系时，应同时设置不同倾斜方向的两组单斜杆(见图6.38

(a>十字交叉斜律（㈨单斜杆斜撑（<：>人字形斜攘

S6.38各种框架-中心支?结构体系

偏心支撑框架可通过偏心梁段剪切屈服限制支撑受压屈曲，从而保证结构具有稳定的承载能力和良好的耗能性能，而结构抗侧力刚度介于纯框架和中心支撑框架之间，如图6.39所示。

偏心支掙框架的每根支掙应至少有一端与框架梁连接，并在支撑与梁交点和柱之间或同一跨内另一支掙与梁交点之间形成消能梁段c (1) 框架-抗震墙板体系

框架-抗震墙板体系是以钢框架为主体，并配置一定数童的抗震墙板。抗震墙板可以根据需要布置在任何位置上。抗震墙板主要有以下三种类型：

①钢板抗震墙板。钢板抗震墙板一般采用厚钢板，其上下、左右两边缘可分别与框架梁和框架柱连接，一般采用卨强镍栓连接。钢板抗震墙板承担沿框架梁、柱周边的剪力，不承担框架梁上的竖向荷载。

②内藏钢板支撑剪力墙墙板。内藏钢板支撑剪力墙是以钢板为基本支撑，外包钢筋混凝土墙，一般做成预制墙板。预制墙板仅在钢板支撑斜杆的上下瑞节点处与钢框架梁相连，节点部位之外的墙板部分与钢框架不连。由于钢支撑有外包混凝土，故可不考虑支撑平面内和平面外的屈曲。

_竖缝钢筋混凝土抗震墙板。普通整块钢筋混凝土墙板由于初期刚度过高，地震时易首先斜向开裂发生脆性破坏而退出工作，造成框架超载而破坏，为此设计了带竖缝的抗震墙板。在墙板中设置若F条竖缝，将墙板分割成一系列延性较好的壁柱。多遇地震时，墙板处于弹性阶段，

侧向刚度大，墙板如同由桷架组成的框架板承担水平剪力。罕遇地震时，墙板处于弹塑性状态而在壁柱上产生裂缝，?柱屈服后刚度降低，变形增大，起到耗能减震的作用8 (2) 筒体体系

筒体结构体系具有较大刚度，有较强的抗侧力能力，能形成较大的使用空间，对于高层及超高层建筑是一种经济有效的结构形式。根据筒体的布置及数量的不同，筒体结构体系可分为框架筒、桁架筒、筒中筒及束简等体系。框架筒实际h是密柱框架结构，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，如图6.40和6.41所示。 (5)巨型框架体系

巨型框架体系由柱距较大的体桁架梁柱构成，如阁6.42所示。立体桁架梁应沿纵横向布置，并形成一个空间祀架层，在两层空间桁架层之间设置次框架结构，以承担空间桁架层之间的各层楼面荷载，并将其通过次框架结构的柱子传递给立体桁架梁及柱。

上述5中结构体系各有其优缺点，一般应尽量选择有多道抗震防线的结构体系，如框架-支掙体系、框架-抗震墙板体系、筒体体系等。1995年的阪神地震表明，没有设置支撑的钢结构破坏最大，柱、梁柱节点破坏严重。

从抗侧刚度和适用高度的角度出发，《抗震规范》规定，一、二级抗震结构宜设置偏心支撑、带烃缝钢筋混凝土抗震墙板、内藏钢支撑钢筋混凝土墙板或屈曲约束支撑等消能支撑及筒体。 42巨型框架结构体系

2)结构申面布置

多高层钢结构房屋的平面布置要求与其他类型结构体系，如钢筋混凝土结构.砌体结构等相同，一般应满足下列要求：

①建筑平面宜简单规则，建筑的开间、进深宜统一，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。宜避免结构平面布置不规则，具体结构平面布置不规则的定义见《抗震规范》第3.4节的要求。

②由于髙层钢结构房屋在地震作用下的侧移较大，因此高层建筑钢结构不宜设置防震缝，如必须设置伸缩缝，则应同时满足防震缝的要求，防震缝缝宽应不小于相应钢筋混凝土结构房屋的1.5倍。

③楼盖宜采用压型钢板现浇混凝土组合楼板或钢筋混凝土楼板，楼板与钢梁应采用栓钉或其他元件连接。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。 3>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|苫0.75；

④任意楼层抗侧力构件的总受剪承载力大于其相邻h层的80% ；

⑤框架-支撑结构中，支撑(或抗震墙板)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。 结构布置的其他要求

①髙度超过50m的钢结构房屋应设置地下室，当采用天然地基时，其基础埋置深度不宜小于房屋总高度的1/15；当采用粧基时，桩承台埋深不宜小于房屋总高度的1/20。设置地下室时，框架-支撑(抗震墙板)体系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到地下一层，其竖向荷载应直接传至基础。

②钢框架-筒体结构，在必要时可设置由筒体外伸臂或外伸臂和周边桁架组成的加强层。 6.3.3多高层钢结构抗震计算及设计 1 )计算模型 (1) 楼盖刚度确定

在对钢结构房屋进行地震作用计算及在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、有较长外伸段的楼板，宜采用楼板平面内的实际刚度进行计算。 (2) 模型选择

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。当结构布置规则、质量及刚度沿髙度分布均匀、且不计扭转效应时，可采用平面结构计算模型；当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，以及筒体结构时，应采用空间结构计算模型。

(3) 二阶效应

钢结构房屋延性较好，允许的侧移较大。当钢结构房屋在地震作用下的重力附加弯矩大于初始弯矩的10%时，应计入重力二阶效应的影响4其中，重力附加弯矩指任一楼层以上全部重力荷载与该楼层地震平均层间位移的乘积，初始弯矩指该楼层楼层地震剪力与楼层层高的乘积。进行二阶效应的弹性分析时，应按现行国家标准《钢结构设计规范》（GB50017)的有关规定，在每层柱顶附加假想水平力。 ⑷杆件变形

多髙层钢结构在地震作用下的内力与位移计算，除应考虑梁柱的弯曲变形和剪切变形外，还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。 (5)节点域变形

对框架梁，可不按柱轴线处的内力而按梁端截面的内力设计。对工字形截面柱，宜计入梁柱节点域剪切变形对结构侧移的影响；对箱形柱框架、中心支撑框架和不超过50m的钢结构，其层间位移计算可不计入梁柱节点域剪切变形的影响，近似按框架轴线进行分析。 钢框架-支撑结构的斜杆可按端部铰接杆计算。 2 )地震作用计算、脷移验算及内力组合 (1) 结构自振周期

对于质童及刚度沿高度分布比较均匀的髙层钢结构，基本自振周期r，可按顶点位移法计算，计算公式见附录C中的式(C3.5)。初步设计时，基本周期7\\也可按经验公式?.In估算j为不包括地下部分及屋顶小塔楼建筑物层数。 (2) 阻尼比

钢结构的阻尼比较小，在多遇地震计算时的阻尼比取法如下： ①高度不大于50m时，P且尼比取0.04；高度大于50m且小于200m时，可取0.03；髙度为200m及其以上时，取0.02。

②当偏心支撑框架部分承担的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%时，其阻尼比可比上述各种取值相应增加0.005。

计算罕遇地震\的地震作用时，考虑到结构已进人弹塑性状态，阻尼比取为0_05。 (3)设计反应谱

钢结构的设计反应谱需按阻尼比调整。钢结构地震影响系数曲线相关系数计算列于表6.32中，钢结构房屋的水平地震影响系数最大值列于表6.33中。 表6.32钢结构地震彩响系数曲线相关系数计算表 地震彩响系H^50m(f=050

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