第8章+钢结构抗震与防火设计要点

第八章钢结构抗震与防火设计要点天津丽苑钢结构住宅天津丽苑钢结构住宅青岛即墨钢结构住宅莱钢开发的青岛即墨钢结构住宅•多、高层钢结构的特点•20世纪开始，钢结构高层建筑在美国大量建成，最具代表性的：102层、高381m的纽约帝国大厦，110层、高411m的世界贸易中心和110层、高443m的芝加哥西尔斯大厦等。高层建筑采用钢结构具有良好的综合经济效益和力学性能，其特点主要表现在：•自重轻•抗震性能好•有效使用面积高•建造速度快•防火性能差高层建筑钢结构的结构体系•常用的高层建筑钢结构的结构体系主要有：框架－剪力墙结构体系框架结构结构体系框架－支撑结构体系框架－核心筒结构体系筒体结构体系多高层结构的常见类型：框架结构、框剪结构、筒体结构。【上海环球金融中心】位于陆家嘴金融贸易区，建筑总面积335,420平方米，地下3层，地上94层。建成后的高度达460米。总用钢量26000t，钢筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱。国内近年钢结构的工程实例【上海金茂大厦】由中国上海对外贸易中心股份有限公司独家投资5.6亿美元建设的一座88层的超高层大厦,建筑高度420.5米,建筑面积28.9万平方米,于1998年8月28日竣工。总用钢量14000t,钢筋混凝土核心筒,外框钢骨混凝土及钢柱。设计者为美国S.O.M事务所。北京银泰大厦高度250米，50层。钢框架——筒体结构（筒体为内嵌钢板墙）•天津津塔•高度333米，83层•钢框架——筒体（钢板墙）体系广州合景大厦•钢框架——支撑体系•40层，180米。厦门洪文世界山庄二期•48层，188米•钢框架——支撑（含钢板墙）体系框架结构最早用于高层建筑柱距宜控制在6～9m范围内次梁间距一般以3～4m为宜平面布置较灵活刚度分布均匀延性较大自振周期较长对地震作用不敏感框架结构主要优点横向跨度方向纵向跨度方向横向柱列纵向柱列框剪结构框架结构上设置适当的支撑或剪力墙亦可二者皆设置•用于地震区时，具有双重设防的优点•可用于不超过40～60层的高层建筑框剪结构的特点钢筋混凝土结构:需采取构造措施钢板结构(8～9mm厚钢板)研究表明，在侧向刚度相同时，钢板剪力墙的框剪结构比框架结构用钢量少。剪力墙：框筒结构框筒结构是筒体结构的一种结构布置（筒中筒）适用的建筑高度可超过90层（因横向刚度较大）结构及受力特点：1）内部设置剪力墙式的内筒，与及其他竖向构件主要承受竖向荷载；2）外筒体采用密排框架柱和各层楼盖处的深梁刚接，形成一个悬臂筒（竖直方向）以承受侧向荷载；3）同时设置刚性楼面结构作为框筒的横隔。束筒结构由各筒体之间共用筒壁的一束筒状结构组成(减缓框筒结构的剪力滞后效应)可较灵活地组成平面形式钢筋混凝土筒体(常作为内筒出现)可将各筒体在不同的高度中止密柱深梁的钢结构筒体筒体结构种类结构体系非抗震设防抗震设防烈度钢结构框架-支撑（剪力墙板）各类筒体1102603601102203009020026050140180钢框架-混凝土剪力墙22018010070有混凝土剪力墙的钢结构220180150706,789框架钢框架-混凝土核心筒钢框筒-混凝土核心筒钢结构和有混凝土剪力墙的钢结构高层建筑的适用高度（m）芯筒体系亦称悬挂结构；打破了密柱深梁对建筑设计的桎梏；实现优势互补（充分发挥钢结构抗拉强度高和钢筋混凝土结构抗压性能好的优势）；通常设置一些称为帽桁架和腰桁架的水平桁架。支撑框筒结构或桁架筒体结构•支撑系统覆盖了整个建筑物表面；•是较框筒结构更为优越的抗侧力体系。•由于框架结构的适用高度较小，高层钢结构一般采用框架—支撑体系。实例分析主要以各类支撑为主要对象。纵向柱列横向柱列L纵向柱列横向柱列支撑的形式和布置支撑的形式和布置在水平力作用下,支撑顶部将产生很大的水平变位。此时可在顶层设置帽桁架及在中间某层设置腰桁架。帽桁架和腰桁架使外围柱与核心抗剪结构共同工作,可有效减小结构的侧向变位,刚度也有很大提高。腰桁架的间距一般为12-15层,腰桁架越密整个结构的简体作用越强〈这种结构通常被称为部分筒体结构体系),当仅设一道腰桁架时,最佳位置是在离建筑顶端0.455H高度。楼面、屋顶活荷载和雪荷载的标准值及其准永久系数规定；层数较少的多层建筑应考虑活荷载的不利分布。竖向荷载对一般建筑结构的重现期为50年；对高层建筑采用的重现期可适当提高基本风压乘以系数1.1计之。风荷载高层钢结构抗震设计应进行多遇地震作用及罕遇地震作用两阶段的抗震计算。地震荷载高层钢结构结构荷载防震逢设置问题•防震逢设置不当而导致高层建筑在地震时相互碰撞的破坏后果是严重的；•高层建筑在发生地震时具有很大的侧向位移，防震缝的合理设置是困难的；•因此高层建筑一般不宜设置防震缝；•高层钢结构建筑，一般也无须设置温度缝；•地震区的多高层建筑，应当建立精细的力学模型，作较精确的地震分析，并采取相应的措施提高其薄弱部位和构件的抗震能力。结构内力分析时，应注意节点板域剪切变形的影响节点域剪切变形对高层钢结构水平位移影响一般可达10%～20％。8.1钢结构抗震设计要点8.2钢结构抗火设计8.1钢结构抗震设计要点巨型钢框架体系教学目标与要求1.了解钢结构建筑的震害特点及原因。2.掌握钢结构的抗震设计方法。3.熟悉钢结构建筑的抗震构造措施。Seismicdesignofsteelstructures8.1.1震害特征及原因8.1.2钢结构抗震概念设计8.1.3钢结构抗震计算导入案例来源：中国建设报2014-06-30抗震，选钢结构为时不晚2014年6月27日5时54分，俄罗斯发生4.1级地震；6月26日4时5分，辽宁省营口市盖州市发生3.4级地震；6月25日8时3分，四川省凉山彝族自治州木里藏族自治县发生3.1级地震……根据中国地震局发布的信息，2014年6月1日12时32分～2014年6月27日5时54分，在短短的27天内，中国地震局发布的国内外地震信息多达59次，最小震级2.1、最大震级7.9。以上数据说明，地震从未远离人类，只是人员伤亡程度、财产损失没有“5·12”汶川地震那么严重，因此，未引起人们的重视。导入案例钢结构抗震已得到检验汶川地震后，钢结构建筑这个具有优良抗震性能的结构体系再一次引起社会的广泛关注，究其原因，与由四川恒升钢结构工程有限公司建造的钢结构建筑——九州体育馆成为震后受灾群众的避难场所有些许关系。导入案例钢结构抗震已得到检验据四川省金属结构行业协会会长刘兴元介绍，在成都，很多日本人租写字楼，首先要求是钢结构的。他们认为，工作的前提是要保证生命安全。“5·12”汶川地震后，成都的老百姓明白了一个简单的道理：房子不倒，没有死人的；凡是房子倒了，没有不死人的。目前，在成都，钢结构建筑的抗震性能、安全性已得到认同。钢结构建筑已逐渐被政府部门、开发商、设计师、用户等相关方面认同。有专家认为，建设体育场馆、机场等公共建筑选择钢结构已成为绝对之选。8.1.1震害特征及原因为什么钢结构的房屋面震害轻？钢结构房屋是否还需要抗震设计?建造年份钢结构钢筋混凝土结构倒塌严重破坏倒塌严重破坏1957年以前7127161957-1976年3151231976年以后00461985年墨西哥城地震(里氏8.1级)中钢结构和钢筋混凝土结构的破坏情况表8-1）（一）钢结构房屋的震害结构倒塌多高层钢结构地震中的破坏形式支撑构件破坏一个节点板的支撑件破裂RuptureofabracingmemberatagussetplateconnectionBucklingofabracingmemberofwideflangecross-section一个宽翼缘截面支撑构件屈曲节点破坏焊接柱节点破坏FractureofaweldedcolumnjointFailureatabeam-columnconnection梁柱连接失效基础锚固破坏Failureofcolumnbase柱脚破坏构件破坏日本神户地震在圆柱顶部的裂缝Crackatthetopofacolumn梁端焊接部分失效Failureofweldedpartatthebeamend一单柱桥墩的局部屈曲Localbucklingofasingle-columnsteelpier一列高层钢结构的脆性破坏Brittlefailureofacolumnofahigh-risesteelstructure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，其中13根钢柱为母材断裂，7根钢柱在与支撑连接处断裂，37根钢柱在拼接焊缝处断裂。（二）钢结构房屋的抗震性能构造简单、传力明确，侧移刚度沿高度分布均匀，结构整体侧向变形为剪切型(多层)或弯剪型(高层)，抗侧移能力主要取决于框架梁、柱的抗弯能力。钢框架结构重力荷载及P-δ效应对结构的抗震能力和结构的延性有较大影响，当层数较多时，控制结构性能的设计参数不再是构件的抗弯能力，而是结构的抗侧移刚度和延性。因此，从经济角度看，这种结构体系适合于建造20层以下的中低层房屋。钢框架-支撑体系中心支撑类型偏心支撑类型有偏心支撑的框架-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，还适当减小了支撑构件的轴向力，进而减小了支撑失稳的可能性。钢框架-抗震墙板结构，使用带竖缝剪力墙板或带水平缝剪力墙板、内藏支撑混凝土墙板、钢抗震墙板等，提供需要的侧向刚度。（一）钢结构材料选择1）钢结构的钢材应符合下列规定：3）采用焊接连接的钢结构，当钢板厚不小于40mm且承受沿板厚方向的拉力时，受拉试件板厚方向截面收缩率，不应小于国家标准《厚度方向性能钢板》GB50313关于Z15级规定的容许2）钢结构的钢材宜采用Q235等级B、C、D的碳素结构钢及Q345等级B、C、D、E的低合金高强度结构钢；当有可靠依据时，尚可采用其他钢种和钢号。（1）钢材的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.2；（2）钢材应有明显的屈服台阶，且伸长率应大于20%；（3）钢材应有良好的可焊性和合格的冲击韧性。8.1.2钢结构抗震概念设计8.1.2钢结构抗震概念设计（二）结构平、立面布置及防震缝的设置表8-2钢结构房屋适用的最大高度(m)设防烈度6度、7度8度9度最大高宽比6.56.05.5表8-3钢结构房屋适用的最大高宽比结构类型设防烈度6度、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、桁架筒、束筒)和巨型框架300260180（三）钢结构房屋结构类型的选择及所适用的结构尺寸(a)交叉支撑(b)单斜杆支撑(c)人字支撑(d)K形支撑不超过12层的钢结构宜采用中心支撑，有条件时也可采用偏心支撑等消能支撑；超过12层的钢结构，宜采用偏心支撑，但在顶层可采用中心支撑。(a)D形偏心支撑；(b)K形偏心支；(c)V形偏心支撑；(d)人字支撑偏心支撑框架的设计原则强柱、强支撑弱消能梁段即在大震时消能梁段屈服形成塑性铰，且具有稳定的滞回性能，即使消能梁段进入应变硬化阶段，支撑斜杆、柱和其余梁段仍保持弹性。（四）多层和高层钢结构房屋中楼盖的形式我国《建筑抗震设计规范》建议钢结构的楼盖宜采用压型钢板现浇钢筋混凝土组合楼板或非组合楼板。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其它轻型楼盖；对超过12层的钢结构，当楼盖不能形成一个刚性的水平隔板以传递水平力时，须加设水平支撑，一般每二至三层加设一道。（五）地下室地下室多、高层钢结构上部结构抗震稳定性结构抗倾覆能力结构下部整体性结构沉降（作用）（提高）（增加）（减小）（提高）（四）地下室地下室及其基础作为上部结构连续的锚连部分，应具有可靠的埋置深度和足够的承载力及刚度。因此，《建筑抗震设计规范》规定，对于超过12层的钢结构应设置地下室,其基础埋置深度，当采用天然地基时不宜小于房屋高度的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。支撑桁架沿竖向连续布置，可使层间刚度变化较均匀。当设置地下室时，框架-支撑(抗震墙板)结构中竖向连续布置的支撑(抗震墙