第六章-多层和高层钢结构房屋的抗震设计

第六章多层和高层钢结构房屋的抗震设计第一节多高层钢结构建筑主要震害现象及其分析一、多高层钢结构的主要震害特征在同等场地、同等条件下，钢结构房屋的震害较钢筋混凝土结构房屋的震害要小。1.节点连接破坏(1)框架梁柱节点破坏(2)支撑连接破坏支撑是框架-支撑结构中最主要的抗侧力部分，一旦地震发生它将首当其冲承受水平地震作用，如果某层的支撑发生破坏，将使该层成为薄弱楼层，造成严重后果。2.构件破坏(1)支撑压屈地震时支撑所受的压力超过其屈曲临界力时，即发生压屈破坏。(2)梁柱局部失稳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现象，进而引发低周疲劳和断裂破坏。(3)钢柱脆性断裂3.结构倒塌规则对称的结构体系对抗震将十分有利。二、钢结构房屋的抗震性能钢框架结构构造简单、传力明确，侧移刚度沿高度分布均匀，结构延性好，但抗侧力刚度差。这种结构体系适合于建造20层以下的中低层房屋。钢框架-支撑体系可分为中心支撑体系和偏心支撑体系。地震作用下中心支撑的变形偏心支撑框架的消能机制化学工业出版社中心支撑结构使用中心支撑构件，增加了结构抗侧移刚度，可更有效地利用构件的强度，提高抗震能力，适合于建造更高的房屋结构。在强烈地震作用下，支撑结构率先进入屈服，可以保护或者延缓主体结构的破坏，这种结构具有多道抗震防线。中心支撑框架结构构件简单，实际工程应用较多。但是由于支撑构件刚度大，受力较大，容易发生整体或者局部失稳，导致结构总体刚度和强度降低较快，不利于结构抗震能力的发挥，必须注意其构造设计。化学工业出版社带有偏心支撑的框架-支撑结构，具备中心支撑体系侧向刚度大、具有多道抗震防线的优点，还适当减少了支撑构件的轴向力，进而减小了支撑失稳的可能性。由于支撑点位置偏离框架接点，便于在横梁内设计用于消耗地震能量的消能梁段。强震发生时，消能梁段率先屈服，消耗大量地震能量，保护支撑斜杆不屈曲或屈曲在后，形成了新的抗震防线，使得结构整体抗震性能，特别是结构延性大大加强。这种结构体系适合于在高烈度地区建造高层建筑。第二节抗震设计的一般规定一、多高层钢结构的体系与结构布置我国建筑抗震设计规范对钢结构的抗震措施，一般以12层为界区分。有抗震要求的多高层钢结构的体系主要有框架体系、框架-支撑(抗震墙板)体系、筒体体系(框筒、筒中筒、桁架筒、束筒等)或巨型框架体系。1.框架体系化学工业出版社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。(1)中心支撑中心支撑是指斜杆与横梁及柱汇交于一点，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。化学工业出版社中心支撑是常用的支撑类型之一，因具有较大的侧向刚度，对减小结构的水平位移和改善结构的内力分布是有效的，但在往复的水平地震作用下，会产生下列后果：①支撑斜杆重复压曲后，其抗压承载力急剧降低；②支撑的两侧柱子产生压缩变形和拉伸变形时，由于支撑的端节点实际构造做法并非铰接，引发支撑产生很大的内力和应力；③斜杆从受压的压曲状态变为受拉伸状态，将对结构产生冲击作用力，使支撑及其节点和相邻的结构产生很大的附加应力。化学工业出版社(2)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消能梁段，或在两根支撑斜杆之间构成一消能梁段的支撑。偏心支撑改变支撑斜杆与梁(消能梁段)的先后屈服顺序，罕遇地震时，消能梁段在支撑失稳之前就进入弹塑性阶段以利用非弹性变形进行消能，从而保护支撑斜杆不屈曲或屈曲在后。因此，偏心支撑与中心支撑相比具有较大的延性，它适用于高烈度地区。化学工业出版社3.框架-抗震墙板体系框架-抗震墙板体系是以钢框架为主体，并配置一定数量的抗震墙板。由于抗震墙板可以根据需要布置在任何位置上，布置灵活。另外抗震墙板可以分开布置，两片以上抗震墙并联体较宽，从而可减小抗侧力体系等效高宽比，提高结构的抗推和抗倾覆能力。抗震墙板主要有以下三种类型：(1)钢抗震墙板(2)内藏钢板支撑抗震墙板(3)带竖缝混凝土抗震墙板内藏钢板剪力墙与框架连接带竖缝剪力墙与框架连接4.筒体体系根据筒体的布置、组成、数量的不同，筒体结构体系可分为框架筒、桁架筒、筒中筒以及束筒等。化学工业出版社5.巨型框架体系一般高层钢结构梁、柱、支撑为一个楼层和一个开间内的构件，如果将梁、柱、支撑的概念扩展到数个楼层和数个开间，则可构成巨型框架结构。其由柱距较大的立体桁架柱及立体桁架梁构成。立体桁架梁应沿纵横向布置，并形成一个空间桁架层，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，并将其通过此框架结构的柱子传递给立体桁架梁及立体桁架柱。这种体系能在建筑中提供特大空间，具有很大的刚度和强度。化学工业出版社二、钢结构房屋的结构选型钢结构房屋适用的最大高度(m)结构类型6、7度8度9度框架1109050框架-支撑(抗震墙板)220200140筒体(框筒、筒中筒、衍架筒、束筒)和巨型框架300260180注：1.房屋高度指室外地面到主要屋面板板顶的高度(不包括局部突出屋顶部分)；2.超过表内高度的房屋，应进行专门研究和论证，采取有效的加强措施。烈度6、789最大高宽比6.56.05.5钢结构民用房屋适用的最大高宽比注：计算高宽比的高度应从室外地面算起。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；超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。化学工业出版社三、结构的平、立面布置1.平面布置多高层钢结构的平面布置宜符合下列要求：(1)建筑平面宜简单规则，并使结构各层的抗侧力刚度中心与质量中心接近或重合，同时各层刚心和质心接近在同一竖直线上；建筑的开间、进深宜统一。(2)为避免地震作用下发生强烈的扭转振动或水平地震力在建筑平面上的不均匀分布，建筑平面的尺寸关系应符合下表和下图。当钢框筒结构采用矩形平面时，其长宽比不宜大于1.5：1，不能满足此项要求时，宜采用多束筒结构。L/BL/Bmaxl/bl´/BmaxB´/Bmax≤5≤4≤1.5≥1≤0.5L，l，l´，B´的限值化学工业出版社(3)由于钢结构可承受的结构变形比混凝土结构大，故高层建筑钢结构不宜设置防震缝，但薄弱部位应采取措施提高抗震能力。当建筑平面尺寸大于90米时，可考虑设温度伸缩缝，抗震设防的结构伸缩缝应同时满足防震缝要求。需要设置防震缝时，缝宽应不小于相应钢筋混凝土结构房屋的1.5倍，框架-支撑体系结构的防震缝宽度可取此数值的70%；筒体体系及巨型结构体系结构的防震缝宽度可取此数值的50%，但均不宜小于70毫米。(4)结构平面应尽量避免扭转不规则、凹凸不规则、楼板局部不连续等布置形式。在平面布置上具有下列情况之一者，也属平面不规则结构：化学工业出版社①任一层的偏心率大于0.15。偏心率可按下列公式计算；式中εx、εy——分别为所计算楼层在x和y方向的偏心率；ex、ey——分别为x和y方向水平作用合力线到结构刚心的距离；rex、rey——分别为x和y方向的弹性半径；∑Kx、∑Ky——分别为所计算楼层各抗侧力构件在x和y方向的侧向刚度之和；KT——所计算楼层的扭转刚度；x、y——以刚心为原点的抗侧力构件坐标。exyx/reeyxy/rexTex/KKryTey/KKr化学工业出版社②结构平面形状有凹角，凹角的伸出部分在一个方向的长度，超过该方向建筑总尺寸的25%；③楼面不连续或刚度突变，包括开洞面积超过该层总面积的50%；④抗水平力构件既不平行于又不对称于抗侧力体系的两个互相垂直的主轴。属于上述情况第①、④项者应计算结构扭转的影响，属于第③项者应采用相应的计算模型，属于第②项者应采用相应的构造措施。2.竖向布置抗震设防的高层建筑钢结构，宜采用竖向规则的结构。在竖向布置上具有下列情况之一者，为竖向不规则结构：(1)楼层刚度小于其相邻上层刚度的70%，且连续三层总的刚度降低超过50%。(2)相邻楼层质量之比超过1.5(建筑为轻屋盖时，顶层除外)。(3)立面收进尺寸的比例为L1/L＜0.75（右图）。(4)竖向抗侧力构件不连续。(5)任一楼层抗侧力构件的总受剪承载力，小于其相邻上层的80%。化学工业出版社3.支撑的设计要求在框架-支撑体系中，可使用中心支撑或偏心支撑。不论是哪一种支撑，均可提供较大的抗侧移刚度。中心支撑框架宜采用交叉支撑、人字支撑、斜杆支撑，不宜采用K形支撑，因为后者对柱子易形成抗剪集中现象。支撑的轴线应交汇于梁柱构件轴线的焦点，确有困难时偏离中心不应超过支撑杆件的宽度，并计入由此产生的附加弯矩。偏心支撑框架的每根支撑至少有一根与框架梁相连接，消能梁段应设计成具有饱满滞回能力的塑性铰消能机构。四、结构布置的其他要求1.钢结构房屋的楼板钢结构房屋的楼板主要有在压型钢板上现浇混凝土形成的组合楼板和非组合楼板、装配整体式钢筋混凝土楼板、装配式楼板等。一般宜采用组合楼板或者非组合楼板；对不超过12层的钢结构尚可采用装配整体式钢筋混凝土楼板，亦可采用装配式楼板或者其他轻型楼盖。压型钢板组合楼板2.钢结构房屋的地基、基础和地下室(1)高层建筑钢结构的基础形式应根据上部结构、工程地质条件、施工条件等因素综合确定，宜选用筏基、箱基、桩基或复合基础。当基岩较浅、基础埋深不符合要求时，应采用岩石锚杆基础。(2)钢结构高层建筑宜设地下室。抗震设防建筑的高层结构部分，基础埋深宜一致，不宜采用局部地下室。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；框架柱应至少延伸至地下一层。(3)设置地下室的钢结构房屋的基础埋置深度，当采用天然地基时不宜小于房屋总高度的1/15；当采用桩基时，桩承台埋深不宜小于房屋总高度的1/20。(4)当主楼与裙房之间设置沉降缝时，应采用粗砂等松散材料将沉降缝地面以下部分填实，以确保主楼基础四周的可靠侧向约束；当不设沉降缝时，在施工中宜预留后浇带。(5)在高层建筑钢结构与钢筋混凝土基础或地下室的钢筋混凝土结构层之间，宜设置钢骨混凝土结构层。化学工业出版社第三节多层和高层钢结构房屋的抗震设计一、一般计算原则多高层建筑钢结构的抗震设计采用两阶段设计方法，即第一阶段设计应按多遇地震计算地震作用，第二阶段设计应按罕遇地震计算地震作用。第一阶段设计时，地震作用应考虑下列原则：(1)通常情况下，应在结构的两个主轴方向分别计入水平地震作用，各方向的水平地震作用应全部由该方向抗侧力构件承担。(2)当有斜交抗侧力构件时，宜分别计入各抗侧力构件方向的水平地震作用。(3)质量和刚度明显不均匀、不对称的结构，应计入水平地震作用的扭转效应。(4)按9度抗震设防的高层建筑钢结构，或者按8度和9度抗震设防的大跨度和长悬臂构件，应计入竖向地震作用。化学工业出版社1.结构自震周期钢结构的计算周期，应采用按主体结构弹性刚度计算所得的周期，对于重量及刚度沿高度分布比较均与的高层钢结构，基本自震周期可按顶点位移法计算：nT1ξ7.1uT式中un——结构顶层假想侧移(m)，即假想将结构各层的重力荷载作为楼层的集中水平力，按弹性静力方法计算所得到的顶层侧移值；ξT——考虑非结构构件影响的周期修正系数，可取0.9。初步设计时，基本周期可按经验公式T1＝0.1n估算，n为建筑物层数，不包括地下室部分及屋顶小塔楼。化学工业出版社2.多高层建筑钢结构的设计反应谱多高层钢结构的阻尼比较小，按反应谱法计算多遇地震下的地震作用时，超过12层的钢结构建筑的阻尼比可取为0.02，不超过12层的钢结构建筑的阻尼比可取为0.035。但计算罕遇地震下的地震作用时，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。3.水平地震作用计算高层建筑钢结构采用底部剪力法时，可按下式计算顶部附加地震作用系数：05.0811nT不符合底部剪力法适用条件的其他高层钢