第6章 钢结构抗震设计

巨型钢框架体系
导入案例 1985年9月的墨西哥大地震(里氏8.1级)中，在墨西 哥城的高烈度区内有102幢钢结构房屋，其中59幢 为1957年以后所建，1957年以后建造的钢结构房 屋倒塌或破坏严重的不多(表6-1)，与钢筋混凝土 结构比较而言，钢结构震害轻。为什么钢结构的房 钢震害轻？钢结构房屋是否还需要抗震设计?我们 可以通过本章的学习得到回答。
6.2.3 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； 交叉支撑； 单斜杆支撑；
(c) 人字支撑； (d) K形支撑 人字支撑； 形支撑
对不超过12层的钢结构宜采用中心支撑， 对不超过 层的钢结构宜采用中心支撑，有条件时也可采用偏 层的钢结构宜采用中心支撑 心支撑等消能支撑；超过12层的钢结构 宜采用偏心支撑， 层的钢结构， 心支撑等消能支撑；超过 层的钢结构，宜采用偏心支撑，但 在顶层可采用中心支撑。 在顶层可采用中心支撑。
4 基础锚固破坏
Failure of column base
5 构件破坏
日本神户地震
Crack at the top of a column
No.42 Failure of welded part at the beam end
No.71 Local buckling of a single-column steel pier
Brittle failure of a column of a high-rise steel structure high-
6.1.2 钢结构房屋的抗震性能 钢框架结构构造简单、传力明确，侧移刚度沿高度分布均匀， 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 结构构造简单 整体侧向变形为剪切型(多层 或弯剪型(高层 多层)或弯剪型 高层)， 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。 决于框架梁、柱的抗弯能力。 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， 效应对结构的抗震能力和结构的延性有较大影响， 重力荷载及 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， 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， 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 层以下的中低层房屋。 系适合于建造 层以下的中低层房屋。 钢框架-支撑体系可分为中心支撑类型和偏心支撑类型。 钢框架 支撑体系可分为中心支撑类型和偏心支撑类型。 支撑体系可分为中心支撑类型和偏心支撑类型
6.1 震害特征及原因
表6-1 1985年墨西哥城地震中钢结构和钢筋混凝土结构的破坏情况 年墨西哥城地震中钢结构和钢筋混凝土结构的破坏情况
建造年份 1957年以 年以 前 1957~1976 年 1976年以 年以 后 钢结构 倒塌 7 3 0 严重破坏 1 1 0 钢筋混凝土结构 倒塌 27 51 4 严重破坏 16 23 6
R
c
a
图6-10 骨形连接
构 件中心交 点在 消 能梁段内 部 消 能梁段 以 外的梁 加劲肋 构 件中心交 点在 消 能梁段内 部 消 能梁段 以 外的梁 加劲肋
消 能梁段 长度=a
c
b
消 能梁段 长度=a
支撑
节点 板
消能梁段 腹板 宽翼 缘型钢
消能梁段 腹板
图6-11 偏心支撑构造
本章小结 钢结构的震害特点 钢结构的多道防线及支撑设置 钢结构的抗震构造措施
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、 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、 支撑结构 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 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， 减小了支撑失稳的可能性。 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、 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、 抗震墙板结构 内藏支撑混凝土墙板、钢抗震墙板等，提供需要的侧向刚度。 内藏支撑混凝土墙板、钢抗震墙板等，提供需要的侧向刚度。
总体来说，在同等场地、烈度条件下， 总体来说，在同等场地、烈度条件下，钢结构房屋的震害较钢筋混 凝土结构房屋的震害要小 凝土结构房屋的震害要小。
6.1.1钢结构房屋的震害 6.1.1钢结构房屋的震害
1结构倒塌 结构倒塌
2 支撑构件破坏
Buckling of a bracing member of wide flange cross-section cross-
设防烈度 6度、7度 度 度 110 220 8度 度 90 200 260 9度 度 50 140 180
筒体(框筒、筒中筒、 筒体 框筒、筒中筒、桁架 框筒 300 束筒)和巨型框架 筒、束筒 和巨型框架
表6-3 钢结构房屋适用的最大高宽比
设防烈 度 最大高宽 比 6度、7度 度 度 6.5 8度 度 6.0 9度 度 5.5
S ≤ R/ γRE
γRE 0.75 0.80 0.85 0.90
§6.4钢结构抗震构造措施 钢结构抗震构造措施
超过12层的框架柱的长细比限值 表6-5 超过 层的框架柱的长细比限值 烈度 长细比 6度 度 120 7度 度 80 8度 度 60 9度 度 60
不超过12层框架的梁柱板件宽厚比限值 表6-6 不超过 层框架的梁柱板件宽厚比限值
板件名称 柱 工字形截面翼缘外伸部分 箱形截面壁板 工字形截面腹板
7度 7度 13 40 52 11 36
8度 8度 12 36 48 11 32
9度 9度 11 36 44 9 30
工字形截面和箱形截面翼缘 梁 外伸部分 箱形截翼缘在腹板间的部分
超过12层框架的梁柱板件宽厚比限值 表6-7 超过 层框架的梁柱板件宽厚比限值 板件名称 柱 工字形截面翼缘外伸部分 工字形截面腹板 箱形截面壁板 梁 工字形截面和箱形截面翼缘外伸 部分 箱形截面翼缘在腹板间的部分
6.2钢结构抗震概念设计 钢结构抗震概念设计
6.2.1 结构平、立面布置以及防震缝的设置 结构平、 6.2.2 钢结构房屋结构类型的选择及所适用的结构尺寸
钢结构房屋适用的最大高度(m) 表6-2 钢结构房屋适用的最大高度 结构类型 框架 框架-支撑 抗震墙板 框架 支撑(抗震墙板 支撑 抗震墙板)
A
6度 度 13 43 39 11 36
7度 度 11 43 37 10 32
8度 度 10 43 33 9 30
9度 度 9 43 33 9 30
6 35° ~10 r=10~15 r=35
详图 A
r=20 6 35° ~10 h≈6长度等于 翼 缘总 宽度
详 B 图
B
图6-9 框架梁与柱的现场连接
6.3钢结构抗震计算 钢结构抗震计算
6.3.1 结构计算模型的技术要点 1.阻尼比的取值 阻尼比的取值 2.构件ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ支撑、连接的模型 构件、支撑、 构件 3.对楼盖作用的考虑 对楼盖作用的考虑 4.质量模型 质量模型
6. 3.2 结构抗震设计要点 1.承载力抗震调整系数 承载力抗震调整系数 钢结构构件 柱，梁 支撑 节点板件， 节点板件，连接螺栓 连接焊缝 2.地震作用效应的调整 地震作用效应的调整 3.结构在地震作用下的变形验算 结构在地震作用下的变形验算 4.承载力和稳定性验算 承载力和稳定性验算
6.2.5地下室 地下室
多、高层钢结构设置地下室对于提高上部结构抗震 稳定性、提高结构抗倾覆能力、增加结构下部整体性、 减小结构沉降起有利作用。 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(抗震墙板)应延伸至基础；框架柱应至 少延伸至地下一层。不可因建筑方面的要求而在地下室 移动支撑的位置。
结构抗震设计
Seismic Design of Structures
青岛理工大学土木工程学院
第6章 多层和高层钢结构建筑抗震设计
教学目标与要求 1.了解钢结构建筑的震害特点及原因 。 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。 掌握钢结构的抗震设计方法。 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。 熟悉钢结构建筑的抗震构造措施。 熟悉钢结构建筑的抗震构造措施
6.2.6钢结构材料选择
1） 钢结构的钢材应符合下列规定： （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。 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。 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
No.45 Rupture of a bracing member at a gusset plate connection
3 节点破坏 No.40 Fracture of a welded column joint (6-story steel building) (6-
No.43 Failure at a beam-column connection beam-
6.2.4 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》 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。 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， 对不超过 层的钢结构，尚可采用装配整体式钢筋混凝土楼板， 层的钢结构 亦可采用装配式楼板或其它轻型楼盖； 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， 对超过 层的钢结构，当楼盖不能形成一个刚性的水平隔板以 层的钢结构 传递水平力时，须加设水平支撑，一般每二至三层加设一道。 传递水平力时，须加设水平支撑，一般每二至三层加设一道。
(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 形偏心支撑； 形偏心支； 形偏心支撑； 形偏心支撑 形偏心支 形偏心支撑
偏心支撑框架的设计原则是强柱、强支撑和弱消能梁段， 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 强柱 大震时消能梁段屈服形成塑性铰，且具有稳定的滞回性能， 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、 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。 持弹性。