钢结构房屋抗震设计规定

全国发用建筑工程设计技术措施培训系列结构中国建筑标准设计研究所主讲人：蔡益燕中国建筑标准设计研究所钢结构房屋抗震设计规定中国建筑标准设计研究所目录（一）一、多层和高层钢结构房屋1、前言2、材料3、高层钢结构体系和最大适用高度3.1结构体系3.2适用的最大高度3.3适用的最大高宽比4、层间位移角限值5、结构布置的一般规定中国建筑标准设计研究所目录（二）6、主要计算规定6.1一般规定6.2结构阻尼比6.3节点域剪切形的影响6.4双重体系中钢框架的剪力分担率6.5强柱弱梁验算6.6框架节点域的验算中国建筑标准设计研究所7、支撑设计7.1中心支撑7.2偏心支撑7.2.1概述7.2.2偏心支撑框架的消能梁段7.2.3偏心支撑框架构件内力设计值7.2.4消能梁段的承载力计算7.2.5能梁段的构造要求目录（三）8．主要构造规定8.1构件长细比和板件宽厚比8.2节点设计8.2.1美、日大震后框架梁－柱连接节点设计的改进中国建筑标准设计研究所(1)震害情况(2)对节点破坏原因的分析(3)两国的构造差异(4)美、日的改进措施(5)我国采取的对策8.2.2梁-柱连接的弹性阶段抗震设计8.2.3拼接计算8.2.4中心支撑的节点设计目录（四）二、多层钢结构厂房1.一般规定2.计算要点3.构造措施中国建筑标准设计研究所三、单层钢结构厂房1.一般规定2.计算要点3.构造措施1、前言我国《钢结构设计规范》GBJ17不含抗震内容。因此，地震区的房屋钢结构设计，除应符合钢结构设计规范外，还应符合抗震规范的有关规定。今后，凡是《高钢规程》中与抗震规范不一致之处，应按抗震规范的规定执行，且不应比其低。但抗震规范中未列入而《高钢规程》中已列入的，在该规程修订前仍可执行。一、多层和高层钢结构房屋－1中国建筑标准设计研究所本介绍对于行业标准《高层民用建筑钢结构技术规程》中已有规定而这次变更不大的内容只作一般介绍，着重说明这次修订中的新内容。多层工业建筑钢结构的抗震设计另有规定，列入本章附录，这里不拟作介绍。2、材料对抗震钢结构钢材的基本要求是:⑴强屈比大于1.2;⑵有明显的屈服台阶;⑶伸长率大于20%(标距50mm);⑷有良好可焊性。《高钢规程》规定50mm以上的钢板要满足上述标准的要求，本规范考虑我国钢材的实际情况，将50mm以上改为40mm以上。一、多层和高层钢结构房屋－2中国建筑标准设计研究所3.高层钢结构体系和最大适用高度3.1结构体系3.2适用的最大高度（米）结构体系6、7度8度9度框架1109050框架-支撑（剪力墙板）220200140筒体（框筒、筒中筒、桁架筒、束筒）和巨型框架300200180注:适用高度指规则结构的高度,为室外地坪至檐口的高度一、多层和高层钢结构房屋－3中国建筑标准设计研究所3.3适用的最大高宽比一般规定考虑我国实际情况，8.1.2条暂按抗震设防烈度大致划分，不同结构体系采用统一值，即高宽比限值6、7度取6.5,8度取6.0,9度取5.5。4．层间位移角限值第5章5.5节将多、高层钢结构弹性层间位移角限值改为层高的1／300。罕遇地震作用下层间位移限值,在美国ATC3-06中规定为层高1/67,《高钢规程》取层高的1／70,考虑到我国规定的小震与罕遇地震在7度时相差约6倍,位移角限值也须与此相应,该章将弹塑性层间位移角限值调整为1／50。一、多层和高层钢结构房屋－4中国建筑标准设计研究所5.结构布置的一般规定与《高钢规程》相比，主要有以下变更：1.关于楼板，8.1.7条规定了超过12层的钢结构房屋，宜采用压型钢板组合楼板和现浇或整体式钢筋混凝土楼板，并与钢梁有可靠连接；必要时可设置水平支撑。不超过12层的钢结构房屋，除上述形式外，尚可采用装配整体式钢筋混凝土楼板、装配式楼板或其它轻型楼盖，但强调了应将楼板预埋件与钢梁焊接，或采取其它保证楼盖整体性的措施。2.地下室设置，8.1.9和8.1.10条规定了超过12层的钢结构房屋应设置地下室，对12层以下的则不作限定。另外，钢结构房屋设置地下室时，规定框架柱至少伸至地下一层；框架-支撑(抗震墙板)结构中,竖向连续布置的支撑或抗震墙板应延伸至基础。与《高钢规程》的规定相比，对于高层钢结构设置地下室时是否用钢骨混凝土结构层不作限定,允许对不同情况作不同处理。3.关于基础埋深,8.1.10条规定了采用天然地基时不宜小于房屋高度的1/15,采用桩基时承台埋深不宜小于房屋总高度的1/20,后者与《高钢规程》的1／18相比略有放松,是考虑了某些软地基的工程现实。一、多层和高层钢结构房屋－5中国建筑标准设计研究所6．主要计算规定6.1一般规定8.2.1条规定,构件截面和连接的抗震验算时,凡本章未规定者,应符合现行有关结构设计规范的要求。由于钢结构的非抗震设计应符合《钢结构设计规范》，而高层钢结构构件和连接抗震设计的很多方法都在《高钢规程》中有规定，本章不再重复，故设计时应与这两本标准同时使用。抗震设计时的地震作用效应，考虑到它的短时间作用,除以小于1的承载力抗震调整系数。第5章表5.4.2对钢结构的承载力抗震调整系数作了调整，对不同类型钢结构采用统一数值，介于89抗震规范和《高钢规程》规定值之间。6.2结构阻尼比钢结构在多遇地震下的阻尼比，对超过12层的仍采用0.02,不超过12层的拟采用0.35。钢结构房屋阻尼比,实测表明小于混凝土结构。根据ISO规定，低层建筑阻尼比大于高层建筑，据此作了适当规定。在罕遇地震下的分析，仍采用0.05。一、多层和高层钢结构房屋－6中国建筑标准设计研究所6.3弹塑性位移增大系数对钢框架和框架-支撑结构弹塑性位移增大系数,在大量算例的基础上编制成表,对10～20层规则结构的层间位移可查表得出,简化了弹塑性位移计算。6.4节点域剪切形的影响高层钢框架的特点,是节点域剪切变形对框架位移影响较大,可达10～20%,通常不能忽略。8.2.3条1款规定工字形截面柱宜计入腹板剪切变形对框架位移的影响,但对箱型柱不作规定。这是因为,箱形柱有两个腹板,而且每个腹板的厚度一般均较工字形截面柱的腹板为厚,其对框架位移的影响相对较小。为了适应小高层钢结构住宅的发展，考虑到层高较少时影响不大，还规定了对不超过12层的建筑可不计入。计算方法可参见《高层民用建筑钢结构技术规程》,此处不再赘述。节点域剪切变形对框架-支撑体系影响较小，研究表明可忽略不计。中国建筑标准设计研究所一、多层和高层钢结构房屋－76.5双重体系中钢框架的剪力分担率在多遇地震作用下的结构分析,规定了双重抗侧力体系中框架承担的总地震力不小于结构底部剪力的25%,是参考了美国UBC的规定。UBC的原规定是:”框架应设计成能独立承担至少25%的底部设计剪力”。该规定的目的是发挥框架部分的二道防线作用。但是在设计中在与抗侧力构件组合的情况下,符合该规定很困难。抗震规范审查组建议参照混凝土结构的规定采用双重标准，将8.2.3条2款改为“框架部分按计算得到的地震剪力应乘以调整系数，达到不小于结构底部总地震剪力的25％和框架部分地震剪力最大值1.8倍二者的较小者”。混凝土结构对双重抗侧力体系的规定，相应为不小于地震剪力的20%和框架部分地震剪力最大值的1.5倍,鉴于钢结构要求25%,故规定不大于地震剪力的1.8倍。美国设计单位的做法,是在进行内力分析后,进行二次分析,此时忽略抗侧力构件,只考虑框架,检验它是否能承受25%的底部设计剪力。据悉这样计算时,符合上述要求并不困难。中国建筑标准设计研究所一、多层和高层钢结构房屋－８6.6强柱弱梁验算强柱弱梁要求满足下列条件:该式要求，交汇于节点的框架柱受弯承载力之和，应大于梁的受弯承载力之和，并乘以系数。考虑我国情况,强柱弱梁公式中的强柱系数η取得太大将使柱钢材用量增加过多,对我国推广钢结构不利,故对6、7度取1.0,对8度取1.05,9度取1.15。bypbcycpcfWANfW单层房屋和多层房屋的顶层，不需要符合强柱弱梁，因为它们在非弹性阶段出现软弱层没有什么实际意义。抗震规范参考AISC－97的抗震规定，结合我国情况提出框架柱所在楼层的受剪承载力比上一层的受剪承载力高出25％，或柱轴向力设计值与柱全截面面积与钢材强度设计值乘积的比值不大于0.4,或当时,可将荷载组合中的地震作用引起的柱轴力加大一倍,使此时的柱轴力N1满足。在此情况下可不进行强柱弱梁验算。AfN4.0AfN中国建筑标准设计研究所一、多层和高层钢结构房屋－９6.7框架节点域的验算节点域验算包括节点域的稳定性验算、强度验算和屈服程度验算。稳定性验算借鉴美国规范的经验公式,即高层钢结构板域厚度不小于其高度与宽度之和的1／90，但多层钢结构则取1/70。节点域的强度验算,我们采用了日本的表达式。参考日本的研究成果,取节点域屈服弯矩为梁端屈服弯矩之和的0.7倍,可使节点域切变形对框架位移的影响不太大,同时又能满足耗能要求。考虑到按此规定计算可能使节点域普遍加厚,对于广大的7度地区,适当降低了要求,用0.6代替0.7。在强柱弱梁情况下,节点域首先屈服,然后是梁屈服,最后是柱屈服。中国建筑标准设计研究所一、多层和高层钢结构房屋－107.支撑设计7.1中心支撑8.1.6条规定,支撑框架在两个方向的布置宜基本对称,支撑框架之间楼盖的长宽比不宜大于3。该条还规定不超过12层的钢结构宜采用中心支撑，因为此时地震作用一般不大，中心支撑较简单。当设置门窗要求较大孔口时，可采用人字支撑。中心支撑的轴线应交汇于梁柱构件轴线的交点。偏离交点不超过支撑杆件宽度时，仍可视为中心支撑，但此时连接应计入由此产生的附加弯矩。中心支撑的计算图形是两端铰接，但在多层和高层建筑中在构造上一般作成刚接。人字支撑的斜杆受压屈曲后承载力急剧降低,在支撑与横梁连接处将出现不平衡力。规范规定，此不平衡力可取受拉支撑的竖向分量减去受压支撑屈曲压力竖向分量的30％。横梁设计很重要。人字支撑设计时，斜杆内力应乘增大系数1.5。中国建筑标准设计研究所一、多层和高层钢结构房屋－117.2偏心支撑。7.2.1概述偏心支撑具有在弹性阶段接近中心支撑框架，弹塑性阶段的的延性和消能能力接近延性框架的特点，是一种良好的抗震结构。按8、9度抗震设防的结构宜采用偏心支撑。常用的偏心支撑形式如图8.1.6所示。偏心支撑框架的侧向刚度，主要取决于消能梁段的长度与梁长度之比。随着消能梁段变短，框架刚度变大，并接近于中心支撑框架的刚度。随着消能梁段的增长，框架柔性增加并接近于纯刚架的刚度。偏心支撑的设计原则是强柱、强支撑和弱消能梁段，在大震时消能梁段屈服形成塑性铰，支撑斜杆、柱和其余梁段仍保持弹性。消能梁段以本身的屈服耗能保证了结构其他部分的安全，起到了保险丝的作用。(a)(b)(d)(c)1322441443114431144311111111114422441111111111111111222233334444223343333334444442244344224434422443443222222222222中国建筑标准设计研究所一、多层和高层钢结构房屋－127.2.2偏心支撑框架的消能梁段偏心支撑框架形状的选择，应使消能梁段能承受较大剪力。为使框架刚度较大，通常采用较短的消能梁段。支撑的夹角，为了构造方便，通常应为35至50度。消能梁段的长度取（1.3～1.6）plpVM7.2.3偏心支撑框架构件内力设计值为了保证偏心支撑框架中,支撑斜杆、柱和其余梁段在消能梁段屈服并进入应变硬化时保持弹性，对这些构件的设计内力必需进行调整。本规范承载力抗震调整系数的规定：消能梁段取0.85，支撑为0.80,梁、柱为0.75。据此,对构件内力设计值按下列规定进行了调整。1）支撑斜杆的轴力设计值，应取与支撑斜杆相连的消能梁段达到其受剪承载力时支撑斜杆轴力与增大系数的乘积，其值在8度及以下时应不小于1.4，9度时应不小于1.5。2)位于消能梁段同一跨的框架梁内力设计值,应取消能梁段达到其受剪承载力时框架梁内力与增大系数的乘积.其值在8度及以下时不应小于1.5,9度时不应小1.6