日本钢结构抗震设计方法初探_蔡益燕

钢结构工程研究⑨ 《钢结构》2012增刊

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日本钢结构抗震设计方法初探

蔡益燕

（中国建筑标准设计研究院，北京，100044）

提 要：本文对日本钢结构抗震设计方法作简要介绍，并对美日抗震设计特点作对比。 关键词：钢结构；抗震设计；构造措施；吸收能力

1．引言

日本的钢结构抗震设计有“一次设计”和“二次设计”之分，但又不具有我们通常所说的小震阶段和大震阶段的关系。一次设计的剪力系数是0.20，二次设计的剪力系数是1.0，是不同震度的设计，设计方法也大不相同。但一次设计称为容许应力设计，二次设计称为极限承载力设计，在这方面又与二阶段有相似之处。对于高度为31m 以下的房屋用一次设计，此时仅按小震（剪力系数0.20）作弹性设计, 层间位移角限值为1/200（非结构构件不显著损伤时为1/120，日本规定幕墙的变位限值是1/150，此时会有一些损伤）

，用于在频度为多次的中等程度地震和强风作用时不坏的房屋。31m 以下的房屋一般是多层的，因此，一次设计用于多层而不是高层，且需符合下述的五项构造要求。（日本也有主张将31m 以下的规定取消的）。对于高度31m 以上房屋的采用的所谓二次设计，是将大震1g 下的结构按弹性受力的假定得出的层剪力（)udi Q 乘结构特性系数（含形状特性系数）进行折减，得出必要的保有水平耐力，用结构特性系数s D 表示塑性变形能力。塑性变形能力大时s D 值小，需要的极限承载力较小；塑性变形能力小时s D 值大，需要的极限承载力较大。它相当于美国的结构性能系数R ，与美国的抗震设计思路是相似的，但有几点不同；1）地震力统一取1.0g ，是抗大震，美国是抗中震；2）弹塑性设计基于吸收能力的概念，即吸收能力应大于地震输入能量；3）层间位移限值为1/100，就大震来说比美国的1/67稍严；4）构造措施基本上还是小震时的五项，但作了量化，与结构特性系数挂钩。5）日本的特性系数是算出来的，美国的性能系数是规定的。框架具有的保有水平耐力（ui Q ）应大于必要的保有水平耐力（)uni Q ，即框架的极限水平承载力应大于需要的极限水平承载力，而后者是根据剪力系数和地震活动度系数等确定的。

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2．对31m 以下房屋应符合的构造要求

1）各层的刚性率应符合6.0/≥=s s s r r R

式中，s r 为各层层间位移角的倒数,s r 是其平均值。

2）各层的偏心率15.0/≤=e e r e R

式中，e 是各层的刚心至重心的距离；e r 是弹性半径（各层对刚度中心的抗扭刚度除以水平刚度后所得值的平方根）。

3）支撑的水平力分担率：设置受水平力支撑之楼层（地下层除外），其支撑的水平力分担率β所对应的系数α，按下式确定：

7/5≤β时，βα7.01+= 7/5>β时，5.1=α

式中，β为支撑水平力分担率。有支撑的楼层，地震时的内力应乘α倍。 4）支撑连接的承载力应符合以下规定。 y j u N N α≥

式中, α为规定的支撑连接系数。

5）应确保塑性变形能力：

(1) 板件宽厚比应符合表1中FA 项要求。

表1.梁、柱局部屈曲的宽厚比限值

截面 部位 钢材 FA FB FC 翼缘 Q235 Q325 9.5 8 12 10 15.5 13.2

H 形

腹板

Q235 Q325 43 37 45 39 48 41 柱

箱形 壁板

Q235 Q325 33 27 37 32 48 41 翼缘

Q235 Q325 9 7.5 11 9.5 15.5 13.2 梁

H 形

腹板

Q235 Q325

60 51

65 55

71 61

(2)梁应防止侧向屈曲。

① 梁全长等间隔设置侧向支承时，绕弱轴长细比y λ应符合以下（a)的规定。

② 梁端附近设置侧向支承时，超过屈服弯矩的范围应按(b)的间隔配置。

（a) 梁的侧向支承点数

Q235：n y 20170+≤λ

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Q325：n y 20130+≤λ

n 为侧向支承数。

(b) 梁的侧向支承间隔

Q235：250/≤f b A h l ，且65/≤y b i l Q325：200/≤f b A h l ，且50/≤y b i l

f A 为受压翼缘面积，b l 为梁的跨度，y i 为梁绕弱轴回转半径。

(c) 梁、柱连接和拼接应乘规定的连接系数。

3．31m 以上房屋的结构特性系数s D

1）框架的等级

构件特性系数s D 与板件宽厚比有关，而板件宽厚比根据上面的列表已经知道，它是与框架等级（FA、FB、FC）有关的。s D 也与支撑群的类别（BA、BB、BC）有关，它涉及支撑的水平力分担率u β。u β越小，框架的延性越好，s D 也越低。在我国规定中无此概念：框架是有良好延性的，而中心支撑是没有延性的。日本甚至在小震弹性设计时就规定，有支撑的楼层地震作用时的内力，要乘与支撑的水平力分担率u β相应的增大系数α，已经和延性挂钩。而我国抗震规范小震弹性设计时，却远离了对延性的观念。

表2

s D 值

BA BB

BC

F 等级 u β=0

u β3.0≤

0.3-0.7 u β>0.7

u β≤0.3

0.3-0.5 u β>0.5

FA Ⅰ(0.25)Ⅰ(0.25) Ⅰ(0.3) Ⅰ(0.35)Ⅱ(0.3) Ⅱ(0.35) Ⅱ(0.4) FB Ⅱ(0.3) Ⅱ(0.3) Ⅰ(0.3) Ⅰ(0.35)Ⅱ(0.3) Ⅱ(0.35) Ⅱ(0.4) FC Ⅲ(0.35)Ⅲ(0.35) Ⅱ(0.35)Ⅱ(0.4) Ⅲ(0.35)Ⅲ(0.4) Ⅲ(0.45)FD

Ⅳ(0.4)

Ⅳ(0.4)

Ⅳ(0.45)

Ⅳ(0.5)

Ⅳ(0.4)

Ⅳ(0.45)

Ⅳ(0.5)

注：① 支撑端部的连接承载力均应乘规定的连接系数；

② 构件拼接承载力均应乘规定的连接系数；

③ 梁的侧向支承应充分，承载力不得急剧降低。

等级Ⅲ按《钢结构设计规范》设计即可，虽然框架构件都要求达到全塑性承载力，但此时及以下（等级）已没有塑性变形能力。等级Ⅱ的框架构件达到塑性承载力时，到承载力下降开始之前，累积变形倍率取2倍以上（累积变形倍率是弹塑性变形与弹性变形的比值）。等级Ⅰ的框架由塑性变形能力丰富的构件构成，构件的累积变形倍率取4倍以上。框架和支撑组成的混合型结构中，应按表2的规定，采用与各自等级对应的结构特性系数；