鋼結(jié)構(gòu)房屋抗震設(shè)計

1、概述概述 本章所介紹的鋼結(jié)構(gòu)房屋，僅指結(jié)構(gòu)本章所介紹的鋼結(jié)構(gòu)房屋，僅指結(jié)構(gòu)體系的主要承重構(gòu)件都是鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的房體系的主要承重構(gòu)件都是鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的房屋，或稱全鋼結(jié)構(gòu)房屋。屋，或稱全鋼結(jié)構(gòu)房屋。 由于鋼材韌性好、強度與重量比高，一由于鋼材韌性好、強度與重量比高，一般來說，鋼結(jié)構(gòu)房屋的抗震性能優(yōu)于用其他般來說，鋼結(jié)構(gòu)房屋的抗震性能優(yōu)于用其他傳統(tǒng)建筑材料建造的房屋。傳統(tǒng)建筑材料建造的房屋。 但是如果鋼結(jié)構(gòu)房屋在結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料但是如果鋼結(jié)構(gòu)房屋在結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選用、施工制作和維護上出現(xiàn)問題，在地震選用、施工制作和維護上出現(xiàn)問題，在地震中同樣會造成破壞。中同樣會造成破壞。鋼結(jié)構(gòu)房屋震害鋼結(jié)構(gòu)房屋震害 在過

2、去發(fā)生的大地震中，觀察到的鋼在過去發(fā)生的大地震中，觀察到的鋼結(jié)構(gòu)房屋控害現(xiàn)象大體可以分為：結(jié)構(gòu)房屋控害現(xiàn)象大體可以分為： 桿件破壞桿件破壞 節(jié)點破壞節(jié)點破壞 結(jié)構(gòu)整體破壞結(jié)構(gòu)整體破壞 非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞 1. 鋼結(jié)構(gòu)桿件破壞鋼結(jié)構(gòu)桿件破壞 這是采用這是采用張緊圓鋼的屋張緊圓鋼的屋面交叉水平支面交叉水平支撐，在反復(fù)拉撐，在反復(fù)拉壓作用下，支壓作用下，支撐發(fā)生了失穩(wěn)，撐發(fā)生了失穩(wěn)，圖中可以觀察圖中可以觀察到桿件的彎曲。到桿件的彎曲。 這是這是1995年日本兵庫縣南年日本兵庫縣南部大地震中在高部大地震中在高層鋼結(jié)構(gòu)住宅中層鋼結(jié)構(gòu)住宅中發(fā)生的破壞：梁、發(fā)生的破壞：梁、柱、支撐的節(jié)點柱、支撐的

3、節(jié)點近旁，箱形截面近旁，箱形截面柱子斷裂，柱子斷裂，H形形支撐的端部則發(fā)支撐的端部則發(fā)生局部失穩(wěn)。生局部失穩(wěn)。 圖 中圖 中可 以可 以觀 察觀 察到 桁到 桁架 下架 下弦 桿弦 桿的 破的 破斷。斷。2. 節(jié)點破壞節(jié)點破壞 梁與梁與柱于柱于相連相連的焊的焊縫發(fā)縫發(fā)生斷生斷裂裂 柱子柱子加勁加勁肋板肋板在節(jié)在節(jié)點處點處的斷的斷裂裂 圓管圓管絎架絎架節(jié)點節(jié)點板彎板彎折屈折屈曲曲 鋼 結(jié) 構(gòu) 整鋼 結(jié) 構(gòu) 整體徹底坍塌的體徹底坍塌的實例較少。實例較少。 圖 示 結(jié) 構(gòu)圖 示 結(jié) 構(gòu)的層間變形，的層間變形，是因為支撐結(jié)是因為支撐結(jié)構(gòu)破壞后，框構(gòu)破壞后，框架因產(chǎn)生塑性架因產(chǎn)生塑性鉸而形成機構(gòu)鉸而形成

4、機構(gòu)造成的體系破造成的體系破壞。壞。3. 非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞 鋼結(jié)構(gòu)本身因其有較大的承載能力和鋼結(jié)構(gòu)本身因其有較大的承載能力和變形能力，因此在大地震中并未發(fā)生破壞，變形能力，因此在大地震中并未發(fā)生破壞，但連接在結(jié)構(gòu)構(gòu)件上的墻板、樓面板、屋但連接在結(jié)構(gòu)構(gòu)件上的墻板、樓面板、屋面板或者窗、門等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件可能遭受破面板或者窗、門等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件可能遭受破壞。壞。 非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞，原因之一是這些非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞，原因之一是這些構(gòu)件構(gòu)件本身強度不夠本身強度不夠，或者是其，或者是其變形追隨性變形追隨性較差較差，也可能是由于，也可能是由于連接失效連接失效所致。所致。 如果房屋非常重要，不允許發(fā)生任何

5、如果房屋非常重要，不允許發(fā)生任何破壞，可以使結(jié)構(gòu)在預(yù)期的地震作用了保破壞，可以使結(jié)構(gòu)在預(yù)期的地震作用了保持在性范圍內(nèi)。持在性范圍內(nèi)。 但是對大多數(shù)的房屋結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計但是對大多數(shù)的房屋結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計而言，因受到經(jīng)濟條件、使用條件等的限而言，因受到經(jīng)濟條件、使用條件等的限制，這種要求未必合理。制，這種要求未必合理。 充分利用鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其體系良好的充分利用鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其體系良好的塑性性能，使得房屋建筑在罕遇地震作用塑性性能，使得房屋建筑在罕遇地震作用下保持結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性，避免倒塌，在下保持結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性，避免倒塌，在現(xiàn)時條件下是可以接受的一種設(shè)計目標。現(xiàn)時條件下是可以接受的一種設(shè)計目標。 鋼

6、結(jié)構(gòu)體系的塑性性能鋼結(jié)構(gòu)體系的塑性性能 一個超靜定的框架結(jié)構(gòu)若承受單向作一個超靜定的框架結(jié)構(gòu)若承受單向作用的水平分布荷載用的水平分布荷載 ，即使若干梁已經(jīng)達，即使若干梁已經(jīng)達到其承載上限，只要結(jié)構(gòu)整體還有足夠多到其承載上限，只要結(jié)構(gòu)整體還有足夠多的贅余度，結(jié)構(gòu)整體還能穩(wěn)定承載的贅余度，結(jié)構(gòu)整體還能穩(wěn)定承載（圖（圖8.4）。iF 框架結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)可以和桿件的延框架結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)可以和桿件的延性系數(shù)一樣的方法來定義：應(yīng)極限承載力性系數(shù)一樣的方法來定義：應(yīng)極限承載力的側(cè)向位移和彈性側(cè)向位移限值之比稱為的側(cè)向位移和彈性側(cè)向位移限值之比稱為鋼梁的延性系數(shù)，建筑鋼結(jié)構(gòu)中桿件的延鋼梁的延性系數(shù)，建筑鋼結(jié)構(gòu)

7、中桿件的延性系數(shù)一般可達到性系數(shù)一般可達到25或者更大?；蛘吒?。 。 顯然桿件或結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)越大，顯然桿件或結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)越大，則在超出彈性范圍后，可以利用的承則在超出彈性范圍后，可以利用的承載潛力就越大。載潛力就越大。 對大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)房屋建筑來說，結(jié)對大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)房屋建筑來說，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的重要任務(wù)，是要求在多遇地構(gòu)抗震設(shè)計的重要任務(wù)，是要求在多遇地震時，結(jié)構(gòu)（包括其主要承重桿件）能保震時，結(jié)構(gòu)（包括其主要承重桿件）能保持在彈性范圍內(nèi)或基本保持在彈性范圍；持在彈性范圍內(nèi)或基本保持在彈性范圍； 在遭遇設(shè)計預(yù)期的罕遇地震時，結(jié)在遭遇設(shè)計預(yù)期的罕遇地震時，結(jié)構(gòu)整體的受力不超過其極限承載力，從而

8、構(gòu)整體的受力不超過其極限承載力，從而保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。 要達到這一目標，就需從體系布置、要達到這一目標，就需從體系布置、桿件設(shè)計、節(jié)點構(gòu)造等各方面予以全盤考桿件設(shè)計、節(jié)點構(gòu)造等各方面予以全盤考慮。慮。 適用于抗震設(shè)防地區(qū)的多高層鋼結(jié)構(gòu)適用于抗震設(shè)防地區(qū)的多高層鋼結(jié)構(gòu)民用建筑的結(jié)構(gòu)，有：民用建筑的結(jié)構(gòu)，有： 框架結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu) 框架支撐結(jié)構(gòu)框架支撐結(jié)構(gòu) 框架抗震墻板結(jié)構(gòu)框架抗震墻板結(jié)構(gòu) 框筒結(jié)構(gòu)框筒結(jié)構(gòu) 筒中筒結(jié)構(gòu)筒中筒結(jié)構(gòu) 成束簡結(jié)構(gòu)成束簡結(jié)構(gòu) 桁架筒結(jié)構(gòu)桁架筒結(jié)構(gòu) 巨型結(jié)構(gòu)。巨型結(jié)構(gòu)。高層鋼結(jié)構(gòu)民用建筑的結(jié)構(gòu)體系高層鋼結(jié)構(gòu)民用建筑的結(jié)構(gòu)體系鋼結(jié)構(gòu)體系抗震設(shè)計的布置要求鋼結(jié)構(gòu)體系抗

9、震設(shè)計的布置要求1鋼結(jié)構(gòu)民用建筑最大高度的限制鋼結(jié)構(gòu)民用建筑最大高度的限制 不同類型的結(jié)構(gòu)體系在不同設(shè)防烈度不同類型的結(jié)構(gòu)體系在不同設(shè)防烈度的最大建筑高度應(yīng)符合的最大建筑高度應(yīng)符合抗震規(guī)范抗震規(guī)范的規(guī)的規(guī)定定注：注：表中房屋高度指室外地面到主要屋面板板頂?shù)母叨取１碇蟹课莞叨戎甘彝獾孛娴街饕菝姘灏屙數(shù)母叨?。平面和豎向不規(guī)則或建造于平面和豎向不規(guī)則或建造于IV類場地的鋼結(jié)構(gòu)房屋，適用類場地的鋼結(jié)構(gòu)房屋，適用的最大高度應(yīng)適當(dāng)降低。的最大高度應(yīng)適當(dāng)降低。 2. 鋼結(jié)構(gòu)民用建筑最大高寬比的限制鋼結(jié)構(gòu)民用建筑最大高寬比的限制 因建筑可能承受各方向的水平地震作因建筑可能承受各方向的水平地震作用，故高寬比指

10、房屋總高度與平面較小寬用，故高寬比指房屋總高度與平面較小寬度之比。度之比。 房屋高寬比過大，則結(jié)構(gòu)體系較柔，房屋高寬比過大，則結(jié)構(gòu)體系較柔，在地震作用下的側(cè)移較大。在地震作用下的側(cè)移較大。 抗震規(guī)范抗震規(guī)范規(guī)定鋼結(jié)構(gòu)民用建筑最大規(guī)定鋼結(jié)構(gòu)民用建筑最大高寬比不宜超過表高寬比不宜超過表8.2的數(shù)值。的數(shù)值。3設(shè)置防震縫的規(guī)定設(shè)置防震縫的規(guī)定 鋼結(jié)構(gòu)房屋宜避免采用不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)房屋宜避免采用不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)方案，不設(shè)防震縫。需要設(shè)防震縫時，參方案，不設(shè)防震縫。需要設(shè)防震縫時，參照對應(yīng)的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、框架抗照對應(yīng)的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、框架抗震墻結(jié)構(gòu)，將抗震縫寬度放大震墻結(jié)構(gòu)，將抗震縫寬度放大

11、1.5倍。倍。4結(jié)構(gòu)體系的選用和布置結(jié)構(gòu)體系的選用和布置 鋼結(jié)構(gòu)布置時，要考慮多道防線問題鋼結(jié)構(gòu)布置時，要考慮多道防線問題，即對于罕遇地震下允許開展塑性和局部，即對于罕遇地震下允許開展塑性和局部損傷的結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮在大地震造成結(jié)構(gòu)損損傷的結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮在大地震造成結(jié)構(gòu)損傷之后，結(jié)構(gòu)仍能維持系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性傷之后，結(jié)構(gòu)仍能維持系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性、支承其上的重力荷載而不倒塌。、支承其上的重力荷載而不倒塌。 在框架結(jié)構(gòu)中，一般希望梁端發(fā)展塑性、在框架結(jié)構(gòu)中，一般希望梁端發(fā)展塑性、形成塑性鉸。形成塑性鉸。 因為在多高層框架體系中，若形成如因為在多高層框架體系中，若形成如左圖所示的梁左圖所示的梁破壞機制，結(jié)破

12、壞機制，結(jié)構(gòu)耗散的能量構(gòu)耗散的能量顯然遠遠大于顯然遠遠大于右圖所示的柱右圖所示的柱端塑性鉸破壞端塑性鉸破壞機制。機制。 后者僅在結(jié)構(gòu)的某一薄弱層中實現(xiàn)能后者僅在結(jié)構(gòu)的某一薄弱層中實現(xiàn)能量耗散。量耗散。 由于柱子是支承重力荷載使結(jié)構(gòu)免于由于柱子是支承重力荷載使結(jié)構(gòu)免于倒塌的最重要的構(gòu)件。因此框架結(jié)構(gòu)中梁倒塌的最重要的構(gòu)件。因此框架結(jié)構(gòu)中梁的抵抗機制就是結(jié)構(gòu)的第一道抗震防線。的抵抗機制就是結(jié)構(gòu)的第一道抗震防線。 在框架中心支撐結(jié)構(gòu)中，因為支撐剛在框架中心支撐結(jié)構(gòu)中，因為支撐剛度大于柱子的側(cè)向剛度，遭遇地震時，首度大于柱子的側(cè)向剛度，遭遇地震時，首先承受較大的水平剪力，支撐失穩(wěn)后，才先承受較大的水平剪力，支撐失穩(wěn)后，才有較大的水平力轉(zhuǎn)移到鋼柱上，所以支撐有較大的水平力轉(zhuǎn)移到鋼柱上，所以支撐就是框架中心支撐結(jié)構(gòu)的第一道抗震防就是框架中心支撐結(jié)構(gòu)的第一道抗震防線。線?？拐鹪O(shè)計對桿件的構(gòu)造要求抗震設(shè)計對桿件的構(gòu)造要求1. 柱子長細比柱子長細比235ayf 框架柱的長細比應(yīng)符合表框架柱的長細比應(yīng)符合表8.3的規(guī)定。的規(guī)定。表中數(shù)值適用于表中數(shù)值適用于Q235鋼，柱子采用其他牌鋼，柱子采用其他牌號鋼材時，應(yīng)乘以號鋼材時，應(yīng)乘以 。235ayfayf 鋼材屈服強度 2. 梁柱中板件寬厚比梁柱中板件寬厚比 （1）不超過）不超過12層框架的梁、柱板件寬厚比應(yīng)層框架的梁、