大學課件-建筑結構抗震設計3.4 鋼結構房屋抗震設計

第三章建筑結構抗震設計3.1

結構抗震概念設計3.2

混凝土結構房屋抗震設計3.3

砌體結構房屋抗震設計3.4

鋼結構房屋抗震設計

一

、鋼結構房屋的震害

在地震作用下極少整體倒塌，但常發(fā)生局部破壞；如梁、柱的局部失穩(wěn)與整體失穩(wěn)，交叉支撐的破壞，結點的破壞等。圖3-4-1

圓鋼支撐的破壞圖3-4-2

支撐桿失穩(wěn)圖3-4-3

角鋼支撐連接破壞二、高層鋼結構房屋抗震設計1、高層鋼結構體系

：

(1)純框架體系:平面布置及窗戶開設等有較大的靈活性，其抗側(cè)力能力依靠梁柱構件及其節(jié)點承載力與延性，故節(jié)點必須做成剛接，?

節(jié)點制作的復雜化

。(2)框架一支撐體系：為提高結構的側(cè)向剛度，經(jīng)濟的辦法是在框架的一部分開間中設置支撐，它與梁、柱組成一豎向的支撐桁架體系，它們通過樓板體系可以與無支撐框架共同抵抗側(cè)力，以減小側(cè)向位移。支撐布置的位置：端框架中、電梯井周圍等處；支撐的形式：圖3-4-8及圖3-4-9常采用。圖3-4-8

支撐架腹桿形式圖3-4-9常用支撐布置形式支撐桁架腹桿的形式：

交叉式和K式(圖3-4-8)

華倫式(圖3-4-9b)

偏心支撐(圖3-4-10):e段是梁上的薄弱部位，可以避免支撐的屈曲，具有較大的延性圖3-4-10

偏心支撐(3)

框架一剪力墻板體系

在鋼框架中嵌入剪力墻板（可用鋼板或鋼砼板）。墻板對提高框架結構的承載能力和剛度，以及在吸能方面均有重要作用。普通整塊鋼砼墻板初期剛度過高，地震時它們將發(fā)生脆性破壞?因此提出延性剪力墻板，如帶豎縫的剪力墻板（圖3-4-12）。圖3-4-12

帶豎縫的鋼筋混凝土剪力墻

(4)

筒體體系

超高層建筑是一種經(jīng)濟有效的結構形式，它既能滿足結構剛度的要求又能形成較大的使用空間。圖3-4-13

筒體體系2、高層鋼結構抗震設計：兩階段設計：①多遇地震作用下的彈性分析，驗算構件的承載力和穩(wěn)定性以及結構的層間位移；②罕遇地震作用下的彈塑性分析，驗算結構的層間側(cè)移和層間側(cè)移延性比?！?/p>

=

?

i

T

δ

（1）地震作用計算1）結構自振周期：

頂點位移法：

T1

=1.7α0

?T

n

i=1

δi

=VGi

/∑D(3-4-1)

(3-4-2)(3-4-3)在初步設計時，基本周期可按下列經(jīng)驗公式T1

=

0.1n(3-74)式中：n為建筑物層數(shù)（不包括地下部分及屋

頂塔屋）2）設計反應譜：高層鋼結構在彈性階段的

ζ

為0.02，小于一

ζ

ζ

=0.05提高約34％，故抗震設計時αmax

應為規(guī)范表中

αmax

的1.34倍。高層鋼結構在彈塑性階段的

ζ

可采用0.05

3）底部剪力底部剪力法計算水平地震作用同其它結構不同之處：頂層附加水平集中力系數(shù)當結構高度在40m以下時，可采用“規(guī)范”中的方法+

0.05

1T1

+8但對于高層鋼結構：

δ

n

=

δn>0.15時，取δn＝0.15限制：采用底部剪力法計算時，其高度應不超過60m

且結構的平面及豎向布置應較規(guī)則。(3-75)4）雙向地震作用高層鋼結構高度較大，對設計要求應較嚴，對于設防烈度較高的重要建筑，當其平面明顯不規(guī)則時，應考慮雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應進行抗震計算。

根據(jù)強震觀測記錄的統(tǒng)計分析，二個方向水平地震加速度的最大值之比約為1：0.85，最大值不一定發(fā)生在同一時刻，因此《規(guī)范》采用平方和開方計算二個方向地震作用效應的組合。SEK

=

S

+(0.85Sy)SEK

=

S

+(0.85Sx)2

2x22y或Sx和

Sy分別為單向水平地震作用的扭轉(zhuǎn)效應（2）地震作用下內(nèi)力與位移計算1）多遇地震作用下：

采用彈性方法計算其地震作用效應

，并計入重力二階效應。根據(jù)不同情況，可采用底部剪力法、反應譜振型分解法以及時程分析法等方法。在預估桿件截面時：框架結構采用D值法進行簡化框架—支撐結構可簡化為平面抗側(cè)力體系。ηp

2）罕遇地震作用

采用時程分析法進行彈塑性時程分析。

不超過20層且層剛度無突變的鋼框架結構和支撐鋼框架結構，可采用：?up

=ηp

?ue?up

=

μ

?uy

=

?uy

ξy

屈服強度系數(shù)

即：或：

ξy

：（3）構件設計1）內(nèi)力組合：

抗震設計中，一般建筑結構可不考慮風荷載及豎向地震的作用，但對于高度大于60m的高層建筑須考慮風荷載的作用，在9度區(qū)時尚須考慮豎向地震的作用。S

=γ

GSGE

+γ

EhSEhk

+γ

EVSEVK

+ψWγWSWK(3-76)2）設計原則：

框架梁、柱截面按彈性設計，設計時應考慮到在罕遇地震作用下框架將轉(zhuǎn)入塑性工作，必須保證這一階段的延性，使其不致倒塌。a)特別要注意防止梁、柱發(fā)生整體和局部失

穩(wěn)，故梁、柱板件的寬厚比應不超過其在塑

性設計時的限值。b)應將框架設計成強柱弱梁體系。c)要考慮到塑性鉸出現(xiàn)在柱端的可能性而采取措施，以保證其承載力。（4）側(cè)移控制目的：(1)小震下（彈性階段）由于層間變形過大而造成非結構構件的破壞

，限值1/300(2)大震下（彈塑性階段）造成結構的倒塌，限值1/50采取的措施：減少梁的變形，但必須注意，一旦增加梁的承載力，塑性鉸可能由梁上轉(zhuǎn)移至柱上；減少節(jié)點區(qū)的變形，改用腹板較厚的重型柱或局部加固節(jié)點區(qū)來達到；增加柱子數(shù)量；三、鋼構件與連結的性能及其抗震設計梁、柱、支撐構件及其節(jié)點的合理設計，包括以下方面：Ⅰ、對于會形成塑性鉸的截面，應避免其在未達到塑性彎矩時發(fā)生局部失穩(wěn)或破壞，同時塑性鉸應具有足夠的轉(zhuǎn)動能力，以保證體系能形成塑性倒塌機構；Ⅱ、避免梁、柱構件在塑性鉸之間發(fā)生局部失穩(wěn)或整體失穩(wěn)；Ⅲ、構件之間的連接要設計成能傳遞剪力與彎矩、并能允許框架構件充分發(fā)揮塑性性能的形式。1、鋼梁的抗震設計破壞形式：側(cè)向整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)鋼梁在反復荷載下的極限荷載比單調(diào)荷載小，但樓板與一般靜力荷載作用下的鋼梁相同，計算時取截面塑性發(fā)為使梁在塑性鉸轉(zhuǎn)動過程中始終保持極限抗彎能力1展系數(shù)

γ

x

=，承載力抗震調(diào)整系數(shù)γ

RE

=

0.75。的約束作用又將使其承載力有明顯提高?鋼梁承載力計算?避免板件的局部失穩(wěn)及構件的側(cè)向扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)。板件6度7度8度9度工字形梁和箱形梁翼緣外伸部分111099箱形梁翼緣在兩腹板間的部分36323030工字形梁和箱形梁腹板85－120N/Afb80-110N/Afb72-100N/Afb72-100N/Afb板件的局部失穩(wěn)：限制板件的寬厚比，查下表表3-4-1

框架梁板件寬厚比限值

構件的側(cè)向扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)：除按一般要求設置側(cè)向

支承外，尚應在塑性鉸處設側(cè)向支承:設防烈度≥7度時，在這兩支承點間彎矩作用平面外的構件長細比λy應符合下列要求：

?1≤

M1

/M

p

≤

0.5

時：

λy

≤

(60?

40M1

/M

p)

235/

fay0.5

<

M1

/M

p

≤1.0

時：

λy

=

(45?10M1

/M

p)

235/

fay(3-77a)

(3-77b)

其中：M

1：為塑性鉸相距為l1的側(cè)向支撐點處的p

彎距，當長度l1內(nèi)為同向曲率時，M

1/M

為正，反向曲率時，M

1/M

p為負。M

p：M

p＝Wpx·f

其中Wpx為對中性軸x的毛截

面抵抗矩

在罕遇地震下可能出現(xiàn)塑性鉸處，梁上、下翼緣均應設有支撐點。2、鋼柱的抗震設計（1）鋼柱的強度與延性：鋼柱的工作性能取決于下列因素：①柱兩端約束;②柱軸向壓力的大小;③柱的長細比;④截面尺寸;⑤抗扭剛度。研究表明：柱的強度與延性隨著軸壓比的上升而下降；相同軸壓比下，柱長細比愈大，其彎曲變形能力愈小，易失穩(wěn)。λ滿足下列直線公式可避免框架發(fā)生彈3號鋼16Mn鋼塑性整體失穩(wěn)：

λ

≤120(1?

ρ)

λ

≤100(1?

ρ)(3-78a)

(3-78b)

式（3-78）可作為偏心受壓柱長細比和軸壓比的綜合限制公式。上述公式適用于ρ≥0.15；當ρ＜0.15時，由于軸壓比對框架的彈塑性失穩(wěn)影響已較小，只需對柱的最大長細比加以限定，使其不超過150。

（2）鋼柱的抗震設計柱的計算長度系數(shù)μ：純框架體系，可按《鋼結構設計規(guī)范》中有側(cè)移時的μ值取用；對于有支撐或剪力墻體系，如層間位移不超過限值（1／300層高），可取μ＝1.0。

為了實現(xiàn)“強柱弱梁”的設計原則，柱截面的塑性抵抗矩應滿足下列關系：式中：Wpc、Wpb為交匯于節(jié)點的柱和梁的截面塑性抵抗矩；

fyc

、fyb為柱和梁鋼材的屈服強度；

σa＝N／Ac為軸力N引起的柱平均軸向應力，其中N

按多遇地震作用的荷載組合計算；Ac為柱毛截面面積；

η為強柱系數(shù)，6度Ⅳ類場地和7度時可取1.0，8度時取1.05，9度時取1.15。pc∑W(

f

yc

?σ

a)

≥η∑Wpb

f

yb(3-78)軸壓比限值：軸壓比較大時，反復荷載下承載力的折減十分顯著，故其軸壓比不宜超過0.6。板件寬厚比的限值：保證塑性鉸的轉(zhuǎn)動能力，應按表3-4-2來確定板件6度7度8度9度工字形柱翼緣外伸部分1311109工字形柱腹板43434343箱形柱壁板39373533表3-4-2

框架柱板件寬厚比限值注：

表列數(shù)值適用于Q235鋼，其他鋼號應乘以235

/

fay長細比限值：對8度和9度抗震設防的結構，其長細比

長細比與軸壓比均較大的柱，延性較小，需要滿足式（3-78）的要求。限制在60

235

/

fay

以下，7度時為80

235

/

fay

，6度時則為120

235

/

fay。3、支撐構件的抗震設計在反復荷載作用下的性能與長細比關系很大:

當支撐構件采用圓鋼或扁鋼時，λ極大，當支撐構件采用型鋼時，λ一般較小，能

在水平荷載反復作用下，支撐桿件受壓失穩(wěn)后，其承載能力降低，剛度退化，吸能能力隨之降低。只能受拉而不能受壓

?

柔性支撐承受一定的壓力?剛性支撐

（1）中心支撐構件設計λ＜200時，應考慮拉、壓兩桿的共同工作；λ≥200時只起拉桿作用根據(jù)試驗，交叉支撐中拉桿內(nèi)力N

t

：

V(1+ψ

c?)cosαNt

=式中：V為支撐架節(jié)間的地震剪力；

φ為支撐斜桿的軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)；

ψc為壓桿卸載系數(shù);

α為支撐斜桿與水平所成的角度。(3-79)

計算人字支撐和V形支撐的斜桿內(nèi)力時，因斜桿受壓屈曲后使橫梁產(chǎn)生較大變形，同時體系的抗剪能力發(fā)生較大退化，為提高斜撐的承

載能力，其地震內(nèi)力應乘以增大系數(shù)1.5。

支撐斜桿在多遇地震作用效應組合下的抗壓驗

算，可按下式進行：

11+

0.35λnη

=fay

E

λπλn

=(3-81)(3-82)

ηfγ

RE

N?A≤(3-80)中心支撐的形式：宜采用十字交叉體系、單斜桿體系和人字支撐（V形支撐）體系；壓斜撐屈曲或受拉斜撐屈服引起較大的側(cè)向變形，易使柱首先破壞；

當采用只能受拉的單斜桿體系時，應同時設不同傾斜方向的兩組單斜桿，且每組中不同方向單斜桿的截面面積在水平方向的投影面積之差不得大于10%。不宜采用K形斜桿體系?在地震作用下，受支撐構件的長細比限值：當按6、7度抗震設防時，不宜大于120

235

/

fay

，8度時不宜大于

90

235

/

fay

，9度時不宜大于60

235

/

fay

。板件寬厚比限值見表3-4-3板件6度7度8度9度翼緣外伸部分9887工字形截面腹板25232321箱形截面腹板23212119表3-4-3

中心支撐構件板件寬厚比限值注：表列數(shù)值適用于Q235鋼，其他鋼號應乘以235

/

fay(2)偏心支撐體系設計1）耗能梁段設計：可通過調(diào)整耗能段的長度e，使該段梁的屈服先于支撐桿的失穩(wěn)。

設計中應使梁段發(fā)生剪切屈服型：梁腹板發(fā)生剪切屈服時，梁受剪段兩端所受的彎距尚未達到塑性彎距，這樣可發(fā)揮腹板優(yōu)良的剪切變形性能。適宜強震區(qū)。否則為彎曲屈服型。一般當e符合下式時即為剪切屈服型：e

≤1.6M

s

/Vs(3-83)M

s

=Wp

fayWp為梁段截面塑性抵抗矩，fv＝0.58fy。當梁段長e=1～1.3Ms/Vs時，該梁段對偏心支撐框架的承載力、剛度和耗能特別有效。Ms、Vs為耗能梁段的塑性抗彎和抗剪承載力

Vs

=

h0tw

fv

(3-84)(3-85)

一般耗能梁段只需作抗剪承載力驗算，即使梁段的一端為柱時，雖然梁端彎矩較大，但由于彈性彎矩向梁段的另一端重分布，在剪力到達抗剪承載力之前，不會有嚴重的彎曲屈服。梁段的抗剪承載力可按下列驗算：當Nlb

≤0.15Albf

時，忽略軸向力的影響：Vlb

≤

0.9Vs

/γ

RE(3-86)

Nlb、Vlb分別為耗能梁段的軸力設計值和

剪力設計值；Alb為耗能梁段的截面面積；f為耗能梁段鋼材的抗拉強度設計值；Vs為耗能梁段的受剪承載力，取下面兩式的較小值：

Vs

=

h0tw

fvVs

=

2M

s

/e(3-87a)(3-87b)式（3-87a）：腹板屈服時的剪力，式（3-87b）：梁段兩端形成塑性鉸時的剪力

當Nlb

＞0.15Albf

時，由于軸向力的影響，要適當降低梁段的受剪承載力，以保證梁段具有

穩(wěn)定的滯回性能：Vcs為耗能梁段考慮軸力影響的受剪承載力，按下式計算：（取小值）Vlb

≤

0.9Vcs

/γ

RE(3-88)

Vcs

=

h0tw

fv

1?[N

/(Af

)]Vcs

=

2.4M

s[1?

N

/(Af

)]/e(3-89a)

(3-89b)

耗能梁段的構造：其截面宜與同一跨內(nèi)框架梁相同，腹板應設置加勁肋，其間距不得超過30tw

～h0/5（tw為腹板厚度；h0為腹板計算高度）。2)支撐斜桿及框架梁、柱設計：偏心支撐斜桿內(nèi)力，可按兩端鉸接計算，其強度按下式計算：

fγ

RE

Nbr?Abr≤(3-90)為使偏心支撐框架僅在耗能梁段屈服，同時《抗震規(guī)范》考慮耗能梁段設置加勁肋會有1.5的實際有效超強系數(shù)，并根據(jù)各構件的抗震調(diào)整系數(shù)γRE規(guī)定：三者的內(nèi)力設計值，應取耗能梁段達到受剪承載力時各自的內(nèi)力乘以增大系數(shù)。（系數(shù)按規(guī)范：一般1.4～1.6）Ncom=η、

M對于偏心支撐斜桿的軸力設計值：

Vs

c

Nbr

Nbr

Vlb對于設有偏心支撐框架柱的軸力設計值：c

VsVlbNcom=η對于設有偏心支撐框架柱的彎矩設計值：利組合作用下框架柱的軸力和彎矩

ccomN

Vs

cMcom

Mcom

Vlb

c

com為在豎向荷載和水平荷載最不4、梁與柱的連接（1）梁與柱連接的工作性能：

常采用全部焊接或焊接與螺栓連接聯(lián)合使用。試驗表明：其強度由于應變硬化，均可超出計算值很多。如果設計與構造合適，可以承受較強烈的反復荷載，具有很高的吸能能力。1）設計要求：

框架節(jié)點的抗震設計中，應考慮在距梁端或柱端[1/10跨長或兩倍截面高度]范圍內(nèi)構件進入塑性區(qū)，設計時驗算：A.構件塑性區(qū)的板件寬厚比；B.受彎構件塑性區(qū)側(cè)向支承點間的距離；C.節(jié)點連接的極限承載力。（2）梁與柱連接的抗震設計連接的計算將包括：便將梁的內(nèi)力傳遞至柱；驗算柱在節(jié)點處的強度和剛度。計算連接件（焊縫、高強螺栓等）

?

以2）梁柱連接強度驗算彎、抗剪能力時應考慮鋼材強度的變異，也應考慮局部荷載的剪力效應

梁柱節(jié)點連接的承載能力應滿足下式要求：梁能充分發(fā)揮其強度與延性

?

確定梁的抗?M

u

≥1.2M

p(3-91)Vu

≥1.3(2M

p

/ln)

且

Vu

≥

0.58hwtw

fay(3-92)

系數(shù)1.2是考慮鋼材的實際屈服強度可能高于規(guī)

定值而采用的修正系數(shù)。

抗剪計算采用1.3，是再考慮跨中荷載的影響。（3）節(jié)點域強度驗算梁柱節(jié)點域的破壞形式：Ⅰ、柱腹板在梁受壓翼緣的推壓下發(fā)生局部失穩(wěn)，或柱翼緣在梁受拉翼緣的拉力下發(fā)生過大的彎曲變形，導致柱腹板處連接焊縫的破壞，如圖3-4-27a所示；Ⅱ、當節(jié)點域存在很大的剪力時，該區(qū)域?qū)⑹芗羟蚴Х€(wěn)而破壞如圖3-4-27b所示。圖3-4-27

梁柱節(jié)點區(qū)的破壞（a）柱翼緣的變形（b）節(jié)點核心區(qū)的變形1）節(jié)點區(qū)的拉、壓強度驗算：梁柱節(jié)點，梁彎矩對柱的作用可以近似地用作用于梁翼緣的力偶表示，而不計腹板內(nèi)力。此作用力T＝fy·Af（fy及Af為翼緣屈服強度及截面積）。設T

以1：2.5的斜率向腹板深處擴散，則在工字鋼翼緣填角盡端處腹板應力為：圖3-4-28

梁與柱連接處的作用力σ

=

=

Ttw(tb

+5kc)

fayAftw(tb

+5kc)(3-93)為了保證柱腹板的承載力，應使上述應力小于柱腹板的屈服強度，即當梁與柱采用同一

Aftb

+5kc鋼材時，應使：

tw

≥為了防止柱與梁受壓翼緣相連接處柱腹板的局部失穩(wěn)，柱腹板厚度尚應滿足下列穩(wěn)定性要求：tw

≥(hb

+

hc)/90(3-94)(3-95)

為了防止柱與梁受拉翼緣相接處柱翼緣及連接焊縫的破壞，對于寬翼緣工字鋼，柱翼緣的厚度tc應滿足下列條件：tc

≥

0.4

Af(3-96)若不能滿足式（3-94）、（3-95）、（3-96）的要求，則在節(jié)點區(qū)須設置加勁板。(a)無加勁板(b)水平加勁板(c)豎直加勁板(d)T形加勁板圖3-4-29

梁柱節(jié)點的加強《抗震規(guī)范》規(guī)定：主梁與柱剛接時應采用圖

3-4-29b的形式對于≥7度抗震設防的結構，柱的水平加勁肋應與翼緣等厚6度時應能傳遞兩側(cè)梁翼緣的集中力