建筑结构抗震设计(3)(5)

表6.33钢结构房屋的水平地震彩响系数最大值 地震影响 6度7度8度9度0.05? 0.10^(0.15g0.20^(0.30#0.40g tfSSOm(f=00.043 0.086(0.1280.171(0.2570.342 .04) ) ) 50

(4)多遇地痕作用计算

钢结构在多遇地漢下的地震作用计算可根据实际房屋高度及规则性情况，采用底部剪力法、不考虑扭转耦联的振型分解反应谱法、考虑扭转耦联的振型分解反应谱法以及时程分析法等方法。

(5>罕遇地震作用计算

高S钢结构第二阶段的抗震验算应采用时程分析法对结构进行弹塑性时程分析，其结构计算模型可采用杆系模型、剪切型层模型、剪切型层模塑或剪弯协同工作模型。在采用杆系模型分析时，柱、梁的恢复力模型町采用二折线形，其滞回模型可不考虑刚度退化D钢支撑和消能梁段等构件的恢复力模型，应按杆件特性确定。采用层模迆分析时，应采用计入有关构件弯曲、轴向力、剪切变形影响的等效层剪切刚度，层恢复力模型的骨架曲线可采用静力弹塑性方法进行计算，并可简化为二折线或三折线，尽暈与计算所得骨架曲线接近。在对结构进行静力弹塑性计算时，应同时考虑水平地霉作用与重力荷载。构件所用材料的屈服强度和极限强度应用标准值。

<6)层间侧移验算

在小震卜\\过大的层间变形会造成非结构构件的破坏；在大震下，过大的变形会造成结构的破坏或倒塌。因此，需对多遇地震下结构的弹性层间侧移进行限制，使其不超过层高的1/250；在罕遇地震下，钢结构的层间侧移不应超过层高的1/50。 (7) 地震作用下的内力调整

框架作为框架-支撑(抗震墙板)结构体系中第二道抗震防线，其抗震承载力对于支撑(抗震墙板)进人屈服，结构进人弹塑性阶段的承载力具有非常重要的意义。因此框架-支撑（抗震墙板)结构体系中的纯框架自身应具有一定的承载能力?在进行多遇地震下的抗震计算时，框架-支撑(抗震墙板)结构体系中框架部分按刚度分配计算得到的地震层剪力应不小于结构底部总地震剪力的25%和框架部分计算最大层剪力1.8倍的较小者。

钢结构转换M下的钢框架柱，地震内力应乘以增大系数，其值可采用1.5。 (8) 内力组合

内力调整之后，就要对构件在各工况T的内力标准值进行组合，以得到设计值。组合方法和具体要求详见第4章。

设计内力得到之后，就要进行多髙层钢结构房屋的抗震设计了。其抗震设计计算中需根据钢结构的自身特点，采用相应的设计分析要求，如对计算所得设计内力进行进一步抗震调整、延性框架设计要求的保障、具体构件抗震设计的规定等。 >钢梁设计及构造要求 .

一般来说，钢结构构件（梁、柱、支撑等）的抗震设计包括三部分内容:构件的强度验算；构件的稳定验算；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所需，对构件的宽厚比、长细比等进行的构造限制。

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，钢梁的强度及变形性能根据其板件宽厚比、侧向支撑长度及弯矩梯度、节点的连续构造等的不同而有很大差别3在抗展设计中，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，合理布置侧向支掙，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小，但考虑到楼板的约束作用，又将使梁的承载能力有明祗提卨。因此，钢梁承载力计算方法与在静力荷载作用下的钢梁相同，计算时取截面塑性发展系数为1.0，承载力抗震调整系数7re=0.750 (2〉梁的整体稳定性

钢梁的整体稳定验算公式与静力荷载时相同，承载力抗震调整系数7rE=0.8。

当梁设有侧向支撑，并符合《钢结构设计规范》(GB50017)规定的受压翼缘自由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，尚应符合该规范关于塑性设计时的长细比要求。钢框架梁的上翼缘采用抗剪连接件与组合楼板连接时，也坷不用验算地震作用下的整体稳定。 (3)框架梁、柱板件宽厚比要求

一般来说，板件宽厚比越大，板件越易发生局部屈曲，构件反复受载时的承载能力与耗能能力将降低3所以，一般要对框架梁、柱板件的宽厚比进行限定。这种考虑是以符合强柱弱梁为前提，考虑柱仅在后期出现少塑性铰，不黹要很高的转动能力，并参照国内外的工程实践经验综合制定的。

一般框架柱的转动变形能力比框架梁的转动变形能力要求低，因此框架柱的板件宽厚比暇值可比框架梁的板件宽厚比限值大。

《抗震规范》要求钢结构框架梁、柱板件宽厚比不应超过表6.34规定的限值。 表6.34框架梁、柱植件宽J9比雎值 板件名称 抗寓等级 -级 二级 三级 四级 工字形截面異缘外10 11 12 13 柱 工字形截面腹板 43 45 48 52 箱形截面腹板 33 36 38 40 工字形和箱形截面 10 11 梁 箱形截面翼缘在两30 30 32 36 工字形截面和箱形72-120?72-100^80-110^85-120^截面腹板 60 ?65. 应乘^^'?70 /.，为钢材的名义屈服强度?75 注:①表列数值适用T-Q235钢，采用其他牌号钢材时，②

：

表中为梁的轴向力./1为梁的积，/为梁的钢材抗拉强度设计值。

当梁上翼缘与楼板有可靠连接时，简支梁可不设置侧向支承，固端梁下翼缘在梁端0.15倍梁跨附近宜设置隅撑。梁端采用骨形连接或梁端扩大时，应在塑性区外设置竖向加劲肋，隅撑与偏置的竖向加劲肋相连。梁端翼缘宽度较大，对梁下翼缘侧向约束较大时，也可不设隅撑。《抗震规范》规定梁柱构件的侧向支承应符合下列要求： ①梁柱构件受压翼缘应根据需要设置侧向支承；

②梁柱构件在出现塑性铰的截面，上下翼缘均应设置侧向支承；

③相邻两侧向支承点之间的构件长细比，应符合国家标准《钢结构设计规范》（GB 50017〉的有关规定。 4)钢柱设计及构造要求

同钢梁抗震设计类似，钢柱的抗震设计也包括强度验算、整体稳定验算和构造措施三部分内容。

(1) 框架柱承载力级差调整 基于延性设计理念，强柱弱梁型框架屈服时产生塑性变形而耗能的构件比强梁弱柱型框架多，

而在同样的结构顶点位移条件下，强柱弱梁型框架的最大层间变形比强梁弱柱型框架小，因此强柱弱梁型框架的抗震性能较强梁弱柱型框架优越。要使框架体系满足强柱弱梁的要求，则框架柱在任一?节点处需满足下列公式要求。

等截面梁与柱连接时，节点左右梁端和上下柱端的全塑性承载力应满足： I 『及-f)1% ￠6.82)

梁端扩大、加盖板或采用RBS(骨形）的梁与柱连接时 X?(/作-J\)^Z(+*v) (6-83)

式中——分别为交汇于节点的柱和梁的塑性截面模量。

——框架梁塑性铰所在截面的梁全塑性截面模量。 N——地震组合下的柱轴向压力设计值。 Ar——柱截面面积。

^分别为柱和梁的钢材屈服强度。

V——强柱系数，一级取1.15，二级取1.10，三级取1.05。 ^——梁塑性铰剪力。

s——塑性铰至柱面的距离，塑性铰可取梁端部变截面翼缘的最小处。一般对骨形(RBS)连接，

取(0.5~0.75Mf+(0.65-0.85)/tb/2(其中，6f和\\分别为梁翼缘宽度和梁截面高度）；梁端扩大型和加盖板时，?*取净跨的1/10和梁高二者的较大值。 以下三种情况无需满足式(6.82>和式(6.83)强柱弱梁的要求：

①当柱所在楼层的受剪承载力比相邻上一层的受剪承载力高25% ；

②柱轴压比不超过0. 4，或柱轴力符合为2倍地震作用下的组合轴力设计 值〉；

③与支撑斜杆相连的节点。 (2) 节点域设计

为了较好地发挥节点域的耗能作用，在大地震时使节点首先屈服，要使节点域的屈服承载力满足一定要求。

①节点域的屈服承载力应符合下式要求：

工字形截面柱Vf=huhcit，箱形截面柱匕=1.8、人山 圆管截面柱匕=(矛卜人人

②节点域的稳定及受剪承载力计算。为了保证大地震作用下柱和梁连接的节点域腹板不致局部失稳，工宇形截面柱和箱形截面柱的节点域的腹板厚度应按下式验算: (6.85)

节点域的受剪承载力应满足下式要求：

(Mvhi^Mm) (6.86)

——分别为节点域两侧梁的全塑性受弯承载力； ——节点域的体积；

中——折减系数，三、四级取0.6，—、二级取0.7； /，——钢材的抗剪强度设计值；

U——钢材的屈服抗剪强度，取钢材屑服强度的0.58倍；

K，、hcl^分别为梁翼缘厚度中点间的距离，柱翼缘(或钢管直径线上管壁）厚度中点间的

距离：

K——柱在节点域的腹板厚度；ynz——节点域承载力抗震调整系数，取0.750 (3)框架柱的长细比限值

框架柱的长细比关系到钢结构的整体稳定。研究表明:钢结构刚度很大时，轴向力也会相应增大，竖向地震对框架柱的影响很大。由于几何非线性效应）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，柱的轴压比与长细比越大，弯曲变形能力越小。因此，为保障钢框架抗震的变形能力，需对框架柱的轴压比及长细比进行限制。 《抗震规范》规定的多高层钢结构框架柱的长细比限值见表6.35。

表6.35框架柱长细比限值

式中

抗震等级 -级 二级 三级 四级 长细比限值

5)中心支撑设计及构造要求

(1) 中心支撑支撑斜杆的截面要求

支撑斜杆宜采用双轴对称截面，当采用单轴对称截面时（例如双角钢组合T形截面），应采取防止绕对称轴屈曲的构造措施。 (2) 中心支撑构件的设计

当中心支撑框架的斜杆轴线偏离梁柱轴线交点不超过支撑杆件的宽度时，仍可按中心支撑框架分析，按端部铰接杆件进行分析，但应计及由此产生的附加弯矩。

中心支撑框架的支撑斜杆在地震作用下将受反复的轴力作用，支撑既可能受拉也可能受压。由于轴心受力钢构件的抗压承载力要小于抗拉承载力，因此支撑斜杆的抗震应按受压构件进行设计。试验发现支撑在反复轴力作用下有下列特点：

①支撑首次受压屈曲后，第二次屈曲荷载明显下降，而且以后每次的屈曲荷载还将逐渐下降，但下降幅度趋于收敛。

②支撑受压屈曲后的抗压承载力的下降幅度与支撑长细比有关，支律长细比越大，下降幅度越大；支撑长细比越小，下降傾度越小。

考虑支撑在地震反复轴力作用下的上述受力特征，中心支撑框架中的支撑斜杆在多遇地震作用效应组合下的抗震受压承载力按下式进行验算： -4-^^ {6.87)

688

其中’ (-) (6.89)

式中N多遇地震作用效应组合下支撑斜杆的轴向力设计值；

少——受循环荷载时的强度降低系数；

//.，——分别为钢材强度设计值和屈服强度； A、A?——支撑斜杆的长细比和正则化长细比； E——弹性模量；

rRE——支撑稳定破坏时的承载力抗震调整系数，取o.80。

人宇形支撑和v形支撑的横梁在支撑连接处应保持连续。在验算横梁时，该横梁应承受支撑斜杆传来的内力，并按不计入支撑支点作用的简支梁验算重力荷载和支撑屈曲时不平衡力作用下的承载力。不平衡力应按受拉支撑的最小屈脹承载力和受压支撑最大屈曲承载力的0.3倍计算。必要时，可将人字形和V形支撑沿竖向交替设置或采用拉链柱，以减小支撑横梁的截面，但顶层和塔屋的梁除外。

《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99M8)规定:按8度及以上抗震设防的结构，可以采用带有消能装置的中心支撑体系，如图6.43所示。此时，支撑斜杆的承载力应为消能装置滑动或屈服时承载力的1.5倍。

③支撑杆件的长细比，按压杆设计时，不宜大于120中心支撑杆一、二、三级时不得采用拉杆

设计，四级时可采用拉杆，其长细比不宜大于180 ④支撑杆件的板件宽厚比或径厚比，综合考虑了国外的震害经验及相关研究成果，不应大于表6.36规定的限值。采用节点板连接时，应注意节点板的强度和稳定性。

96.43親能中心支镡体系 表6.36中心支?板件宽厚比限值 板件名称 抗震等级 -级 级 三级 四级 翼缘外仲部分 8 9 10 13 +T.字形截面腹板 25 26 27 33 箱形截面壁板 】8 20 25 30 圆管外径与壁厚比 38 40 40 42 注:表列数值适用于Q23S钢，采用其他牌号钢材1?乘[?'/f，?!管应乘以f。

(3)框架-中心支撑结构的框架部分

当房屋高度不大于100m且框架部分按计算分配的地震作用不大于结构底部总地震剪力的25%时，一、二级的抗震构造措施可按框架结构降低一级的相应要求采用，其他抗震构造措施应符合纯框架结构的相关规定。 M偏心女撑设计及构造要求

(1) 偏心支撑框架构件的内力设计值调整 偏心支撑框架的设汁基本理念，是在罕遇地震作用下仅使消能梁段进人屈服状态（塑性状态），而其他构件（支撑斜杆、柱和非消能梁段）仍处于弹性状态。通过消能梁段的屈服消耗地震能量，从而达到保护其他构件不破坏和防止结构整体倒塌的H的。设计良好的偏心支撑框架，除柱脚有可能出现塑性钦外，其他塑性铰均出现在梁段上。因此，偏心支掙框架的设计原则是强柱、强支撑和弱消能梁段。

为实现弱消能梁段要求，需对多遇地震作用下偏心支撑框架除消能梁段之外的构件(支撑斜杆、非消能梁段及框架柱）的组合内力设计值进行调整，支撑斜杆、柱和非消能梁段均按消能梁段达到受剪承载力（即受剪屈服〉时的状态计算内力，并考虑消能梁段的实际有效超强系数，对计算出的内力进行调整u具体要求如下：

①支撑斜杆的轴力设计值，应取与支撑斜杆相连接的消能梁段达到受剪承载力时支撑斜杆的轴力与增大系数的乘积，增大系数一级不应小于1.4、二级不应小于1.3、三级不应小于1.2。 ②与消能梁段处于同一跨的框架梁的内力设计值，应取消能梁段达到受剪承载力时框架梁内力与增大系数的乘积，增大系数一级不应小于1.3、二级不应小于1.2、厂.级木应小于1.1。 ③框架柱的内力设计值，应取消能梁段达到受剪承载力时柱内力*5增大系数的乘积，其增大系数一级不应小于1.3、二级不应小于1.2、三级不应小于1.1。

支撑斜扦与消能梁段连接的承载力，不得小于支撑的承载力。若支撑箝抵抗弯矩，支撑与梁的连接应按抗压弯连接设计。为使支撑斜杆能承受消能梁段的梁端弯矩，支撑与梁段的连接应设计成刚接。

(2) 消能梁段的抗震验算

偏心支撑框架的每根支撑应至少-?端与梁连接，并在支撑与梁交点和柱之间的区段或同一跨内相邻两个支撑与梁交点之间的区段形成消能梁段。消能梁段是偏心支撑框架所特有的构件，为使其在地震时屈服而消耗地震能量，其受剪承载力应符合下列公式要求：

当/V?0.154/■时，

(6.90)

(6.92)

(6.93)(6.94)(6.95)

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