钢结构建筑抗震与设防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
建造年份
1957年以前 1957一1976年 1976年以后
钢结构
倒塌
严重破坏
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
7
1
3
1
0
0
钢筋混凝土结构
倒塌
严重破坏
27
16
51
23
4
6
6.1.1 节点连接破坏
▪ 主要有两种节点连接破坏，一种是支撑连接破坏，另一种
是梁柱连接破坏，从1978年日本宫城县远海地震(里氏7.4级) 所造成的钢结构建筑破坏情况看(表6-2)，支撑连接更易遭受 地震破坏。
0
0
中等破坏 0 0 0
轻微破坏 2 3 1
完好 0 5 7
柱的水平断裂
钢柱(箱形截面500mm x 500mm)地震脆断实例 (图下中间所示为硬币，以示断缝大小)
6.2 多高层钢结构的选型与结构布置
▪ 6.2.1 结构选型 ▪ 6.2.2 结构平面布置 ▪ 6.2.3 结构竖向布置 ▪ 6.2.4 结构布置的其他要求
（5）巨型框架体系 巨型框架体系是由柱距较大的立体桁架梁柱及立体桁架梁
构成。
( a ）桁架型； ( b ）斜格型； ( c ）框筒型
钢结构房屋适用的最大高度(m)
结构体系
设防烈度
6、7
8
9
框架
110
90
50
框架一支撑(剪力墙板)
220
200
140
筒体(框筒、筒中筒、 束筒)和巨型框架
300
260
平面框架构成的结构。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。 纯框架结构
框架结构体系的梁柱节点宜采用刚接。
延性好，
抗侧力刚度较差
（ 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。支撑体系的布置 由建筑要求及结构功能来确定。
支撑连接破坏
梁柱刚性连接的典型震害现象
▪
1994年美国Northridge地震和1995年日本阪神地震造成了很
多梁柱刚性连接破坏，震害查发现，梁柱连接的破坏大多数发生
在梁的下翼缘处，而上翼缘的破坏要少得多。这可能有两种原
因:1楼板与梁共同变形导致下翼缘应力增大；2)下翼缘在腹板位
置焊接的中断是一个显著的焊缝缺陷的来源。
Ａ.中心支撑 中心支撑是指斜杆、横梁及柱汇交于一点的支撑体系，
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。
中心支撑的类型 ( a ) X 形支撑； ( b )单斜支撑； ( c )人字形支撑； ( d ) K 形支撑； ( e ) V 形支撑
Ｂ. 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
内藏钢板支撑剪力墙板
带竖缝剪力墙板
（4）筒体体系 框筒实际上是密柱框架结构，由于梁跨小、刚度大，使周
圈柱近似构成一个整体受弯的薄壁筒体，具有较大的抗侧刚度 和承载力，因而框筒结构多用于高层建筑。筒体结构体系可分 为框架筒、桁架筒、筒中筒及束筒等体系。
如右图： ( a ）框架筒； ( b ）桁架筒； ( c ）筒中筒； ( d ）束筒
180
钢结构房屋适用的最大高宽比
烈度
6、7
8
9
最大高宽比
7.5
7.0
5.5
6.2.2 结构平面布置 ▪ 多高层钢结构的平面布置应尽量满足下列要求:
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，同时各层刚心与质 心接近在同一竖直线上。
支撑的压屈
柱的局部失稳
6.1.3 结构倒塌
▪ 结构倒塌是地震中结构破坏最严重的形式。
1985年墨西哥大地震中有10幢钢结构房屋倒塌，在1995 年日本阪神地震中，也有钢结构房屋倒塌发生。
1985年日本阪神地震中某地区钢结构房屋震害情况
建造年份 1971年以前 1971一1982年 1982年以后
严重破坏或 倒塌 5
6.2.1 结构选型
▪
我国《建筑抗震设计规范》( GB50011-2001)将超过12
层的建筑归为高层钢结构建筑，将不超过12层的建筑归为多
层钢结构建筑。
▪ 高层钢结构的结构体系主要有框架体系、框架一支撑（剪力
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。
（１）框架体系
框架体系是沿房屋纵横方向由多榀
6.1 多高层钢结构的主要震害特征
▪ 6.1.0 概述 ▪ 6.1.1 节点连接破坏 ▪ 6.1.2 构件破坏 ▪ 6.1.3 结构倒塌
▪ 概述
钢结构强度高、延性好、重量轻、抗震性
能好。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。例如，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，在1985年9月的墨西哥大地震(里氏8.1级) 中，1957年以后建造的钢结构房屋倒塌或严重 破坏的不多(见表6-1)，而钢筋混凝土结构房 屋的破坏就要严重得多。
6.1.2 构件破坏
▪ 多高层建筑钢结构构件破坏的主要形式有: 1)支撑压屈。在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破坏 3)柱水平裂缝或断裂破坏。1995年日本阪神地震中，位
于阪神地震区芦屋浜的52栋高层钢结构住宅，有57根钢柱发 生水平裂缝破坏。分析原因认为，竖向地震使柱中出现动拉 力，由于应变速率高，使材料变脆，加上截面弯矩和剪力的 影响，造成柱水平断裂。
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 成一耗能梁段，或在两根支撑与杆之间构成一耗能梁段的支撑。
（a）门架式 1；（b）门架式 2 ；（c）单斜杆式；（d）人字形式；（e）V 字形式
（ 3）框架－剪力墙板体系
框架－剪力墙板体系是以钢框架为主体，并配置一定 数量的剪力墙板。剪力墙板主要类型：① 钢板剪力墙板； ② 内藏钢板支撑剪力墙墙板；③ 带竖缝钢筋混凝土剪力 墙板。
梁柱焊接连接处的失效模式
“人工”裂缝
梁柱刚性连接裂缝或断裂破坏的原因有: 1)焊缝缺陷，如裂纹、欠焊、夹渣和气孔等。 2)三轴应力影响。分析表明，梁柱连接的焊缝变形由于受到
梁和柱约束，施焊后焊缝残存三轴拉应力，使材料变脆。
3)构造缺陷。出于焊接工艺的要求，梁翼缘与柱连接处设有 垫板，实际工程中垫板在焊接后就留在结构上，这样垫板与柱 翼缘之间就形成一条“人工”裂缝，成为连接裂缝发展的起源。