建筑结构抗震设计(3)(6)

——分别为消能梁段的受剪承载力和计入轴力影响的受剪承载力；

Mlp——消能梁段的全塑性受弯承载力；

A.A.——分别为消能梁段的截面面积和腹板截面面积；

~分别为消能梁段的长度、截面高度、腹板厚度和翼缘厚度； Wp——消能梁段的塑性截面模量；

——分别为消能梁段钢材的抗压强度设计值和屈服强度； V——系数，取0.9；

——消能梁段承载力抗震调整系数，取0.75。 (3)构造要求

①为使消能梁段具有良好的延性和消能能力，偏心支撑框架消能梁段的钢材屈服强度不应大于345MPa。消能梁段及与消能梁段同一跨内的非消能梁段，其板件的宽厚比不应大于表6.37限定的数值。

表6.37偏心支揀框架梁的板件宽庳比限值 板件名称 宽厚比隈值 *缘外伸部分 8 腹当知CU4时 33i31H板 当点>0」4时 (-4) 注:表列数值适用于Q235钢，当材料为其他钢号时应乘为梁轴压比。

②偏心支撑框架的支撑杆件的长细比不应大于120支撑杆件的板件宽厚比不应超过《钢结构设计

规范》(GB50017)规定的轴心受压构件在弹性设计时的宽厚比限值。

③偏心支撑框架的抗震设计应保证罕遇地震下结构的屈服发生在消能梁段上，因而要求框架柱的承载力和支撑的承载力髙于消能梁段的承载力。消能梁段的屈服形式有两种，分别为剪切屈服型和弯曲屈服型。试验和分析表明:剪切屈服型消能梁段支撑棺架的刚度和承载力较大，延性和耗能性能较好。为使消能梁段在反复荷载作用下具有良好的滞回性能，宜将其设计成剪切屈服型，为此消能梁段的长度a应满足下列要求。

当；V>0.16/1/时，消能梁段的长度应符合下列规定： 当 <0.3时，a<1.6$ (6.96) A ' (6.97) 当P(》)>0.3时[1.15-0.5p(^)]l.6-j^

式中P——消能梁段轴向力设计值与剪力设计值之比，p=a——消能梁端的长度。

其余符号含义见上文。

由于腹板上貼焊的补强板不能进入弹塑性变形，且在腹板上开洞会影响其弹塑性变形能力，因此消能梁段的腹板不能采用加焊贴板提高强度，也不得在腹板上开洞。

消能梁段与支撑连接处，应在其腹板两侧配置加劲肋，以传递梁段的剪力并防止连梁腹板屈曲。加劲肋的高度应为梁腹板高度，一侧的加劲肋宽度不应小于|~(.，厚度不应小于15t，和10mm的较大值。

为保证在塑性变形过程中消能梁段的腹板不发生局部屈曲，消能梁段中部应设加劲肋。加劲肋间距应根据消能梁段长度a确定，当加劲肋长度较短时一般发生剪切型屈服，加劲肋间距较长时易发生弯曲型屈服，中等长度时需同时满足剪切屈服型和弯曲屈服型的要求。具体设置要求为： 当a 时，加劲肋间距不大于30!?-+；

当■时，应在距消能梁段端部1.56f处配置中间加劲肋，且中间加劲肋间距不应大于52t?-h/5j

当时，中间加劲肋的间距宜在上述二者间线性插入； 当《>|时，可不配置中间加劲肋?

中间加劲肋应与消能梁段的腹板等髙，当消能梁段截面高度不大于640mm时，町配置单侧加劲肋，消能梁段截面高度大于640mn.时，应在两侧配置加劲肋，一侧加劲肋的宽度不应小于+-/，，厚度不应小于和10mm。

④为使消能梁段两端能承受平面外扭转，应在消能梁段两端上下翼缘处设置侧向支撑，支撑的轴力设计值不得小于消能梁段翼缘轴向承载力设计值的6%，即其值&0.06^/。

与消能梁段处于同一跨内的框架梁，同样承受轴力和弯矩，为保持其稳定，也需设置翼缘的侧向支撑，不过支撑的轴向承载力可较低。规范要求:非消能梁段上下翼缘侧向支撑的轴力设计值不得小于梁冀缘轴向承载力设计值的2%，即其值务0.02。

⑤框架-偏心支撑结构的框架部分，当房屋高度不高于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、三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对框架结构的相应规定。 7>剪力墙板设计及构造要求

带竖缝钢筋混凝土墙板可仅承受水平荷载产生的剪力，不承受竖向荷载产生的压力。

钢板剪力墙用钢板或带加劲肋的钢板制成。《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99-98)要求:非抗震设计及按6度抗震设防的建筑，采用的钢板剪力墙可不设置加劲肋；按7度及7度以上抗震设防的建筑，钢板剪力墙宜设置纵横两个方向的加劲肋，以减少加劲肋区内的钢板宽厚比，防止局部失稳，且宜两个方向设置加劲肋，以提卨板的临界应力。 8)连接设计及构造要求 (1) 连接抗震设计的原则

钢结构的连接对结构受力有着重要影响，是保证钢结构安全的重要部位。如震害特征中所分析，连接破坏数量是钢结构震害中最常见的，许多钢结构都是由于节点首先破坏而导致建筑物整体破坏的，因此连接设计是整个设计中的重要环节，需要精心对待。当非抗震设防时，应按结构处于弹性受力阶段设计；当抗震设防时，为了满足“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设防目标，应按结构进人弹塑性阶段设计。连接的承载力应高于构件截面的承载力，以保证连接不先于构件破坏，保证构件能充分发挥作用。为此，对于钢结构的所有连接，除应按地震组合内力进行弹性设计验算外，还应进行“强连接弱构件”原则下的极限承载力验算。即对连接应做二阶段设计，在第一阶段，钢结构抗侧力体系构件连接的承载力设计值，不应小于相邻构件的承载力设计值，髙强度螺栓连接不得滑移；在第二阶段，连接的极限承载力应大于相连构件的屈服承载力。第一阶段要求按构件承载力而不是设计内力进行连接计算，是考虑设计内力较小时将导致连接件型号和数量偏少，或焊缝的有效截面尺寸偏小，给第二阶段连接设计带来困难。另外，高强度缧栓滑移对钢结构连接的弹性设计是不允许的。 钢结构的连接，根据具体情况可采用焊接、高强螺栓连接或栓焊混合连接。节点的焊接连接，根据情况可采用全熔透或部分熔透焊缝，对于要求与母材等强的焊接连接及框架节点塑性区段的焊接连接，必须采用全熔透焊缝。 (2) 梁与柱连接的极限承载力验算

梁与柱刚性连接的极限承载力，应按式(6.98)、式(6.99)验算： K^ (6.98) Vi>1.2(2M/??)+FGh (6.99)

在柱贯通型连接中，当梁翼缘用全熔透焊缝与柱连接并用引弧板时，可不验算连接的受弯承载力。

(3) 支撑连接的承载力验算

支撑与框架的连接处和梁、柱、支撑的拼接处，连接在支撑轴线方向的极限承载力，应分别符合式(6.100)、式(6.101)、式(6.102)要求：

610

支撑连接和拼接 /VI&v，K^ (.°)

梁的拼接 M[b，!p&ViMe (6.101) 柱的拼接 （6.102) (4)柱脚与基础的连接承载力验算柱脚与基础的连接承载力，应按式(6.103)验算 ^>V.M^ (6.103)

式中^分别为梁的塑性受弯承载力和考虑轴力影响时的柱的塑性受弯承载力；M：，F；——分别

为连接的极限受弯、受剪承载力； 别为支撑连接和拼接，梁、柱拼接的极限受压(拉）、受弯承载力；——柱脚的极限受弯承载力；

—梁在重力荷载代表值(9度高层建筑尚应包栝竖向地震作用标准值)作用下，按简支梁分析

的梁端截面剪力设计值；

/?——梁的净跨(梁贯通时取该楼层柱的净高）； A?——支撑杆件的截面面积；

V；——连接系数，可按表6.38采用。 表6.38钢结构運接抗震设计的连接系数％ 母材梁柱连接 支撑连接，构柱脚 螺栓焊接 螺栓牌号 焊接 Q235 1.40 1.45 1.25 1.30 埋人1.2 Q345 1.30 1.35 1.20 1.25 外包1.2 Q345GJ 1.25 1.30 1.15 1.20 外思1.1

注:①MKS度高于Q345的钢材，按Q345的规定采用；

②ffl服强度高于Q345CJ的GJ钢材，按Q345GJ的规定采用i

③翼缘焊接，?极栓接时，3接系数分别按表中的相应连接形式取用。 (5)梁与柱的连接构造要求

梁与柱的连接是钢结构设计中的关键环节，连接的好坏，构造处理是否得当，关系到整体结构的抗震性能。1994年美国加州地震和1995年日本阪神地震中，钢框架梁柱节点破坏严重，因这两个国家节点的构造不同，破坏特点也不完全相同。《抗震规范》基于我国钢框架梁柱节点的实际做法，参照震害及改进措施，对梁柱节点的构造进行如下规定：

①梁与柱的连接宜采用柱贯通型。

②在两个互相垂直的方向都与梁刚接时，宜采用箱形截面，并在梁翼缘连接处设置隔板。隔k采用电渣焊时，柱壁板厚度不小于16mm，当小于16mm时可改用工字形柱或采用贯通式隔板。当柱仅在一个方向与梁刚接时宜采用工字型截面，并将柱腹板置于刚接框架平面内。

框架梁采用悬臂梁段与柱刚性连接时，悬臂梁段与柱应采用全焊接连接，此时上下翼缘焊接孔的形式宜相同；梁的现场拼接可采用翼缘焊接腹板螺栓连接或全部蟪栓连接。

《抗震规范》对于工字形柱（绕强轴）和箱形柱与梁刚接时，也给出了详细的构造要求。 罕遇地震作用下，框架节点将进人塑性区，因此需保证节点的整体性。当梁与柱刚性连接时，要求柱在梁翼缘上下各500n.m的节点范围内，柱翼缘与柱腹板间或箱形柱壁板间的连接焊缝应采用全熔透坡口焊缝3

(6)柱与柱及柱脚的连接构造要求 钢框架宜采用工宇形柱或箱形柱，箱形柱宜为焊接柱。框架柱的接头一般应处于柱受力较小的部位，<抗震规范》规定框架柱接头宜位于框架梁t：方1.3m附近，或柱净高的一半，取二者较小值。上下柱的对接接头应采用全熔透焊缝，柱拼接接头上下各100mm范围内，工字形柱31缘与腹板间及箱形柱角部壁板间的焊缝，应采用全培透焊缝。

6.1 结构平面、竖向布置时应遵循哪些原则？结构平面、竖向不规则各包括哪些主要类型？ 6.2 什么情况下应考虑设置防震缝，防震缝的最小缝宽应满足哪些要求？

6.3 多髙层钢筋混凝土结构抗震等级划分的主要依据是什么？ 6.4 结构延性的作用包括哪些方面？

6.5 什么是承载力级差调整，调整的原则是什么？ 6.6 框架结构梁、柱设计的控制截面分别在哪里？梁、柱控制截面的承载力设计应考虑哪些影响因素？

6.7 框架结构在哪些部位应加密箍筋？加密箍筋的主要目的是什么？ 6.8 多层砌体房屋的层数和总高度限值与哪些因素相关？ 6.9 简述多层砌体房屋的抗震计算步骤。

6.10 多层砌体房尾中设置圈梁、构造柱的作用是什么？

6.11 底部框架-抗震墙房屋的“两道抗震防线”思想是如何体现的？ 6.12 钢结构在地震中的破坏有何特点？

6.13 钢框架柱发生水平断裂破坏的可能原因是什么？

6.14 在高层钢结构的抗震设计中，为何宜采用多道抗震防线？ 6.15 偏心支撑框架体系有何优缺点？'

6.16 对于框架-支撑结构体系，为什么要求框架任一楼层所承担的地震剪力不得小于一定的数谊？

6.17 高层钢结构抗震设计中广?虽柱弱梁”的设计原则是如何实现的？ 6.18 中心支撑钢框架抗震设计应注意哪些问题？ 6.19 偏心支撑钢框架抗震设计应注意哪些问题？ 结构控制初步

前几章讲述的关于结构抗震设计的理论、方法和措施，均建立在提高结构和构件的抗震承载能力和变形能力的基础上。当结构遭遇相当于(或大于)基本烈度的地震袭击时，往往需要依靠结构和构件的塑性变形来耗散地震输入结构的能量，而塑性变形对结构而言实际是一种损伤e传统的抗震设计方法一方面要利用结构的塑性变形能力或延性来减轻地震反应，另方面又要使结构不发生严重的损伤(如倒塌），其实质可以说是对相互矛盾的目标进行某种妥协和折衷。1989年美国加州LomaPrieta地震、1994年美国加州Northridge地震、1995年日本阪神地震、1999年土耳其Duzce地震及我国台湾地震，都说明传统的抗震设计方法虽然对提高结构抵御地震灾害的能力发挥了较大作用，但也存在结构安全性难以保证、适应性受到限制、经济性欠佳、震后修复难度大、修复所需时间较长等一系列问题。此外，对于一般性建筑物，由于建筑物装修与内部设备的破坏，会造成较大的经济损失；对于某些生命线工程（如电力、通信部门的核心建筑），由于结构及内部设备的破坏会导致生命线网络的瘫痪，所造成的损失更是难以估量。因此，在传统抗震设计理论的基础上，人们一直在寻求结构抗震新理论和新技术。结构控制理论与实践，便是这种努力的结果。

结构控制是在结构中设置控制系统，使结构和控制系统共同抵御外界动荷载的作用，达到控制结构形态、减轻结构动力响应的目的。控制技术最初在机械、宇航和船舶等领域得到广泛应用，而在土木工程界的研究则始于20世纪70年代初美籍华裔学者姚治平对结构控制这一概念的提出。此后，结构控制技术得到了迅速发展，近40年的理论和实践表明:结构控制技术可以有效地减轻结构在风和地震作用下的反应和损伤，有效地提高结构的抗震能力和防灾性能。 依据是否需要外界能源，结构控制主要分为被动控制、主动控制、半主动控制、混合控制以及近年来发展起来的智能控制。

被动控制

被动控制也称；C源控制，主要包括隔震和减震两大类控制技术，它不需要外部输入能量，仅通过控制系统改变结构系统的动力特性达到减轻动力响应的B的。被动控制因其构造简单、造价低、易于维护且无须外部能源支持等优点而成为目前开发应用的热点，许多被动控制技术巳日趋成熟，并C在实际工程中得到应用。

(1)隔震

通过某种隔离装置将地震动与结构隔开，以达到减小结构振动的B的。根据隔震层位置不同，隔震方法主要包括基底隔震、地下室隔震和楼层隔震等类型。 ⑵减震

通过采用一定的耗能装置或附加P结构吸收或消耗地震传递给主体结构的能量，从而减轻结构的振动。减震方法主要包括消能减震、吸振减震、冲击烕震等类型。 2>主动控制

主动控制是一种需要外部能源驱动的结构控制技术，它，通过自动控制系统主动地对结构施加控制力，以达到减小结构振动的目的。 3) 半主动控制

半主动控制是以被动控制为基础.利用控制机构来主动调节系统内部的参数，对被动控制系统的工作状态进行切换，使结构控制处于最优状态。与主动控制相比，半主动控制所需的外部能量较少，容易实施且更为经济，而控制效果又与主动控制相近，因此具有较好的应用潜力。

4) 屁合控制

混合控制也称杂交控制，是上述三类控制的混合应用。在结构上同时施加主动控制和被动控制，整体分析其响应，既克服纯被动控制的应用周限，也减小控制力，进而减小外部控制设备的功率、休积、能源和维护费用。 5>拽能控制

以智能控制理论为基础，将结构设计成具有感知、辨识、优化和控制功能的智能系统（结构），使其能够感知外界和内部状态与件能的变化，并根据变化的具体特征对引起变化的因素进行辨识，进而采取最优或近优控制策略以使系统对上述因素做出合理的响应。

目前，就各种控制技术而言，被动控制技术相对比较成熟且已基本进人实用阶段，而其他控制技术则处于研究、探素仅部分应用亍丁.程实践的阶段。以我国为例，H前大约有570多栋房屋采用了隔震技术，25栋房屋采用了消能减震技术，12栋房屋采用了吸振减震技术，5座桥梁采用了主动控制和半主动控制技术n 7-1隔震原理与方法 7.1.1隔震原理

这里主要介绍基底隔霞技术，其基本思想是在结构物地面以上部分的底部设置隔震层， 使之与固结于地基中的基础顶面分离开，从而限制地震动向基础上部结构物的传递。国内外大量试验和工程经验表明:隔震一般可使结构的水平地震加速度反应降低60%左右，从而提高建筑物及其内部设施和人员遭遇地震时的安全性，保证建筑物震后可继续使用。隔震的技术原理可通过图7.1说明:首先，隔震层通常具有较大的阻尼，从而使结构所受地英作用较非隔震结构有较大的衰减；其次，隔震层具有较小的侧向刚度，从而大大延长了结构物的周期，使结构加速度反应得到进一步降低(见图7.1(a))；与此同时，结构位移反应会在一定程度上增加（见图7.1(b))。

圏7.1隔震原理

考虑到以上技术原理，在进行基底隔震结构设计时应注意:一是，在满足必要的竖向承载力的前提下，隔震装置的水平刚度应尽可能小，以使结构周期尽可能远离地震动的卓越周期范围；二是，保证隔震结构在强风作用下不致有太大的位移。为此，通常要求在隔震结构系统底部安装风稳定装置或用阻尼器与隔震装置联合构成基底隔震系统。

7.1.2隔震结构分析模型

隔籐结构体系的动力分析模型可根据具体情况选用单质点模型、多质点模型甚至空间分析模

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