多层钢结构抗震设计.ppt

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1、第8章 多层钢结构抗震设计,返回总目录,教学提示：多层钢结构的结构体系主要有框架体系、框架-支撑(抗震墙板)体系等，它们的区别在于抗侧力结构的形式不同。同混凝土结构相比，钢结构具有优越的强度和韧性，抗震能力较强。但也必须重视焊接、连接、冷加工等工艺技术以及腐蚀环境对钢结构房屋抗震性能影响。多层钢结构的抗震计算采用两阶段设计法，第一阶段设计时，其地震作用效应采用弹性方法计算，根据不同情况，可采用底部剪力法、振型分解反应谱法以及时程分析法；第二阶段的抗震验算应采用时程分析法对结构进行弹塑性时程分析，其结构计算模型可以采用杆系模型、剪切型层模型、剪弯型模型或剪弯协同工作模型。教学要求：本章要求学生了

2、解多层钢结构的结构体系、钢结构房屋抗震规定、抗震计算要点及构造措施。,8.1 概述 8.2 多层钢结构抗震设计的一般规定 8.3 钢结构房屋的抗震计算 8.4 多层钢结构房屋的抗震构造要求 8.5 多层钢结构厂房抗震设计 8.6 习题,本章内容,8.1.1 多层钢结构的体系与布置,多层钢结构的体系主要有框架体系、框架-支撑(抗震墙板)体系等。1.框架体系 框架体系是由沿纵横向方向的多榀框架构成及承担水平荷载的抗侧力结构，它也是承担竖向荷载的结构。这类结构的抗侧力能力主要决定于梁柱构件和节点的强度与延性，故节点常采用刚性连接节点。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

3、方向均匀布置一定数量的支撑所形成的结构体系。在框架-支撑体系中，框架是剪切型结构，底部层间位移大；支撑为弯曲型结构，底部层间位移小，两者并联，可以明显减少建筑物下部的层间位移，因此在相同的侧移限值标准的情况下，框架-支撑体系可以用于比框架体系更高的房屋。支撑体系的布置由建筑要求及结构功能来确定，一般布置在端框架中、电梯井周围处。支撑类型的选择与是否抗震有关，也与建筑的层高、柱距以及建筑使用要求，如人行通道、门洞和空调管道设置等有关，因此需要根据不同的设计条件选择适宜的类型。常用的支撑体系有中心支撑和偏心支撑。,8.1 概 述,(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

4、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。根据斜杆的不同布置形式，可形成X形支撑、单斜支撑、人字形支撑、K形支撑及V形支撑等类型，如图8.1所示。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：支撑斜杆重复压曲后，其抗压承载力急剧降低；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；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；同一层支撑框架内的斜杆轮流压曲又不能恢复

5、(拉直)，楼层的受剪承载力迅速降低。因此对于地震区建筑，不得采用K形中心支撑，因K形支撑的斜杆因受压屈曲或受拉屈服时，将使柱子发生屈曲甚至严重破坏。当采用单斜支撑且按受拉设计时，应同时设置不同倾斜方向的两组单斜杆，且每层中不同方向单斜杆的面积在水平方向的投影面积之差不得大于10%。,8.1 概 述,(a)X型支撑1(b)X型支撑2(c)人字形支撑(d)V形支撑图8.1 中心支撑类型,8.1 概 述,图8.2 偏心支撑类型,(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

6、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，如图8.2所示。,8.1 概 述,采用偏心支撑的主要目的是改变支撑斜杆与梁(消能梁段)的先后屈服顺序，即在罕遇地震时，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，它是适宜用于高烈度地区的一种新型支撑体系。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

7、覆能力。抗震墙板主要有以下三种类型。(1)钢抗震墙板。钢抗震墙板一般需采用厚钢板，其上下两边缘和左右两边缘可分别与框架梁和框架柱连接，一般采用高强度螺栓连接。钢板抗震墙板承担沿框架梁、柱周边的地震作用，不承担框架梁上的竖向荷载。非抗震设防及按6度抗震设防的建筑，采用钢板抗震墙可不设置加劲肋。按7度及7度以上抗震设防的建筑，宜采用带纵向和横向加劲肋的钢板抗震墙，且加劲肋宜两面设置。,8.1 概 述,(2)内藏钢板支撑抗震墙板。内藏钢板支撑抗震墙是以钢板为基本支撑，外包钢筋混凝土墙板的预制构件。内藏钢板支撑可做成中心支撑也可做成偏心支撑，但在高烈度地区，宜采用偏心支撑。预制墙板仅在钢板支撑斜杆的上

8、下端节点处与钢框架梁相连，除该节点部位外与钢框架的梁或柱均不相连，留有间隙，因此，内藏钢板支撑抗震墙仍是一种受力明确的钢支撑。由于钢支撑有外包混凝土，故可不考虑平面内和平面外的屈曲。墙板对提高框架结构的承载能力和刚度，以及在强震时吸收地震能量方面均有重要作用。(3)带竖缝混凝土抗震墙板。普通整块钢筋混凝土墙板由于初期刚度过高，地震时首先斜向开裂，发生脆性破坏而退出工作，造成框架超载而破坏，为此提出了一种带竖缝的抗震墙板。它在墙板中设有若干条竖缝，将墙分割成一系列延性较好的壁柱。多遇地震时，墙板处于弹性阶段，侧向刚度大，墙板如同由壁柱组成的框架板承担水平抗震。罕遇地震时，墙板处于弹塑性阶段而在柱

9、壁上产生裂缝，壁柱屈服后刚度降低，变形增大，起到耗能减震的作用。,8.1 概 述,8.1.2 钢结构房屋的震害及破坏形式,同混凝土结构相比，钢结构具有优越的强度、韧性或延性、强度重量比，总体上看抗震性能好、抗震能力强。尽管如此，由于焊接、连接、冷加工等工艺技术以及腐蚀环境的影响，钢材材性的优点将受到影响。如果在设计、施工、维护等方面出现问题，就会造成损害或者破坏。震害调查表明(见表8-1)，钢结构较少出现倒塌破坏情况，主要震害表现有构件整体或者局部失稳、节点破坏、基础连接破坏、构件破坏等。,表8-1 唐山钢铁厂震害调查资料,8.1 概 述,在地震作用下，钢结构房屋由于钢材的材质均匀，强度易于保

10、证，因而结构的可靠性大；轻质高强的特点，使钢结构房屋的自重轻，从而结构所受的地震作用减小；良好的延性性能，使钢结构具有很大的变形能力，即使在很大的变形下仍不致倒塌，从而保证结构的抗震安全性。但是，钢结构房屋如果设计与制造不当，在地震作用下，可能发生构件的失稳和材料的脆性破坏以及连接破坏，而使其优良的材性得不到充分的发挥，结构未必具有较高的承载力和延性。,8.1 概 述,一般来说，钢结构房屋在强震作用下，强度方面是足够的，但其侧向刚度一般不足。钢结构在地震作用下，虽然很少整体倒塌，但常发生局部破坏和材料的脆性破坏。例如，1985年9月19日，墨西哥城发生8.1级大地震，震后发现，1957年以前采

11、用的钢结构体系(如交叉支撑结构)发生严重破坏，而以后普遍采用的抗弯框架体系和抗弯框架-支撑体系则破坏较轻，其中抗弯框架体系的破坏主要发生在梁柱连接处，以及框架梁的受压斜杆屈曲。抗弯框架-支撑体系除了Pino Suarez综合楼发生倒塌外，只有两栋结构有损伤。1994年美国诺斯里奇(Northrige)发生6.7级地震，震后未发现倒塌的钢结构建筑，钢结构的破坏形式主要为：框架节点区的梁柱焊接连接破坏；竖向支撑的整体失稳和局部失稳；柱脚焊缝破坏以及锚栓失效。1995年1月17日日本阪神发生的7.2级大地震中，钢结构建筑中震害严重和数量较多的主要是年久失修的简易型低层钢结构，但也有建于20世纪70年

12、代后期的钢结构建筑遭受破坏，而在1981年新的抗震规范颁布后按新规范设计的建筑很少破坏。其主要破坏形式为：钢柱脆断；支撑以及其连接板的破坏；梁柱节点的破坏。那次地震中，由于钢结构具有良好的延性，相对于钢筋混凝土结构的破坏程度要小，同时也表明考虑抗震设计的钢结构建筑很少破坏。而有些钢结构建筑的倒塌和钢柱的脆性断裂，以及支撑屈曲和数量较多的梁柱节点破坏，已引起了工程界的重视，并进行了相应的研究。,8.1 概 述,8.1.3 钢结构房屋的抗震性能,钢结构房屋的抗震性能的好坏取决于结构体系构造、构件及其连接的抗震性能。常用的钢结构体系有框架结构、框架-支撑结构、框架-抗震墙板结构以及筒体结构、巨型框架

13、结构等。钢框架结构构造简单、传力明确，侧移刚度沿高度分布均匀，结构整体侧向变形为剪切型(多层)，抗侧移能力主要取决于框架梁、柱的抗弯能力。如构造设计合理，在强震发生时，结构陆续进入屈服的部位是框架节点域、梁、柱构件，结构的抗震能力取决于塑性屈服机制以及梁、柱、节点的耗能及延性性能。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。另外，研究及震害调查表明，以梁铰屈服机制设计的框架结构抗震性能较好，易于实现“小震不坏、大震不倒”的经济型抗震设防目标。,8.1 概 述,钢框架-支撑体系可分为中心支

14、撑类型和偏心支撑类型。中心支撑结构使用中心支撑构件，增加了结构抗侧移刚度，可更有效的利用构件的强度，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。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

15、设计用于消耗地震能量的消能梁段。强震发生时，耗能梁段率先屈服，消耗大量地震能量，保护主体结构，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。,8.1 概 述,图8.3 地震作用下中心支撑的变形 图8.4 偏心支撑框架的耗能机制,钢框架-抗震墙板结构，使用带竖缝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。其中，带缝剪力墙板在弹性状态下具有较大的抗侧移刚度，在强震下可进入屈服阶段并耗能。这种结构具有多道抗震防线，同实体剪力墙板相比，其特点是刚度退化过程平缓，整体延性好，在日本使用较多。,8.1 概 述,8

16、.2.1 钢结构房屋结构类型的选择及所使用的结构尺度,结构类型的选择关系到结构的安全性、实用性和经济性。可根据结构总体高度和抗震设防烈度确定结构类型和最大使用高度。表8-2为建筑抗震设计规范规定的多层钢结构民用房屋使用的最大高度。,表8-2 钢结构房屋适用的最大高度(m),8.2 多层钢结构抗震设计的一般规定,影响结构宏观性能的另一个尺度是结构高宽比，即房屋总高度与结构平面最小宽度的比值，这一参数对结构刚度、侧移、振动模态有直接影响。建筑抗震设计规范规定，钢结构民用房屋的最大高宽比不宜超过表8-3的限定。结构设计对结构尺度参数的选择要同时满足表8-2和表8-3的要求。,表8-3 钢结构民用房屋

17、适用的最大高宽比,8.2 多层钢结构抗震设计的一般规定,根据抗震概念设计的思想，多层钢结构要根据安全性和经济性的原则按多道防线设计。在上述结构类型中，框架结构一般设计成梁铰机制，有利于消耗地震能量、防止倒塌，梁是这种结构的第一道抗震防线；框架-支撑(抗震墙板)体系以支撑或者抗震墙板作为第一道抗震防线；偏心支撑体系是以梁的耗能段作为第一道防线。在选择结构类型时，除考虑结构总高度和高宽比之外，还要根据各结构类型抗震性能的差异及设计需求加以选择。一般情况下，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；超过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

18、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。,8.2 多层钢结构抗震设计的一般规定,8.2.2 结构平、立面布置以及防震缝的设置,多层钢结构的结构平面布置、竖向布置应遵守抗震概念设计中结构布置规则性的原则。设计中如出现平面不规则或者竖向不规则的情况，应按规范要求进行水平地震作用计算和内力调整，并对薄弱部位采取有效的抗震构造措施，不应采用严重不规则的设计方案。由于钢结构可耐受的结构变形比混凝土结构大，一般不宜设防震缝。需要设置防震缝时，缝的宽度应不小于相应钢筋混凝土结构房屋的1.5倍。,8.2 多层钢结构抗震设计的一般规定,8.2.3 支撑的设计要求,在框架-支撑体系中，可使用中心

19、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。因此，其结构平面布局应遵循抗侧移刚度中心与结构质量中心尽可能接近的原则。以减少结构可能出现的扭转。支撑框架之间楼盖的长宽比不宜大于3，以防止楼盖平面内变形影响对支撑抗侧刚度的准确估计。另外，还可以使用支撑构件改进结构刚度中心与质量中心偏差较大的情况。中心支撑构造简单、设计施工方便。在大震作用下支撑可能失稳，所产生的非线性变形可消耗一定的地震能量，但由于其力-位移曲线并不饱满，耗能并不理想。偏心体系在小震及正常使用条件下与中心支撑体系具有相当的抗侧刚度，在大震条件下靠梁的受弯段耗能，具有与强柱弱梁型框架相当的耗能能力，但构造相对复杂。因

20、此，对超过12层的钢结构宜采用偏心支撑，但在顶层可采用中心支撑。,8.2 多层钢结构抗震设计的一般规定,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。,8.2 多层钢结构抗震设计的一般规定,8.2.4 钢结构房屋的结构布置要求,钢结构房屋的结构体系与结构布置应符合规范规定的抗震设计基本要求。钢结构房屋应尽量采用规则的建筑方案，当采用不规则建

21、筑方案时，应设抗震缝，且缝宽应不小于钢筋混凝土结构房屋的1.5倍。多层钢结构一般采用框架结构、框架-支撑结构。采用框架-支撑结构时，支撑框架的两个方向的布置均宜基本对称，支撑框架之间楼盖的长宽比不宜大于3。多层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。中心支撑框架宜采用交叉支撑，也可采用人字形支撑或者单斜杆支撑，不宜采用K形支撑；支撑的轴线应交汇于梁柱构件轴线的交点，确有困难时偏离中心不应超过支撑杆件宽度，并应计入由此产生的附加弯矩。偏心支撑框架的每根支撑应至少有一端与框架梁连接，并在支撑与梁交点和柱之间或同一跨内另一支撑与梁交点之间形成消能梁段。,8.2 多层钢结构抗震设计的

22、一般规定,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(如图8.5所示)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。,8.2.5 钢结构房屋的楼板,图8.5 压型钢板组合楼板,采用压型钢板钢筋混凝土组合楼板和现浇钢筋混凝土楼板时，应与钢梁有可靠连接。采用装配式、装配整体式或轻型楼板时，应将楼板预埋件与钢梁焊接，或采取其他保证楼盖整体性的措施。,8.2 多层钢结构抗震设计的一般规定,钢结构房屋根据工程情况可设计或不设计地下室，设置地下室时，框架-支

23、撑结构中竖向布置的支撑应延伸至基础；框架柱应至少延伸至地下一层。支撑在地下室是否改为混凝土抗震墙形式，与是否设计钢筋混凝土结构层有关，设置钢筋混凝土结构层时采用混凝土墙段协调。该抗震墙是否由钢支撑外包混凝土构成还是采用混凝土墙，由设计确定。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。,8.2.6 钢结构房屋的地下室,8.2 多层钢结构抗震设计的一般规定,多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

24、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。,8.3.1 一般计算原则,8.3 钢结构房屋的抗震计算,1.多层建筑钢结构的设计反应谱 高层建筑钢结构的设计反应谱，采用阻尼比为0.02的地震影响系数 曲线表示，如图8.6所示。值应根据近震、远震、场地类别及结构自振周期计算，值

25、不小于0.2。及特征周期Tg按表8-4和表8-5的规定采用，系数 按下列公式确定：当0T0.1时=1+3.5T(8-1)当0.1T2时=3.5T(8-2)当T2时=3.5T+0.2Tg-0.1 T(8-3),8.3 钢结构房屋的抗震计算,图8.6 高层建筑钢结构的地震影响系数式中：地震影响系数；地震影响系数最大值；T结构自振周期；Tg场地特征周期。,8.3 钢结构房屋的抗震计算,表8-4 抗震设计水平地震影响系数最大值,表8-5 特征周期,(s),当主要抗侧力构件为钢筋混凝土结构时，地震影响系数应按建筑抗震设计规范的有关规定采用。,8.3 钢结构房屋的抗震计算,2.水平地震作用计算 多层建筑钢

26、结构的地震作用计算方法有：底部剪力法、振型分解反应谱法和时程分析法。高层建筑钢结构应根据不同情况，分别采用不同的地震作用计算方法。(1)底部剪力法。底部剪力法适用于高度小于等于60 m且平面和竖向较规则的高层建筑。底部剪力法根据建筑物的总策略荷载计算结构底部的总剪力，然后按一定的比例分配到各楼层，得到各楼层的水平地震作用后，即可按静力方法计算结构的内力，使用较方便。采用底部剪力法计算水平地震作用时，各楼层可仅按一个自由度计算，如图8.7所示。与结构的总水平地震作用等效的底部剪力标准值由下式计算：(8_4),8.3 钢结构房屋的抗震计算,图8.7 底部剪力法计算图形,8.3 钢结构房屋的抗震计算

27、,在质量沿高度分布基本均匀、刚度沿高度分布基本均匀或向上均匀减小的结构中，各层水平地震作用标准值按下式比例分配：(8-5)顶部附加水平地震作用标准为(8-6)(8-7)式中：相应于结构基本自振周期T1(按s计)的水平地震影响系数；结构的等效总策略荷载，取总重力荷载代表值的80%；,8.3 钢结构房屋的抗震计算,分别为第i、j层重力荷载代表值；抗震计算中重力荷载代表值为恒载和活载组合值之和，但雪荷载取标准值的50%，楼面活荷按建筑结构荷载规范规定的标准值第六组合值系数取值，一般民用建筑应取0.5，书库、档案库建筑应取0.8；分别为第i、j层楼盖距底部固定端的高度；第i层的水平地震作用标准值；顶部

28、附加地震作用系数；顶部附加水平地震作用；结构的基本自振周期；在初步计算时，可按下列经验公式估算：(8-8)对于重量及刚度分布比较均匀的结构，可用下式近似计算：(8-9),8.3 钢结构房屋的抗震计算,式中：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；计算周期修正系数，可取=0.9。采用底部剪力法时，突出屋面小塔楼的地震作用效应宜乘以增大系数3。增大影响宜向下考虑12层，但不再往下传递。,8.3 钢结构房屋的抗震计算,(2)振型分解反应谱法。不符合底部剪力法适用条件的其他高层钢结构，宜采用振型分解反应谱法。对体形比较规则，简单，

29、可不计扭转影响的结构，振型分解反应谱法仅考虑平移作用下的地震效应组合，沿主轴方向，结构第j振型第i质点的水平地震作用标准值，按下列公式计算：(8-10)(8-11)式中：相应于j振型计算周期Tj的地震影响系数；j振型的参与系数；j振型第i质点的水平相对位移。,8.3 钢结构房屋的抗震计算,根据各振型的水平地震作用标准值Fji，即可按下式计算水平地震作用响应(弯矩、剪 力、轴力和变形)：(8-12)式中：S水平地震作用效应；Sjj振型水平地震作用产生的效应，可只取前2个3个振型；当基本自振周期大于1.5s时或房屋高宽比大于5时，振型个数可适当增加。在复杂体型或不能按平面结构假定进行计算时，应按空

30、间协同工作或空间结构计算空间振型。,8.3 钢结构房屋的抗震计算,(3)时程分析法。竖向特别不规则的建筑及高度较大的建筑，宜采用时程分析法进行补充验算。采用时程分析法计算结构的地震反应时，应输入典型的地震波进行计算。不同的地震波会使相同结构出现不同的反应，这与地震波的频谱、幅值及时间长短有关。采用的能反映当地场地特征的地震加速度波不能少于4条，其中宜包括一条本地区历史上发生地震时的实测记录。地震波的持续时间不宜过短，宜取10s20s或更长。,8.3 钢结构房屋的抗震计算,8.3.2 地震作用下钢结构的内力与位移计算,1.地震作用下的内力与位移计算1)多遇地震作用下 结构在第一阶段多遇地震作用下

31、的抗震设计中，其地震作用效应采用弹性方法计算。可根据不同情况，采用底部剪力法、振型分解反应谱法以及时程分析法。实验研究表明，钢结构房屋的阻尼比小于钢筋混凝土结构，对于超过12层的钢结构可采用0.02，对于不超过12层的钢结构可采用0.035，对于单层钢结构仍采用0.05。钢结构在进行内力和位移计算时，对于框架-支撑、框架-抗震墙板以及框筒等结构常采用矩阵位移法。对于工字形截面柱，宜计入梁柱节点域剪切变形对结构侧移的影响；对中心支撑框架和不超过12层的钢结构，其层间位移计算可不计入梁柱节点域剪切变形的影响。框架-支撑结构的斜杆可按端部铰接杆计算；中心支撑框架的斜杆轴线偏离梁柱轴线交点不超过支撑杆

32、件的宽度时，仍可按中心支撑框架分析，但应计及由此产生的附加弯矩。,8.3 钢结构房屋的抗震计算,对于筒体结构，可将其按位移相等原则转化为连续的竖向悬臂筒体，采用有限条法对其进行计算。在预估杆截面时，内力和位移的分析可采用近似方法。在水平载荷作用下，框架结构可采用D值法进行简化计算；框架-支撑(抗震墙)可简化为平面抗侧力体系，分析时将所有框架合并为总框架，所有竖向支撑(抗震墙)合并为总支撑(抗震墙)，然后进行协同工作分析。此时，可将总支撑(抗震墙)当作一悬臂梁。,8.3 钢结构房屋的抗震计算,2)罕遇地震作用下 高层钢结构第二阶段的抗震验算应采用时程分析法对结构进行弹塑性时程分析，其结构计算模型

33、可以采用杆系模型、剪切型层模型、剪弯型模型或剪弯协同工作模型。在采用杆系模型分析时，柱、梁的恢复力模型可采用二折线型，其滞回模型可不考虑刚度退化。钢支撑和消能梁段等构件的恢复力模型，应按杆件特性确定。采用层模型分析时，应采用计入有关构件弯曲、轴向力、剪切变形影响的等效层剪切刚度，层恢复力模型的骨架曲线可采用静力弹塑性方法进行计算，可简化为二折线或三折线，并尽量与计算所得骨架曲线接近。在对结构进行静力塑性计算时，应同时考虑水平地震作用与重力载荷。构件所用材料的屈服强度和极限强度应采用标准值。对新型、特殊的杆件和结构，其恢复力模型宜通过实验确定。分析时结构的阻尼比可取0.05，并应考虑二阶段效应对

34、侧移的影响。,8.3 钢结构房屋的抗震计算,2.构件内力调整与组合 对于框架梁，可不按柱轴线处的内力而按梁段内力设计，框架-支撑结构中，框架部分按计算得到的地震剪力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。人字形和U型支撑组合的内力设计值应乘以1.5的增大系数。对于偏心支撑框架结构，为了确保消能梁段能进入弹塑性工作，消耗地震输入能量，支撑斜杆的轴力设计值，应取与支撑斜杆相连接的消能梁段达到受剪随载力时支撑斜杆轴力与增大系数的乘积，其值在8度及以下时不应小于1.4，9度时不应小于1.5；位于消能梁段同一跨的框架梁内力设计值，应取消能梁段达到受剪承载力与增大系数

35、的乘积，其值在8度及以下时不应小于1.5，9度时不应小于1.6；框架柱的内力设计值，应取消能段达到受剪承载力时柱内力与增大系数的面积，其值在8度及以下时不应小于1.5，9度时不应小于1.6。,8.3 钢结构房屋的抗震计算,内藏钢支撑钢筋混凝土墙板和带竖缝钢筋混凝土墙板应按有关规定计算，带竖缝钢筋混凝土墙板可仅承受水平荷载产生的剪力，不承受竖向荷载产生的压力。钢结构转换层下的钢框架柱，地震内力应乘以1.5的增大系数。在抗震设计中，一般高层钢结构可不考虑风荷载及竖向地震的作用，但对于高度大于60 m的高层钢结构须考虑风荷载的作用，在9度区尚需考虑竖向地震的作用。,8.3 钢结构房屋的抗震计算,3.

36、侧移控制 在小震下(弹性阶段)，过大的层间变形会造成非结构构件的破坏，而在大震下(弹塑性阶段)，过大的变形会造成结构的破坏或倒塌，因此，应限制结构的侧移，使其不超过一定的数值。在多遇地震下，钢结构的层间侧移标准值应不超过层高的1/300。结构平面端部构件的最大侧移不得超过质心侧移的1.3倍。在罕遇地震下，钢结构的层间侧移不应超过层高的1/50。同时结构层间侧移的延性比对于纯框架、偏心支撑框架、中心支撑框架、有混凝土抗震墙的钢框架应分别大于3.5、3.0、2.5和2.0。,8.3 钢结构房屋的抗震计算,4.钢结构的整体稳定 高层钢结构的稳定分为倾覆稳定和压屈稳定两种类型。倾覆稳定可通过限制高宽比

37、来满足，压屈稳定又分为整体稳定和局部稳定。当钢框架梁的上翼缘采用抗剪连接件与组合楼板连接时，可不验算地震作用下的整体稳定。,8.3 钢结构房屋的抗震计算,钢框架的承载能力和稳定性与梁柱构件、支撑构件、连接件、梁柱接点域都有直接的关系。结构设计要体现强柱弱梁的原则，保证接点可靠性，实现合理的耗能机制。为此，需要进行构件、节点承载力和稳定性验算。验算的主要内容有：框架梁柱承载力和稳定验算、节点承载力与稳定性验算、支撑构件的承载力验算、偏心支撑框架构件的抗震承载力验算、构件及其连接的极限承载力验算。,8.3 钢结构房屋的抗震计算,1.钢结构构件及其节点的抗震承载力计算 强柱弱梁是抗震设计的基本要求，

38、在地震作用下，塑性效应在梁端形成而不应在柱端形成，此时框架具有较大的内力重分布和消能能力。为此柱端应比梁端有更大的承载能力储备。对于抗震设防框架柱在框架的任一节点处，柱截面的塑性抵抗矩和梁截面的塑性抵抗矩应满足下式的要求：(8-13),8.3 钢结构房屋的抗震计算,式中：，柱和梁的塑性截面模量；N柱轴向压力设计值；Ac柱截面面积；，柱和梁的钢材屈服强度；强柱系数，超过6层的钢框架，6度IV类场地和7度时可取 1.0，8度时可取1.05，9度时可取1.15。为了保证在大地震作用下，使柱和梁连接的节点域腹板不致局部失稳，以利于吸收和耗散地震能量，在柱与梁连接处，柱应设置与梁上下翼缘位置对应的加劲肋

39、，使之与柱翼缘相包围处形成梁柱节点域。节点域柱腹板的厚度，一方面要满足腹板局部稳定要求，另一方面还应满足节点域的抗剪要求。,8.3 钢结构房屋的抗震计算,研究表明，节点域既不能太厚，也不能太薄，太厚了使节点域不能发挥耗能作用，太薄了将使框架的侧向位移太大。节点域的屈服承载力应满足式(8-14)的要求：(8-14)工字形截面柱(8-15)箱形截面柱(8-16),8.3 钢结构房屋的抗震计算,式中：，节点域两侧梁的全塑性受弯承载力；Vp节点域的体积，根据式(8-15)或式(8-16)确定；fv钢材的抗剪强度设计值；折减系数，6度IV类场地和7度时可 取0.6，8度、9度时可取0.7；梁腹板高度和柱

40、腹板高度；柱在节点域的腹板厚度。,8.3 钢结构房屋的抗震计算,为保证工字形截面柱和箱形截面柱的节点域的稳定，节点域腹板的厚度应满足式(8-17)的要求：(8-17)节点域的受剪承载力应满足式(8-18)的要求：(8-18)式中：节点域两侧梁的弯矩设计值；节点域承载力抗震调整系数，取0.85。,8.3 钢结构房屋的抗震计算,当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的钢材抗拉强度设计值乘积的比值不超过0.4，或作为轴心受压构件在2倍地震力下稳定性得到保证时，可不按式(8-18)验算。当柱节点域腹板厚度不小于梁、柱截面高度之和的1/70时，可不验算节点

41、域的稳定性。2.中心支撑框架构件的抗震承载力验算 在反复荷载作用下，支撑斜杆反复受压、受拉，且受压屈曲后的变形增大较大，转而受拉时不能完全拉直，造成受压承载力再次降低，即出现弹塑性屈曲后承载力退化现象。支撑杆件屈曲后，最大承载力的降低是明显的，长细比越大，退化程度越严重。在计算支撑杆件时应考虑这种情况。,8.3 钢结构房屋的抗震计算,在多遇地震作用效应组合下，支撑杆受压承载力按式(8-19)进行：(8-19)(8-20)(8-21)式中：N支撑斜杆的轴向力设计值；Abr支撑斜杆截面面积；轴心受压构件的稳定系数；受循环荷载时的强度降低系数；支撑斜杆的正则化(归一化)长细比；E支撑斜杆材料的弹性模

42、量；钢材屈服强度；支撑承载力抗震调整系数，取0.8；f钢材的强度设计值；构件长细比。,8.3 钢结构房屋的抗震计算,对人字形支撑，当支撑腹杆在大震下受力压屈曲后，其承载力将下降，导致横梁在支撑连接处出现向下的不平衡集中力，可能引起横梁破坏和楼板下陷，并在横梁两端出现塑性铰；V形支撑的情况类似，仅当斜杆失稳时楼板不是下陷而是向上隆起，不平衡力方向相反。因此，设计时要求人字形支撑和V形支撑的横梁在支撑连接处应保持连续。在验算横梁时，除应承受支撑斜杆传来的内力外，尚应满足在不考虑支撑的支点作用将横梁视为简支梁时在竖向荷载和受压支撑屈曲后产生的不平衡力作用下的承载力要求。不平衡集中力取受拉支撑的竖向分

43、量减去受压支撑屈曲压力竖向分量的30%。,8.3 钢结构房屋的抗震计算,3.偏心支撑框架构件的抗震承载力验算 偏心支撑框架的设计原则是强柱、强支撑和弱消能梁段，即在大地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。设计良好的偏心支撑框架，除柱脚有可能出现塑性铰外，其他塑性铰均出现在梁段上。偏心支撑框架的每根支撑应至少一端与梁连接，并在支撑与梁交点和柱之间或同一跨内另一支撑与梁交点之间形成消能梁段。消能梁段的受剪承载力应按下列规定验算。,8.3 钢结构房屋的抗震计算,当N0.15Af时 V(8-22)式中：V=0.58Awfay

44、或Vl=2Mlp/a，取较小值；其中(8-23)当N0.15Af时 V(8-24)式中：或，取较小值；系数，取0.9；V，N消能梁段的剪力设值和轴力设计值；Vl,Vlc消能梁段的受剪承载力和考虑轴力影响的受剪承载力；Mlp消能梁段的全塑性受弯承载力；a,h,tw,tf消能梁段的长度、截面高度、腹板厚度和翼缘厚度；A，Aw消能梁段的截面面积和腹板截面面积；Wp消能梁段的塑性截面模量；f,fay消能梁段钢材的抗拉强度设计值和屈服强度；消能梁段承载力抗震调整系数，取0.85。,8.3 钢结构房屋的抗震计算,消能梁段的屈服强度越高，屈服后的延性越差，消能能力越小，因此消能梁段的钢材屈服强度不应大于34

45、5 MPa。支撑斜杆与消能梁连接的承载力不得小于支撑的承载力。若支撑须抵抗弯矩，支撑与梁的连接应采用钢接，并按抗压弯连接设计。4.钢结构构件连接的抗震承载力验算 钢结构连接的设计原则是强连接弱杆件，钢结构构件的连接应按地震组合内力进行弹性设计，并应进行极限承载力验算。,8.3 钢结构房屋的抗震计算,1)梁与柱连接的承载力验算 框架结构的塑性发展是从梁柱连接处开始的。为使梁柱构件能充分发展塑性形成塑性铰，构件的连接应有充分的承载力。梁与柱连接按弹性设计时，梁上下翼缘的端截面应满足连接的弹性设计要求，梁腹板应计入剪力和弯矩。梁与柱连接的极限受弯、受剪承载力，应符合下列要求：(8-25)且(8-26

46、)式中：梁上下翼缘全熔透坡口焊缝的极限受弯承载力；梁腹板连接的极限受剪承载力，垂直于角焊缝受剪时，可提高1.22倍；梁(梁贯通时为柱)的全塑性受弯承载力；梁的净跨(梁贯通时取该楼层的净高)；，梁腹板的高度和厚度；钢材的屈服强度。,8.3 钢结构房屋的抗震计算,2)支撑与框架的连接及支撑拼连的承载力计算 支撑与框架的连接及支撑拼接，须采用螺栓连接。连接在支撑轴线方向的极限承载力应不小于支撑净截面屈服承载力的1.2倍，即(8-27)式中：螺栓连接和节点板连接在支撑轴线方向的极限承载力；支撑的截面净面积；支撑钢材的屈服强度。,8.3 钢结构房屋的抗震计算,3)梁、柱构件拼接处的承载力验算 梁、柱构件

47、拼接的弹性设计时，腹板应计入弯矩，且受剪承载力不应小于构件截面受剪承载力的50%；拼接的极限承载力，应符合下列要求。(8-28)无轴向力时(8-29)有轴向力时(8-30)式中：，构件拼接的极限受弯、受剪承载力；构件有轴向力时全截面受弯承载力，按式(8-35)至(8-36)计算；，拼接构件截面腹板的高度和厚度；被拼接构件的钢材屈服强度。,8.3 钢结构房屋的抗震计算,拼接采用螺栓连接时，尚应符合下列要求。翼缘(8-31)且(8-32)腹板(8-33)且(8-34)式中：，一个螺栓的极限受剪承载力和对应的板件极限承压力；翼端的有效截面面积；腹板拼接中弯矩引起的一个螺栓的最大剪力；n 翼缘拼接或腹

48、板拼接一侧的螺栓数。,8.3 钢结构房屋的抗震计算,4)构件有轴力时的全截面受弯承载力计算 当梁柱连接为梁贯通型时，侧柱与梁的连接除弯矩外，还承受轴力N，柱的抗弯承载力 随压力的增加而减少，构件有轴向力时的全截面受弯承载力应按式(8-35)和式(8-36)计算。(1)对工字形截面(绕强轴)和箱形截面。当 0.13时(8-35)当 0.13时(8-36),8.3 钢结构房屋的抗震计算,(2)对工字形截面(绕弱轴)。当 时(8-37)当 时(8-38)式中：N，构件的轴向力和轴向屈服承受力；A，构件截面的面积和腹板截面的面积。,8.3 钢结构房屋的抗震计算,5)焊接的极限承载力计算 焊缝的极限强度

49、高于母材的抗拉强度，计算时取其等于母材的抗拉强度最小值；角焊缝的极限抗剪强度也高于母材的极限抗剪强度，梁腹板连接的角焊缝极限受剪承载力取母板的极限抗剪强度乘角焊缝的有效受剪面积。因此，焊缝的极限承载力应按式(8-39)和式(8-40)计算。对接焊接受拉(8-39)角焊缝受剪(8-40)式中：焊缝的有效受力面积；构件母材的抗拉强度最小值。,8.3 钢结构房屋的抗震计算,6)高强度螺栓连接的极限受剪承载力计算 高强度螺栓连接的极限受剪承载力，应取下列二式计算的较小者：(8-41)(8-42)式中：，一个高强度螺栓的极限受剪承载力和对应的极限承压力；螺栓连接的剪切面数量；螺栓螺纹处的有效截面面积；螺

50、栓钢材的抗拉强度最小值；螺栓杆直径；同一受力方向的钢板厚度之和；螺栓连接板的极限承压强度，取。,8.3 钢结构房屋的抗震计算,8.4.1 钢框架构造措施,1.框架柱的长细比 长细比和轴压比均较大的柱，其延性较小，并容易发生全框架整体失稳。对柱的长细比和轴压比作些限制，就能控制二阶段效应对柱极限承载力的影响。为了保证框架柱具有较好的延性，地震区柱的长细比不宜太大，不超过12层的钢框架柱的长细比，6度8度时不应大于，9度时不应大于。2.梁柱板件的宽厚比 在钢框架设计中，为了保证梁的安全承载，除了承载力和整体稳定问题外，还必须考虑梁的局部稳定问题。如果梁的受压翼缘宽厚比或腹板的高厚比较大，则在受力过