抗震課件第六章.doc

1、第六章 多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計§61 多高層鋼結(jié)構(gòu)的主要震害特征鋼結(jié)構(gòu)強度高、延性好、重量輕、抗震性能好。總體來說，在同等場地、烈度條件下，鋼結(jié)構(gòu)房屋的震害較鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋的震害要小。例如，在墨西哥城的高烈度區(qū)內(nèi)有102幢鋼結(jié)構(gòu)房屋，其中59幢為1957年以后所建，在1985年9月的墨西哥大地震（里氏8.1級）中，1957年以后建造的鋼結(jié)構(gòu)房屋倒塌或嚴(yán)重破壞的不多（見表61），而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋的破壞就要嚴(yán)重得多。 1985年墨西哥城地震中鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞情況 表61建造年份鋼結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)倒塌嚴(yán)重破壞倒塌嚴(yán)重破壞1957年以前71271619571976年3

2、151231976年以后0046多高層鋼結(jié)構(gòu)在地震中的破壞形式有三種：節(jié)點連接破壞；板件破壞；結(jié)構(gòu)倒塌。6.1.1 節(jié)點連接破壞主要有兩種節(jié)點連接破壞，一種是支撐連接破壞（圖61），另一種是梁柱連接破壞（圖62），從1978年日本宮城縣遠(yuǎn)海地震（里氏7.4級）所造成的鋼結(jié)構(gòu)建筑破壞情況看（表62），支撐連接更易遭受地震破壞。1978年日本宮城縣遠(yuǎn)海地震鋼結(jié)構(gòu)建筑破壞類型統(tǒng)計 表62 結(jié) 構(gòu) 數(shù) 量 破 壞 類 型破 壞 等 級*統(tǒng) 計總數(shù)百分比(%)過度彎曲柱22117.4梁1梁、柱局部屈曲2112連接破壞支撐連接613256311980.4梁柱連接21柱腳連接421其它連接11基礎(chǔ)失效不均勻

3、沉降24121812.2總計8233483148100* 級支撐、連接等出現(xiàn)裂紋，但沒有不可恢復(fù)的屈曲變形 級出現(xiàn)小于1/30層高的永久層間變形 級出現(xiàn)大于1/30層高的永久層間變形 級倒塌或無法繼續(xù)使用 （a）圓鋼支撐連接的破壞 （b）角鋼支撐連接的破壞圖61 支撐連接破壞 （a）美國Northridge地震 （b）日本阪神地震圖62梁柱剛性連接的典型震害現(xiàn)象1994年美國Northridge和1995年日本阪神地震造成了很多梁柱剛性連接破壞，震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，梁柱連接的破壞大多數(shù)發(fā)生在梁的下翼緣處，而上翼緣的破壞要少得多。這可能有兩種原因：樓板與梁共同變形導(dǎo)致下翼緣應(yīng)力增大；下翼緣在腹板位置焊

4、接的中斷是一個顯著的焊縫缺陷的來源。圖63給出了震后觀察到的在梁柱焊縫連接處的失效模式。（a） 美國Northridge地震 模式1 翼緣斷裂 模式2，3 熱影響區(qū)斷裂 模式4 橫膈板斷裂 （b）日本阪神地震圖63 梁柱焊接連接處的失效模式梁柱剛性連接裂縫或斷裂破壞的原因有：（1） 焊縫缺陷，如裂紋、欠焊、夾渣和氣孔等。這些缺陷將成為裂縫開展直至斷裂的起源。（2） 三軸應(yīng)力影響。分析表明，梁柱連接的焊縫變形由于受到梁和柱約束，施焊后焊縫殘存三軸拉應(yīng)力，使材料變脆。（3） 構(gòu)造缺陷。出于焊接工藝的要求，梁翼緣與柱連接處設(shè)有墊條，實際工程中墊條在焊接后就留在結(jié)構(gòu)上，這樣墊條與柱翼緣之間就形成一條“

5、人工”裂縫（圖64），成為連接裂縫發(fā)展的起源。圖64 “人工”裂縫（4） 焊縫金屬沖擊韌性低。美國北嶺地震前，焊縫采用E70T-4或E70T-7自屏蔽藥芯焊條，這種焊條對沖擊韌性無規(guī)定，實驗室試件和從實際破壞的結(jié)構(gòu)中取出的連接試件在室溫下的試驗表明，其沖擊韌性往往只有1015J，這樣低的沖擊韌性使得連接很易產(chǎn)生脆性破壞，成為引發(fā)節(jié)點破壞的重要因素。6.1.2 構(gòu)件破壞多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞的主要形式有：（1） 支撐壓屈。支撐在地震中所受的壓力超過其屈曲臨界力時，即發(fā)生壓屈破壞（圖65）。圖65 支撐的壓屈（2） 梁柱局部失穩(wěn)。梁或柱在地震作用下反復(fù)受彎，在彎矩最大截面處附近由于過度彎曲可能發(fā)

6、生翼緣局部失穩(wěn)破壞（圖66）。圖66 柱的局部失穩(wěn)（3）柱水平裂縫或斷裂破壞。1995年日本阪神地震中，位于阪神地震區(qū)蘆屋市海濱城的52棟高層鋼結(jié)構(gòu)住宅，有57根鋼柱發(fā)生斷裂，其中13根鋼柱為母材斷裂（圖6-7a），7根鋼柱在與支撐連接處斷裂（圖6-7b），37根鋼柱在拼接焊縫處斷裂。鋼柱的斷裂是出人意料的，分析原因認(rèn)為：豎向地震使柱中出現(xiàn)動拉力，由于應(yīng)變速率高，使材料變脆；加上地震時為日本嚴(yán)冬時期，鋼柱位于室外，鋼材溫度低于0oC；以及焊縫和彎矩與剪力的不利影響，造成柱水平斷裂。 （a）母材的斷裂 （b）支撐處的斷裂圖6-7 鋼柱的斷裂6.1.3 結(jié)構(gòu)倒塌結(jié)構(gòu)倒塌是地震中結(jié)構(gòu)破壞最嚴(yán)重的形式

7、。鋼結(jié)構(gòu)建筑盡管抗震性能好，但在地震中也有倒塌事例發(fā)生。1985年墨西哥大地震中有10幢鋼結(jié)構(gòu)房屋倒塌（見表61），在1995年日本阪神地震中，也有鋼結(jié)構(gòu)房屋倒塌發(fā)生。表63是阪神地震中Chou Ward地區(qū)鋼結(jié)構(gòu)房屋震害情況。1985年日本阪神地震中Chou Ward地震鋼結(jié)構(gòu)房屋震害情況 表63建造年份嚴(yán)重破壞或倒塌中等破壞輕微破壞完 好1971年以前502019711982年00351982年以后0017鋼結(jié)構(gòu)房屋在地震中嚴(yán)重破壞或倒塌與結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計水平關(guān)系很大。1957年和1976年，墨西哥結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范分別進行過較大的修訂，而1971年是日本鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范修訂的年份，1982年是日本建

8、筑標(biāo)準(zhǔn)法實施的年份，從表61和表63知，由于新設(shè)計規(guī)范采納了新研究成果，提高了結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計水平，在同一地震中按新規(guī)范設(shè)計建造的鋼結(jié)構(gòu)房屋倒塌的數(shù)量就要比按老規(guī)范設(shè)計建造的少得多。§62 多高層鋼結(jié)構(gòu)的選型與結(jié)構(gòu)布置6.2.1 結(jié)構(gòu)選型在結(jié)構(gòu)選型上，多層和高層鋼結(jié)構(gòu)無嚴(yán)格界限。但為區(qū)分結(jié)構(gòu)的重要性對結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施的要求不同，我國建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB500112001）將超過12層的建筑歸為高層鋼結(jié)構(gòu)建筑，將不超過12層的建筑歸為多層鋼結(jié)構(gòu)建筑。有抗震要求的多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)可采用框架結(jié)構(gòu)體系（圖68）、框架中心支撐結(jié)構(gòu)體系（圖69）、框架偏心支撐結(jié)構(gòu)體系（圖610）及框筒結(jié)構(gòu)體系（圖

9、611）。框架結(jié)構(gòu)體系的梁柱節(jié)點宜采用剛接。圖68 純框架結(jié)構(gòu)圖69 各種中心支撐框架結(jié)構(gòu)圖610 偏心支撐框架結(jié)構(gòu)圖611 框筒結(jié)構(gòu)純框架結(jié)構(gòu)延性好，但抗側(cè)力剛度較差。中心支撐框架通過支撐提高框架的剛度，但支撐受壓會屈曲，支撐屈曲將導(dǎo)致原結(jié)構(gòu)承載力降低。偏心支撐框架可通過偏心梁段剪切屈服限制支撐受壓屈曲，從而保證結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定的承載能力和良好的耗能性能，而結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度介于純框架和中心支撐框架之間?？蛲矊嶋H上是密柱框架結(jié)構(gòu)，由于梁跨小剛度大，使周圈柱近似構(gòu)成一個整體受彎的薄壁筒體，具有較大的抗側(cè)剛度和承載力，因而框筒結(jié)構(gòu)多用于高層建筑。各種鋼結(jié)構(gòu)體系建筑的適用高度與高寬比不宜大于表64和表65

10、給出的數(shù)值。適用的鋼結(jié)構(gòu)房屋最大高度（m） 表64結(jié) 構(gòu) 體 系設(shè) 防 烈 度6、789框 架1109050框架支撐（剪力墻板）220200140筒體（框筒、筒中筒、束筒）和巨型框架300260180適用的鋼結(jié)構(gòu)房屋最大高寬比 表65烈 度6、789最大高寬比6.56.05.56.2.2 結(jié)構(gòu)平面布置多高層鋼結(jié)構(gòu)的平面布置應(yīng)盡量滿足下列要求：（1） 建筑平面宜簡單規(guī)則，并使結(jié)構(gòu)各層的抗側(cè)力剛度中心與質(zhì)量中心接近或重合，同時各層剛心與質(zhì)心接近在同一豎直線上。（2） 建筑的開間、進深宜統(tǒng)一，其常用平面的尺寸關(guān)系應(yīng)符合表66和圖612的要求。當(dāng)鋼框筒結(jié)構(gòu)采用矩形平面時，其長寬比不應(yīng)大于1.5：1，不

11、能滿足此項要求時，宜采用多束筒結(jié)構(gòu)。L，l，l，B的限值 表6-6L/BL/Bmaxl/bl/ BmaxB/ Bmax541.510.5圖612 表66中變量的意義（3） 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)不宜設(shè)置防震縫，但薄弱部位應(yīng)注意采取措施提高抗震能力。如必須設(shè)置伸縮縫，則應(yīng)同時滿足防震縫的要求。（4） 宜避免結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則布置。如在平面布置上具有下列情況之一者，為平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)： 任意層的偏心率大于0.15。偏心率可按下列公式計算： （61）其中： （62）式中 、分別為所計算樓層在x和y方向的偏心率；、分別為x和y方向樓層質(zhì)心到結(jié)構(gòu)剛心的距離；、分別為結(jié)構(gòu)x和y方向的彈性半徑；、分別為所計算樓層各抗側(cè)力

12、構(gòu)件在x和y方向的側(cè)向剛度之和；、以剛心為原點的抗側(cè)力構(gòu)件坐標(biāo)。 結(jié)構(gòu)平面形狀有凹角，凹角的伸出部分在一個方向的長度，超過該方向建筑總尺寸的25%。 樓面不連續(xù)或剛度突變，包括開洞面積超過該層樓面面積的50%。 抗水平力構(gòu)件既不平行于又不對稱于抗側(cè)力體系的兩個互相垂直的主軸。屬于上述情況第一、第四項者應(yīng)計算結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)影響；屬于第三項者應(yīng)采用相應(yīng)的計算模型，屬于第二項者應(yīng)在凹角出采用加強措施。6.2.3 結(jié)構(gòu)豎向布置多高層鋼結(jié)構(gòu)的豎向布置應(yīng)盡量滿足下列要求：（1） 樓層剛度大于其相鄰上層剛度的70%，且連續(xù)三層總的剛度降低不超過50%。（2） 相鄰樓層質(zhì)量之比不超過1.5（屋頂層除外）。（3） 立

13、面收進尺寸的比例L1/L0.75（圖613）。圖613 立面收進（4） 任意樓層抗側(cè)力構(gòu)件的總受剪承載力大于其相鄰上層的80%。（5） 框架支撐結(jié)構(gòu)中，支撐（或剪力墻板）宜豎向連續(xù)布置，除底部樓層和外伸剛臂所在樓層外，支撐的形式和布置在豎向宜一致。6.2.4 結(jié)構(gòu)布置的其它要求（1） 高層鋼結(jié)構(gòu)宜設(shè)置地下室。在框架支撐（剪力墻板）體系中，豎向連續(xù)布置的支撐（剪力墻板）應(yīng)延伸至基礎(chǔ)。設(shè)置地下室時，框架柱應(yīng)至少延伸到地下一層。（2） 8、9度時，宜采用偏心支撐、帶縫鋼筋混凝土剪力墻板、內(nèi)藏鋼板支撐或其它消能支撐。（3） 采用偏心支撐框架時，頂層可為中心支撐。（4） 樓板宜采用壓型鋼板（或預(yù)應(yīng)力混凝

14、土薄板）加現(xiàn)澆混凝土疊合層組成的樓板。樓板與鋼梁應(yīng)采用栓釘或其它元件連接（圖614）。當(dāng)樓板有較大或較多的開孔時，可增設(shè)水平鋼支撐以加強樓板的水平剛度。圖614 樓板與鋼梁的連接（5） 必要時可設(shè)置由筒體外伸臂和周邊桁架組成的加強層。§6.3 多高層鋼結(jié)構(gòu)的抗震概念設(shè)計完整的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計包括三個方向的內(nèi)容與要求，概念設(shè)計、抗震計算與構(gòu)造措施。概念設(shè)計在總體上把握抗震設(shè)計的主要原則，彌補由于地震作用及結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的復(fù)雜性而造成抗震計算不準(zhǔn)確的不足；抗震計算為建筑抗震設(shè)計提供定量保證；構(gòu)造措施則為保證抗震概念與抗震計算的有效提供保障。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計上述三個方面的內(nèi)容是一個不可割裂的整體

15、，忽略任何一部分，都可能使抗震設(shè)計失效。多高層鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計在總體上需把握的主要原則有，保證結(jié)構(gòu)的完整性，提高結(jié)構(gòu)延性，設(shè)置多道結(jié)構(gòu)防線。下面介紹實現(xiàn)這些原則的一些抗震概念及具體要求。6.3.1 優(yōu)先采用延性好的結(jié)構(gòu)方案剛接框架、偏心支撐框架和框筒結(jié)構(gòu)是延性較好的結(jié)構(gòu)形式，在地震區(qū)應(yīng)優(yōu)先采用。然而，鉸接框架有施工方便及中心支撐框架有剛度大、承載力高的優(yōu)點，在地震區(qū)也可以采用。在具體選擇結(jié)構(gòu)形式時應(yīng)注意：（1）多層鋼結(jié)構(gòu)可采用全剛接框架及部分剛 接框架，不允許采用全鉸接框架及全鉸接框架加支撐的結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)采用部分剛架框架時，結(jié)構(gòu)外圍周邊框架應(yīng)采用剛接框架。（2）高層鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)采用全剛接框架。當(dāng)結(jié)構(gòu)

16、剛度不夠時，可采用中心支撐框架、鋼框架混凝土芯筒或鋼框筒結(jié)構(gòu)形式；但在高烈度區(qū)（8度和9度區(qū)），宜采用偏心支撐框架和鋼框筒結(jié)構(gòu)。6.3.2 多道結(jié)構(gòu)防線要求對于鋼框架支撐結(jié)構(gòu)及鋼框架混凝土芯筒（剪力墻）結(jié)構(gòu)，鋼支撐或混凝土芯筒（剪力墻）部分的剛度大，可能承擔(dān)整體結(jié)構(gòu)絕大部分地震作用力。但鋼支撐或混凝土芯筒（剪力墻）的延性較差，為發(fā)揮鋼框架部分延性好的作用，承擔(dān)起第二道結(jié)構(gòu)抗震防線的責(zé)任，要求鋼框架的抗震承載力不能太小，為此框架部分按計算得到的地震剪力應(yīng)乘以調(diào)整系數(shù)，達到不小于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力的25和框架部分地震剪力最大值1.8倍兩者的較小值。6.3.3 強節(jié)點弱構(gòu)件要求為保證結(jié)構(gòu)在地震作用下

17、的完整性，要求結(jié)構(gòu)所有節(jié)點的極限承載力大于構(gòu)件在相應(yīng)節(jié)點處的極限承載力，以保證節(jié)點不先于構(gòu)件破壞，防止構(gòu)件不能充分發(fā)揮作用。為此，對于多高層鋼結(jié)構(gòu)的所有節(jié)點連接，除應(yīng)按地震組合內(nèi)力進行彈性設(shè)計驗算外。還應(yīng)進行“強節(jié)點弱構(gòu)件”原則下的極限承載力驗算。1、梁與柱的連接要求梁與柱連接的極限受彎、受剪承載力，應(yīng)符合下列要求： （6-3） 且 （6-4）式中 梁上下翼緣全熔透坡口焊縫的極限受彎承載力； 梁腹板連接的極限受剪承載力； 梁（梁貫通時為柱）的全塑性受彎承載力； 豎向荷載作用下梁端剪力設(shè)計值； 梁的凈跨（梁貫通時取該樓層柱的凈高）； 、梁腹板的高度和厚度；鋼材屈服強度。2、支撐連接要求支撐與框架

18、的連接及支撐拼接的極限承載力，應(yīng)符合下式要求 （6-5）式中 螺栓連接和節(jié)點板連接在支撐軸線方向的極限承載力； 支撐截面的毛面積； 支撐鋼材的屈服強度。3、梁、柱構(gòu)件的拼接要求梁、柱構(gòu)件拼接的極限承載力應(yīng)符合下列要求： （6-6）無軸力時 （6-7a）有軸力時 （6-7b）式中 、分別為構(gòu)件拼接的極限受彎、受剪承載力； 、拼接構(gòu)件截面腹板的高度和厚度； 被拼接構(gòu)件的鋼材屈服強度； 無軸力時構(gòu)件截面塑性彎矩； 有軸力時構(gòu)件截面塑性彎矩，可按下列情況分別計算工字型截面（繞強軸）和箱型截面 當(dāng)時， （6-8） 當(dāng)時， （6-9）工字型截面（繞弱軸） 當(dāng)時 （6-10） 當(dāng)時 （6-11）式中 構(gòu)件內(nèi)

19、軸力； 構(gòu)件軸向屈服力； 工字型截面腹板面積； 構(gòu)件截面面積。當(dāng)拼接采用螺栓連接時，尚應(yīng)符合下列要求：翼緣 （6-12）且 （6-13）腹板 （6-14）且 （6-15）式中 、一個螺栓的極限受剪承載力和對應(yīng)的板件極限承壓力； 翼緣的有效截面面積； 腹板拼接中彎矩引起的一個螺栓的最大剪力； 翼緣拼接或腹板拼接一側(cè)的螺栓數(shù)。4、連接極限承載力的計算焊縫連接的極限承載力可按下列公式計算： 對接焊縫受拉 （6-16）角焊縫受剪 （6-17）式中 焊縫的有效受力面積； 構(gòu)件母材的抗拉強度最小值。高強度螺栓連接的極限受剪承載力，應(yīng)取下列二式計算的較小者： （6-18） （6-19）式中 、分別為一個高強

20、度螺栓的極限受剪承載力和對應(yīng)的板件極限承壓力； 螺栓連接的剪切面數(shù)量； 螺栓螺紋處的有效截面面積；螺栓鋼材的抗拉強度最小值；螺栓桿直徑；同一受力方向的鋼板厚度之和；螺栓連接板的極限承壓強度，取1.5。6.3.4 強柱弱梁要求圖5-9給出了強柱弱梁型框架與強梁弱柱型框架完全屈服時的塑性鉸分布情況。顯然，強柱弱梁型框架屈服時產(chǎn)生塑性變形而耗能的構(gòu)件比強梁弱柱型框架多，而在同樣的結(jié)構(gòu)頂點位移條件下，強柱弱梁型框架的最大層間變形比強梁弱柱型框架小，因此強柱弱梁型框架的抗震性能較強梁弱柱型框架優(yōu)越。為保證鋼框架為強柱弱梁型，框架的任一梁柱節(jié)點處需滿足下列要求： （6-20）式中 、分別為柱和梁的塑性截面

21、模量； 柱軸向壓力設(shè)計值； 柱截面面積； 、分別為柱和梁的鋼材屈服強度； 強柱系數(shù)，超過6度的鋼框架，6度IV類場地和7度時可取1.0，8度時可取1.05，9度時可取1.15。當(dāng)柱所在樓層的受剪承載力比上一層的受剪承載力高出25%，或柱軸向力設(shè)計值與柱全截面面積和鋼材抗拉強度設(shè)計值乘積的比值不超過0.4，或作為軸心受壓構(gòu)件在2倍地震力下穩(wěn)定性得到保證時，則無需滿足式（6-20）的強柱弱梁要求。6.3.5 偏心支撐框架弱消能梁段要求偏心支撐框架的設(shè)計思想是，在罕遇地震作用下通過消能梁段的屈服消能地震能量，而達到保護其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件不破壞和防止結(jié)構(gòu)整體倒塌的目的。因此，偏心支撐框架的設(shè)計原則是強柱、強

22、支撐和弱消能梁段。為實現(xiàn)弱消能梁段要求，可對多遇地震作用下偏心支撐框架構(gòu)件的組合內(nèi)力設(shè)計值進行調(diào)整，調(diào)整要求如下：（1）支撐斜桿的軸力設(shè)計值，應(yīng)取與支撐斜桿相連接的消能梁段達到受剪承載力時支撐斜桿軸力與增大系數(shù)的乘積，其值在8度以下時不應(yīng)小于1.4，9度時不應(yīng)小于1.5。（2）位于消能梁段同一跨的框架梁內(nèi)力設(shè)計值，應(yīng)取消能梁段達到受剪承載力時框架梁內(nèi)力與增大系數(shù)的乘積，其值在8度以下時不應(yīng)小于1.5，9度時不應(yīng)小于1.6。（3）框架柱的內(nèi)力設(shè)計值，應(yīng)取消能梁段達到受剪承載力時柱內(nèi)力與增大系數(shù)的乘積，其值在8度及以下時不應(yīng)小于1.5，9度時不應(yīng)小于1.6。偏心支撐框架消能梁段的受剪承載力可按下列

23、公式計算：當(dāng) 時 （6-21） 或 ，取較小值 （6-22） (6-23)當(dāng) 時 (6-24) (6-25) 或 ， (6-26)取公式(6-25)、(6-26)計算所得的較小值式中 系數(shù)，可取0.9；、分別為消能梁段的剪力設(shè)計值和軸力設(shè)計值；、分別為消能梁段的受剪承載力和計入軸力影響的受剪承載力； 消能梁段的全塑性受彎承載力；分別為消能梁段的長度、截面高度、腹板厚度和翼緣厚度；分別為消能梁段的截面面積和腹板截面面積； 消能梁段的塑性截面模量； 分別為消能梁段鋼材的抗拉強度設(shè)計值和屈服強度；消能梁段承載力抗震調(diào)整系數(shù)，取0.85。6.3.6 其他抗震特殊要求1、節(jié)點域的屈服承載力要求試驗研究發(fā)

24、現(xiàn)，鋼框架梁柱節(jié)點域具有很好的滯回耗能性能（圖6-15），地震下讓其屈服對結(jié)構(gòu)抗震有利。但節(jié)點域板太薄，會使鋼框架的位移增大較多，而太厚又會使節(jié)點域不能發(fā)揮耗能作用，故節(jié)點域既不能太薄又不能太厚。因此節(jié)點域在滿足彈性內(nèi)力設(shè)計式的要求條件，其屈服承載力尚應(yīng)符合下式要求： (6-27)式中 、分別為節(jié)點域兩側(cè)梁的全塑性受彎承載力； 節(jié)點域體積； 鋼材的抗剪強度設(shè)計值； 折剪系數(shù)，6度IV類場地和7度時可取0.6，8、9度時可取0.7。（a）試件 （b）滯回曲線 圖6-15 鋼框架節(jié)點域試驗 對于工字形截面柱和箱形截面柱的節(jié)點域應(yīng)按下列公式驗算： （628） （629）式中 、分別為梁腹板高度和柱腹

25、板高度；柱在節(jié)點域的腹板厚度； 、分別為節(jié)點域兩側(cè)梁的彎矩設(shè)計值；節(jié)點域的體積；節(jié)點域承載力抗震調(diào)整系數(shù)，可采用0.85。2、支撐斜桿的抗震承載力中心支撐框架的支撐斜桿在地震作用下將受反復(fù)的軸力作用，支撐即可受拉，也可能受壓。由于軸心受力鋼構(gòu)件的抗壓承載力要小于抗拉承載力，因此支撐斜桿的抗震應(yīng)按受壓構(gòu)件進行設(shè)計。然而，試驗發(fā)現(xiàn)支撐在反復(fù)軸力作用下有下列現(xiàn)象（圖6-16）：支撐首次受壓屈曲后，第二次屈曲荷載明顯下降，而且以后每次的屈曲荷載還將逐漸下降，但下降幅度趨于收斂；支撐受壓屈曲后的抗壓承載力的下降幅與支撐長細(xì)比有關(guān)，支撐長細(xì)比，下降幅度越大，支撐長細(xì)比越小，下降幅度越小。圖6-16 支撐試

26、驗滯回曲線 考慮支撐在地震反復(fù)軸力作用下的上述受力特征，對于中心支撐框架支撐斜桿，其抗震承載力應(yīng)按下式驗算： (6-30)其中 ， 式中 支撐斜桿的軸向力設(shè)計值； 支撐斜桿的截面面積； 軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)； 受循環(huán)荷載時的強度降低系數(shù)； 支撐斜桿的正則化長細(xì)比； 支撐斜桿材料的彈性模量； 鋼材屈服強度； 支撐承載力抗震調(diào)整系數(shù)，。3、人字形和V形支撐框架設(shè)計要求中心支撐框架采用人字形支撐或V形支撐時，需考慮支撐斜桿受壓屈服后產(chǎn)生的特殊問題。人字形支撐在受壓斜桿屈曲時，樓板要下陷，V形支撐在受壓斜桿屈曲時，樓板要上隆。為防止這種情況的出現(xiàn)，橫梁設(shè)計除應(yīng)考慮設(shè)計內(nèi)力外，還應(yīng)按中間無支座的簡支梁

27、（考慮彈塑性階段梁端出現(xiàn)塑性鉸）驗算樓面荷載作用下的承載力，但在橫梁支撐處可考慮支撐受壓屈曲提供的一定的與樓面荷載方向相反的反力作用，該反力可取為受壓支撐屈曲壓力豎向分量的30%。此外，人字形和V形支撐抗震設(shè)計時，斜桿地震內(nèi)力應(yīng)乘增大系數(shù)1.5，以減小樓板下陷或上隆現(xiàn)象的發(fā)生。§64 多高層鋼結(jié)構(gòu)的抗震計算要求6.4.1 計算模型確定多高層鋼結(jié)構(gòu)抗震計算模型時，應(yīng)注意：（1） 進行多高層鋼結(jié)構(gòu)地震作用下的內(nèi)力與位移分析時，一般可假定樓板在自身平面內(nèi)為絕對剛性。對整體性較差、開孔面積大、有較長的外伸段的樓板，宜采用樓板平面內(nèi)的實際剛度進行計算。（2） 進行多高層鋼結(jié)構(gòu)多遇地震作用下的反

28、應(yīng)分析時，可考慮現(xiàn)澆混凝土樓板與鋼梁的共同作用。在設(shè)計中應(yīng)保證樓板與鋼梁間有可靠的連接措施。此時樓板可作為梁翼緣的一部分計算梁的彈性截面特性，樓板的有效寬度be按下式計算（圖617）： （631）式中 鋼梁上翼緣寬度； 、梁外側(cè)和內(nèi)側(cè)的翼緣計算寬度，各取梁跨度的1/6和翼緣板厚度的6倍中的較小值。此外，高不應(yīng)超過翼板實際外伸寬度；不應(yīng)超過相鄰梁板托間凈距的1/2。圖617 樓板的有效寬度進行多高層鋼結(jié)構(gòu)罕遇地震反應(yīng)分析時，考慮到此時樓板與梁的連接可能遭到破壞，則不應(yīng)考慮樓板與梁的共同工作。（3） 多高層鋼結(jié)構(gòu)的抗震計算可采用平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的空間協(xié)同計算模型。當(dāng)結(jié)構(gòu)布置規(guī)則、質(zhì)量及剛度沿高度分布

29、均勻、不計扭轉(zhuǎn)效應(yīng)時，可采用平面結(jié)構(gòu)計算模型；當(dāng)結(jié)構(gòu)平面或立面不規(guī)則、體型復(fù)雜，無法劃分平面抗側(cè)力單元的結(jié)構(gòu)以及筒體結(jié)構(gòu)時，應(yīng)采用空間結(jié)構(gòu)計算模型。（4） 多高層鋼結(jié)構(gòu)在地震作用下的內(nèi)力與位移計算，應(yīng)考慮梁柱的彎曲變形和剪切變形，尚應(yīng)考慮柱的軸向變形。一般可不考慮梁的軸向變形，但當(dāng)梁同時作為腰桁架或桁架的弦桿時，則應(yīng)考慮軸力的影響。（5） 柱間支撐兩端應(yīng)為剛性連接，但可按兩端鉸接計算。偏心支撐中的耗能梁段應(yīng)取為單獨單元。（6） 應(yīng)計入梁柱節(jié)點域剪切變形（圖618）對多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)位移的影響?？蓪⒘褐?jié)點域當(dāng)作一個單獨的單元進行結(jié)構(gòu)分析，也可按下列規(guī)定作近似計算： 對于箱形截面柱框架，可將節(jié)點

30、域當(dāng)作剛域，剛域的尺寸取節(jié)點域尺寸的一半。 對于工字形截面柱框架，可按結(jié)構(gòu)軸線尺寸進行分析。若結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足且時，可按下式修正結(jié)構(gòu)樓層處的水平位移。圖618 節(jié)點域剪切變形 （632）其中 （633）式中 修正后的第i層樓層的水平位移；不考慮節(jié)點域剪切變形并按結(jié)構(gòu)軸線尺寸計算所得第i層樓層得水平位移；、分別為結(jié)構(gòu)全部柱和梁截面慣性矩得平均值；、分別為結(jié)構(gòu)全部柱和梁腹板高度的平均值；節(jié)點域剪切剛度的平均值 （634）節(jié)點域腹板厚度平均值；鋼材的彈性模量；鋼材的剪切模量。6.4.2 地震作用多高層鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比較小，按反應(yīng)譜法計算多遇地震下的地震作用時，高層鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比可取為0.02，多層（不超過

31、12層）鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比可取為0.035。但計算罕遇地震下的地震作用時，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)進入彈塑性，多高層鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比均可取為0.05。6.4.3 計算有關(guān)要求進行多高層鋼結(jié)構(gòu)抗震計算時，應(yīng)注意滿足下列設(shè)計要求：（1） 進行多遇地震下抗震設(shè)計時，框架支撐（剪力墻板）結(jié)構(gòu)體系中總框架任意樓層所承擔(dān)的地震剪力，不得小于結(jié)構(gòu)底部總剪力的25%。（2） 在水平地震作用下，如果樓層側(cè)移滿足下式，則應(yīng)考慮P效應(yīng)。 （635）式中 多遇地震作用下樓層層間位移； 樓層層高； 計算樓層以上全部豎向荷載之和； 計算樓層以上全部多遇水平地震作用之和。此時該樓層的位移和所有構(gòu)件的內(nèi)力均應(yīng)乘以下式放大系數(shù)。 （636）（3）

32、 驗算在多遇地震作用下整體基礎(chǔ)（筏形基礎(chǔ)或箱形基礎(chǔ)）對地基的作用時，可采用底部剪力法計算作用于地基的傾覆力矩，但宜取0.8的折減系數(shù)。（4） 當(dāng)在多遇地震作用下進行構(gòu)件承載力驗算時，托柱梁及承托鋼筋混凝土抗震墻的鋼框架柱的內(nèi)力應(yīng)乘以不小于1.5的增大系數(shù)。§6.5 多高層鋼結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造要求6.5.1純框架結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施 1、框架柱的長細(xì)比在一定的軸力作用下，柱的彎矩轉(zhuǎn)角如圖6-19所示。研究發(fā)現(xiàn)，由于幾何非線性（P效應(yīng)）的影響，柱的彎曲變形能力與柱的軸壓比及柱的長細(xì)比有關(guān)（見圖6-20，圖6-21），柱的軸壓比與長細(xì)比越大，彎曲變形能力越小。因此，為保障鋼框架抗震的變形能力，需對框

33、架柱的軸壓比及長細(xì)比進行限制。我國規(guī)范目前對框架柱的軸壓比沒有提出要求，建議按重力荷載代表值作用下框架柱的地震組合軸力設(shè)計值計算的軸壓比不大于0.7。對于框架柱的長細(xì)比，則應(yīng)符合下列規(guī)定：（1）不超過12層的鋼框架梁柱的長細(xì)比，68度時不應(yīng)大于，9度時不應(yīng)大于。（2）超過12層的鋼框架柱的長細(xì)比，應(yīng)符合表6-7的規(guī)定。表6-7 超過12層框架的柱長細(xì)比限值烈度6度7度8度9度長細(xì)比120806060注：表列表值適用于Q235鋼，采用其他牌號鋼材時，應(yīng)乘以。圖6-19 柱的彎矩轉(zhuǎn)角關(guān)系 圖6-20 柱的變形能力與軸壓比的關(guān)系 圖6-21 柱的變形能力與長細(xì)比的關(guān)系 2、梁、柱板件寬厚比圖6-22

34、是日本所做的一組梁柱試件，在反復(fù)加載下的受力變形情況?？梢姡S著構(gòu)件板件寬厚比的增大，構(gòu)件反復(fù)受載的承載能力與耗能能力將降低。其原因是，板件寬厚比越大，板件越易發(fā)生局部屈曲，從而影響后繼承載性能?？紤]到框架柱的轉(zhuǎn)動變形能力要求比框架梁的的轉(zhuǎn)動變形能力要求低，因此框架柱的板件寬厚比限值可比框架梁的板件寬厚比限值大，具體要求如下：(1) 不超過12層框架的梁、柱板件寬厚比應(yīng)符合表6-8的要求：(2) 超過12層框架梁、柱板件寬厚比應(yīng)符合表6-9的規(guī)定：不超過12層框架的梁柱板件寬厚比限值 表6-8板件名稱7度8度9度柱工字形截面翼緣外伸部分箱型截面壁板工字型截面腹板1340521236481136

35、44梁工字型截面和箱型截面翼緣外伸部分箱型截面翼緣在兩腹板間的部分工字型截面和箱型截面腹板11364010323993035注：1. 表列數(shù)值適用于Q235，當(dāng)材料為其他牌號鋼材時，應(yīng)乘以。2. 表中為梁的軸向力，A為梁的截面積，f為梁的鋼材抗拉強度設(shè)計值。超過12層框架的梁柱板件寬厚比限值 表6-9板件名稱6度7度8度9度柱工字形截面翼緣外伸部分工字型截面腹板箱型截面壁板13433911433710433594333梁工字型截面和箱型截面翼緣外伸部分箱型截面翼緣在兩腹板間的部分工字型截面和箱型截面腹板11361032930930注：1. 表列數(shù)值適用于Q235，當(dāng)材料為其他牌號鋼材時，應(yīng)乘以

36、。2. 表中為梁的軸向力，A為梁的截面積，f為梁的鋼材抗拉強度設(shè)計值。 (a) b/t=8 (b) b/t=11 (c) b/t=16(d) 試件圖6-22 梁柱試件反復(fù)加載試驗3、梁與柱的連接構(gòu)造梁柱的連接構(gòu)造，應(yīng)符合下列要求：（1）梁與柱的連宜采用柱貫通型。（2）柱在兩個互相垂直的方向都與梁剛接時，宜采用箱形截面。當(dāng)僅在一方向剛接時，宜采用工字型截面，并將柱腹板置于剛接框架平面內(nèi)。（3）梁翼緣與柱翼緣應(yīng)采用全熔透坡口焊縫。（4）柱在梁翼緣對應(yīng)位置應(yīng)設(shè)置橫向加勁肋，且加勁肋厚度不應(yīng)小于梁翼緣厚度。（5）當(dāng)梁翼緣的塑性截面模量小于梁全截面塑性截面模量的70%時，梁腹板與柱的連接螺栓不得小于二列

37、；當(dāng)計算僅需一列時，仍應(yīng)布置二列，且此時螺栓總數(shù)不得小于計算值的1.5倍。為防止框架梁柱連接處發(fā)生脆性斷裂，可以采用如下措施：嚴(yán)格控制焊接工藝操作，重要的部位由技術(shù)等級高的工人施焊，減少梁柱連接中的焊接缺陷；8度乙類建筑和9度時，應(yīng)檢驗梁翼緣處全焊透坡口焊縫V形切口的沖擊韌性，其沖擊韌性在20oC時不低于27J。適當(dāng)加大梁腹板下部的割槽口（位于墊板上面，用于梁下翼緣與柱翼緣的施焊），以便于工人操作，提高焊縫質(zhì)量；補充梁腹板與抗剪連接板之間的焊縫（圖6-23）；采用梁端加蓋板和加腋（圖6-24），或梁柱采用全焊接方式來加強連接的強度； 利用節(jié)點域的塑性變形能力，為此節(jié)點域可先設(shè)計成先于梁端屈服，

38、但仍需滿足有關(guān)公式的要求。利用“強節(jié)點弱桿件”的抗震概念，將梁端附近截面局部削弱。試驗表明，基于這一思想的梁端狗骨式設(shè)計（圖6-25）具有優(yōu)越的抗震性能，可將框架的屈服控制在削弱的梁端截面處。設(shè)計與制作時，月牙形切削的切削面應(yīng)刨光，起點可距梁端約150mm，切削后梁翼緣最小截面積不宜大于原截面積的90%，并應(yīng)能承受按彈性設(shè)計的多遇地震下的組合內(nèi)力。為進一步提高梁端的變形延性，還可根據(jù)梁端附近的彎矩分布，對梁端截面的削弱進行更細(xì)致的設(shè)計，使得梁在一個較長的區(qū)段（同步塑性區(qū)）能同步地進行塑性耗能（圖6-26）。建議梁的同步塑性區(qū)L3的長度取為梁高的一半，使梁的同步塑性區(qū)各截面的塑性抗彎承載力比彎矩

39、設(shè)計值同等地低5%10%，在同步塑性區(qū)的兩端各有一個L2L4100mm左右的光滑過渡區(qū)，過渡區(qū)離柱表面L150100mm，以避開熱影響區(qū)。圖6-23 梁腹板補焊圖6-24 梁柱連接的加強 圖6-25 狗骨式設(shè)計 圖6-26 同步塑性設(shè)計 6.5.2 中心支撐框架抗震構(gòu)造措施 1、受拉支撐的布置要求考慮地震作用方向是任意的，且為反復(fù)作用，當(dāng)中心支撐采用只能受拉的斜桿體系時，應(yīng)同時設(shè)置兩組不同傾斜方向的斜桿，且兩組斜桿的截面面積在水平方向的投影面積之差不得大于10%。2、支撐桿件的要求在地震作用下，支撐桿件可能會經(jīng)歷反復(fù)的壓曲拉直作用，因此支撐桿件不宜采用焊接截面，應(yīng)盡量采用軋制型鋼。若采用焊接H

40、型截面作支撐構(gòu)件時，在8、9度區(qū)，其翼緣與腹板的連接宜采用全焊透連接焊縫。為限值支撐壓曲造成的支撐板件的局部屈曲對支撐承載力及耗能能力的影響，對支撐板件的寬厚比需限值更嚴(yán)，應(yīng)不大于表6-10規(guī)定的限值。鋼結(jié)構(gòu)中心支撐板件寬厚比限值 表6-10板件名稱不超過12層超過12層7度8度9度6度7度8度9度翼緣外伸部分工字型截面腹板箱型截面腹板1333311130289272592523823218232172119圓管外徑與壁厚比42404038注：表列數(shù)值適用于Q235鋼，采用其他牌號鋼材應(yīng)乘以。為使支撐桿件最低具有一定的耗能性能，中心支撐桿件的長細(xì)比不宜大于表6-11的限值。此外，當(dāng)支撐為填板連

41、接的雙肢組合構(gòu)件時，肢件在填板間的長細(xì)比不應(yīng)大于構(gòu)件最大長細(xì)比的1/2，且不應(yīng)大于40。鋼結(jié)構(gòu)中心支撐板件長細(xì)比限值 表6-11類型6、7度8度9度不超過12層按壓桿設(shè)計150120120按拉桿設(shè)計200150150超過12層1209060注：表列數(shù)值適用于Q235鋼，采用其他牌號鋼材應(yīng)乘以。3、支撐節(jié)點要求當(dāng)結(jié)構(gòu)超過12層時，支撐宜采用H型鋼制作，兩端與框架可采用剛接構(gòu)造。支撐與框架連接處，支撐桿端宜放大做成圓弧狀，梁柱與支撐連接處應(yīng)設(shè)置加勁肋見圖6-27。當(dāng)結(jié)構(gòu)不超過12層時，若支撐與框架采用節(jié)點板連接，支撐端部至節(jié)點板嵌固點在支撐桿件方向的距離，不應(yīng)小于節(jié)點板厚度的2倍（圖6-28）。試

42、驗表明，這個不大的間隙允許節(jié)點板在強震時有少許屈曲，能顯著減少支撐連接的破壞，有積極作用。 圖6-27 H型鋼支撐連接節(jié)點示例圖6-28 支撐端部節(jié)點板構(gòu)造示意圖 4、框架部分要求中心支撐框架結(jié)構(gòu)的框架部分的抗震構(gòu)造措施要求可與純框架結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施要求一致。但當(dāng)房屋高度不高于100m且框架部分承擔(dān)的地震作用不大于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力的25%時，8、9度的抗震構(gòu)造措施可按框架結(jié)構(gòu)降低一度的相應(yīng)要求采用。6.5.3 偏心支撐框架抗震構(gòu)造措施 1、消能梁段的長度偏心支撐框架的抗震設(shè)計應(yīng)保證罕遇地震下結(jié)構(gòu)屈服發(fā)生消能梁段上，而消能梁的屈服形式有兩種，一種是剪切屈服型，另一種是彎曲屈服型。試驗和分析表明，剪切屈服型消能梁段的偏心支撐框架的剛度和承載力較大，延性和耗能性能較好，抗震設(shè)計時，消能梁段宜設(shè)計成剪切屈服型。其凈長a滿足下列公式要求者為剪切屈服型消能梁段當(dāng)時 (6-37a)當(dāng)時 (6-37b)其中 (6-38) (6-39)式中 消能梁段塑性受剪承載力； 消能梁段塑性受彎承載力； 消能梁段腹板高度； 消能梁段腹板厚度； 消能梁段截面塑性抵抗矩； 消能梁段截面面積； 消能梁段腹板截面面積。當(dāng)消能梁段與柱連接，