第六章多层和高层钢结构房屋的抗震设计

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2.竖向布置
抗震设防的高层建筑钢结构，宜采用 竖向规则的结构。在竖向布置上具有下 列情况之一者，为竖向不规则结构：
(1)楼层刚度小于其相邻上层刚度的 70%，且连续三层总的刚度降低超过50%。
(2)相邻楼层质量之比超过1.5(建筑 为轻屋盖时，顶层除外)。
(3)立面收进尺寸的比例为L1/L＜ 0.75（右图）。
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②结构平面形状有凹角，凹角的伸出部分在一个方向 的长度，超过该方向建筑总尺寸的25%；
③楼面不连续或刚度突变，包括开洞面积超过该层总 面积的50%；
④抗水平力构件既不平行于又不对称于抗侧力体系的 两个互相垂直的主轴。
属于上述情况第①、④项者应计算结构扭转的影响， 属于第③项者应采用相应的计算模型，属于第②项者应 采用相应的构造措施。
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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，便于在横梁内设计用于 消耗地震能量的消能梁段。强震发生时，消能梁段率先屈服， 消耗大量地震能量，保护支撑斜杆不屈曲或屈曲在后，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。
3.水平地震作用计算
高层建筑钢结构采用底部剪力法时，可按下式计算顶 部附加地震作用系数：
1.框架体系
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、横两个方
向均匀布置一定数量的支撑所形成的结构体系。 (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。
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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：
(3)钢柱脆性断裂
3.结构倒塌 规则对称的结构体系对抗震将十分有利。
二、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，结构延性好，但抗侧力刚度差。这种结构体系适合于 建造20层以下的中低层房屋。
钢框架-支撑体系可分为中心支撑体系和偏心支撑体系。
地震作用下中心支撑的变形
(4)竖向抗侧力构件不连续。 (5)任一楼层抗侧力构件的总受剪承 载力，小于其相邻上层的80%。
3.支撑的设计要求
在框架-支撑体系中，可使用中心支撑或偏心支撑。不论 是哪一种支撑，均可提供较大的抗侧移刚度。
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。
式中 εx、εy——分别为所计算楼层在x和y方向的偏心率； ex、ey——分别为x和y方向水平作用合力线到结构刚心 的距离；
rex、rey——分别为x和y方向的弹性半径； ∑Kx、∑Ky——分别为所计算楼层各抗侧力构件在x和y方向
的侧向刚度之和； KT——所计算楼层的扭转刚度； x、y——以刚心为原点的抗侧力构件坐标。
钢结构民用房屋适用的最大高宽比
烈度
6、7
8
9
最大高宽比
6.5
6.0
5.5
注：计算高宽比的高度应从室外地面算起。
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。
(1)钢抗震墙板 (2)内藏钢板支撑抗震墙板 (3)带竖缝混凝土抗震墙板
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内藏钢板剪力墙与框架连接
带竖缝剪力墙与框架连接
4.筒体体系
根据筒体的布置、组成、数量的不同，筒体结构体系可 分为框架筒、桁架筒、筒中筒以及束筒等。
5.巨型框架体系
一般高层钢结构梁、柱、支撑为一个楼层和一个开间内 的构件，如果将梁、柱、支撑的概念扩展到数个楼层和数个 开间，则可构成巨型框架结构。其由柱距较大的立体桁架柱 及立体桁架梁构成。立体桁架梁应沿纵横向布置，并形成一 个空间桁架层，在两层空间桁架层之间设置次框架结构，以 承担空间桁架层之间的各层楼面荷载，并将其通过此框架结 构的柱子传递给立体桁架梁及立体桁架柱。这种体系能在建 筑中提供特大空间，具有很大的刚度和强度。
压型钢板组合楼板
2.钢结构房屋的地基、基础和地下室
(1)高层建筑钢结构的基础形式应根据上部结构、工程地质条件、施 工条件等因素综合确定，宜选用筏基、箱基、桩基或复合基础。当基岩 较浅、基础埋深不符合要求时，应采用岩石锚杆基础。
(2)钢结构高层建筑宜设地下室。抗震设防建筑的高层结构部分，基 础埋深宜一致，不宜采用局部地下室。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。
(4)结构平面应尽量避免扭转不规则、凹凸不规则、楼 板局部不连续等布置形式。在平面布置上具有下列情况之一 者，也属平面不规则结构：
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①任一层的偏心率大于0.15。偏心率可按下列公式计算；
x ey / rex y ex / rey
rex KT / Kx rey KT / Ky
(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。
(5)在高层建筑钢结构与钢筋混凝土基础或地下室的钢筋混凝土结构 层之间，宜设置钢骨混凝土结构层。
第三节 多层和高层钢结构房屋的抗震设计
一、一般计算原则
多高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，地震作用应考虑 下列原则：
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L，l，l´，B´的限值
L/B
L/Bmax
l/b
l´/ Bmax
B´/ Bmax
≤5
≤4
≤1.5
≥1
≤0.5
(3)由于钢结构可承受的结构变形比混凝土结构大，故 高层建筑钢结构不宜设置防震缝，但薄弱部位应采取措施提 高抗震能力。当建筑平面尺寸大于90米时，可考虑设温度伸 缩缝，抗震设防的结构伸缩缝应同时满足防震缝要求。需要 设置防震缝时，缝宽应不小于相应钢筋混凝土结构房屋的 1.5倍，框架-支撑体系结构的防震缝宽度可取此数值的70%； 筒体体系及巨型结构体系结构的防震缝宽度可取此数值的 50%，但均不宜小于70毫米。
这种结构体系适合于在高烈度地区建造高层建筑。
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第二节 抗震设计的一般规定
一、多高层钢结构的体系与结构布置
我国建筑抗震设计规范对钢结构的抗震措施，一般以12 层为界区分。有抗震要求的多高层钢结构的体系主要有框架 体系、框架-支撑(抗震墙板)体系、筒体体系(框筒、筒中筒、 桁架筒、束筒等)或巨型框架体系。
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。
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四、结构布置的其他要求 1.钢结构房屋的楼板
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。
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1.结构自震周期
钢结构的计算周期，应采用按主体结构弹性刚度计算所得 的周期，对于重量及刚度沿高度分布比较均与的高层钢结构， 基本自震周期可按顶点位移法计算：
T1 1.7ξT un
式中 un——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；
①支撑斜杆重复压曲后，其抗压承载力急剧降低； ②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； ③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。
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(2)偏心支撑
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三、结构的平、立面布置
1.平面布置
多高层钢结构的平面布置宜符合下列要求：
(1)建筑平面宜简单规则，并使结构各层的抗侧力刚度 中心与质量中心接近或重合，同时各层刚心和质心接近在同 一竖直线上；建筑的开间、进深宜统一。
(2)为避免地震作用下发生强烈的扭转振动或水平地震 力在建筑平面上的不均匀分布，建筑平面的尺寸关系应符合 下表和下图。当钢框筒结构采用矩形平面时，其长宽比不宜 大于1.5：1，不能满足此项要求时，宜采用多束筒结构。
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，它适用于高烈度地区。
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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 构的抗推和抗倾覆能力。抗震墙板主要有以下三种类型：
(2)支撑连接破坏 支撑是框架-支撑结构中最主要的抗侧力部分，一旦地
震发生它将首当其冲承受水平地震作用，如果某层的支撑发 生破坏，将使该层成为薄弱楼层，造成严重后果。
2.构件破坏 (1)支撑压屈
地震时支撑所受的 压力超过其屈曲临界力 时，即发生压屈破坏。
(2)梁柱局部失稳
梁或柱在地震作用下反复受弯， 在弯矩最大截面处附近由于过度弯曲 可能发生翼缘局部失稳现象，进而引 发低周疲劳和断裂破坏。
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。
偏心支撑改变支撑斜杆与梁(消能梁段)的先后屈服顺
序，罕遇地震时，消能梁段在支撑失稳之前就进入弹塑性
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二、钢结构房屋的结构选型
钢结构房屋适用的最大高度(m)
结构类型
6、7度 8度
9度
框架
110
90
50
框架-支撑(抗震墙板)
220
200
140
筒体(框筒、筒中筒、衍架筒、束筒)和巨型框架 300
260
180
注：1.房屋高度指室外地面到主要屋面板板顶的高度(不包括局部突出屋顶部分)； 2.超过表内高度的房屋，应进行专门研究和论证，采取有效的加强措施。
偏心支撑框架的消能机制
中心支撑结构使用中心支撑构件，增加了结构抗侧移刚度， 可更有效地利用构件的强度，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。
ξT——考虑非结构构件影响的周期修正系数，可取0.9。
初步设计时，基本周期可按经验公式T1＝0.1n估算，n 为建筑物层数，不包括地下室部分及屋顶小塔楼。
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2.多高层建筑钢结构的设计反应谱
多高层钢结构的阻尼比较小，按反应谱法计算多遇地震下 的地震作用时，超过12层的钢结构建筑的阻尼比可取为0.02， 不超过12层的钢结构建筑的阻尼比可取为0.035。但计算罕 遇地震下的地震作用时，考虑结构进入弹塑性，多高层钢结 构的阻尼比均可取为0.05。
(3)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。
(4)当主楼与裙房之间设置沉降缝时，应采用粗砂等松散材料将沉降 缝地面以下部分填实，以确保主楼基础四周的可靠侧向约束；当不设沉 降缝时，在施工中宜预留后浇带。