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1、“支撑框架”体系与 “框架-支撑”体系的对比 钢结 构主厂房采用“支撑框架”体系 设计 的若干体验之二 东北电力设计院 2009年8月 内 容 1“钢结构主厂房抗震研究”简介 2 支撑框架体系简介 3两种结构体系特点的比较 4 两种结构体系在制造、安装 和用钢量方面的对比分析 5 结论和建议 “ “钢结钢结钢结钢结 构主厂房抗震研究构主厂房抗震研究” ”简简简简介介 1 课题课题 名称：“火力发电发电 厂主厂房钢结钢结 构抗震设计设计 方法的研究与应应用” 时间时间 ：2006.122009.5 合作单单位：哈尔滨滨工业业大学 课题课题 立项项背景 “支撑框架体系” 没有包括在新版抗规规中 抗
2、规规有关的框架-支撑体系的规规定适用于 民用房屋 主厂房钢结钢结 构设计设计 缺少系统统、完整的设计设计 方 法 和公式，许许多疑难问题难问题 亟待解决 怎么办办？ 专专家意见见（2002年） 应针对应针对 行业业特点，制定本行 业业的规规范和标标准 抗震规规范的条文是可以突破和 补补充的（前5章除外） 抗震规规范的修编编参考了美国和 其他国家的相关规规范，在制定 本行业规业规 定时时，应应借鉴鉴 进进行必要的试验试验 研究 专 家 意 见 课题课题 目标标 结结合大唐长长山热电热电 厂六期工程主厂房钢结钢结 构施 工图阶图阶 段的设计设计 ，以中国抗震规规范为为基础础，借鉴鉴 国外规规范、规
3、规定及其他文献，辅辅以必要的结结构试验试验 ，研究“延性铰铰接中心支撑框架”体系（可简简称为为“ 支撑框架体系”）的抗震性能，提出适合高烈度区多 层层厂房抗震设计设计 的原则则和方法，作为对现为对现 行国家 规规范的补补充，指导导当前的长长山热电热电 厂六期工程的设设 计计，为为今后类类似工程的设计设计 奠定一个良好的基础础。 课题课题 内容 1）支撑框架体系整体模型模拟拟地震振动动台 试验试验 2）板式连连接节节点的伪伪静力试验试验 3）支撑框架体系的有限元数值计值计 算 4）支撑框架体系论证论证 5）支撑框架体系的结结构布置原则则和结结构分 析方法论论述 6）支撑框架体系的构件计计算和构造
4、要求的 研究 7）支撑框架体系的支撑节节点及节节点板计计算 和构造要求的研究 8）柱拼接采用高强度螺栓连连接计计算的研究 9）支撑框架体系与框架支撑体系的经济经济 性 对对比分析 10）使用课题课题 研究成果开展长长山热电热电 厂主厂 房钢结钢结 构设计设计 支撑框架 体系的振 动动台试验试验 支撑板式连连接节节点性能及设计设计 方法研究 结结结结构的构的弹弹弹弹塑塑 性地震反性地震反应应应应 有限元分析 节节点板弹弹塑性应应力的有限元分析 课题课题 主要研究成果报报告 报报告之一：总报总报 告 报报告之二：主厂房钢结钢结 构支撑框架体系的振动动台试试 验验 及有限元模拟拟研究 报报告之三：铰
5、铰接刚刚架支撑板式连连接节节点的性能及其 设设 计计方法研究 报报告之四：主厂房钢结钢结 构支撑框架体系整体弹弹塑性 地 震反应应分析 报报告之五：主厂房钢结钢结 构设计设计 中若干技术问题术问题 的讨讨 论论 报报告之六：主厂房钢钢构体系的经济经济 性对对比分析 报报告之七：长长山热电热电 厂六期工程钢结钢结 构主厂房设计设计 课题课题 成果 1）本课题在借鉴国内外特别是美国对支撑 框架体系进行的理论和试验研究以及实践成 果的基础上，针对火力发电厂主厂房钢结构 采用支撑框架体系的抗震性能进行了整体模 型振动台试验和支撑板式连接节点性能试 验，并同时进行了有限元分析。试验和分析 证实，在8度地
6、震区火力发电厂主厂房钢结 构采用支撑框架体系是可行的，合理的，也 是安全的。 2）本课题对支撑框架体系的结构布置原则 和分析方法、构件选择和节点计算以及构造 措施等进行了了研究。在研究国内外特别是 美国钢结构抗震设计方法的基础上，提出了 支撑框架体系抗震设计的一系列规定、计算 方法和公式，其中包括借鉴、完善和改进的 内容，也有本课题提出的新成果，使设计的 全过程均有据可依，具有很强的实用性和可 操作性 3）本课题对支撑框架体系与框架-支撑体系 进行了整体经济性对比分析。研究表明，支 撑框架体系不仅具有制造简单和安装方便的 特点，而且能有效的节约钢材，因此，这种 体系的推广使用将会带来明显的经济
7、效益和 社会效益 4）在本课题进行过程中，在科研成果的指 导下完成了一台660MW机组主厂房钢结 构的设计。该设计体现了支撑框架结构制造 简单、安装方便和节约钢材的特点，业主、 制造厂和施工单位均予以充分肯定。设计工 作为研究工作的深入进行起到促进作用，并 为今后的钢结构抗震设计提供了有益的实践 经验 V形撑与人字形撑组组成的大X形支撑 煤仓间仓间 底层层的横向垂直支撑 建设设中的长长山热电热电 厂六期工程 从A排外看安装中的主厂房 为为什么能抗震？ 支撑框架体系简简介2 典型的支撑框架结结 构 所谓谓“支撑框架”实际实际 上是 由竖竖向桁架组组成的抗侧侧力体 系，构件连连接采用铰铰接，构 件
8、的工作线线均汇汇交于工作点 “支撑框架” 即“建筑工程 抗震性态设计态设计 通则则”中的“ 中心支撑框架” ，相当于美 国抗震规规定中的“特殊中心 支撑框架（SCBF）” 2.1 （特殊）支撑框架的优优越性 较较高的屈曲后能力。大震中不丧丧失承载载 力 较较高的延性。结结构在地震中承受多次弹弹 塑性循环变环变 形不断裂 具有耗能能力。弹弹塑性延性变变形导导致能 量的耗散，减小了地震力 较较好的经济经济 效益。这这是地震力减小后的 必然结结果。不是“硬抗” 制造简单简单 、安装方便、节约钢节约钢 材 2.2（延性）支撑框架设计设计 要点 如何实现实现 ？ 结结构整体的合理布置 刚度均匀、路径明确
9、、支撑足够，并有冗余 控制构件和连连接的破坏模式（极限状态态） 按分等级次序安排破坏模式，延性（屈服） 在前，脆性（块剪、断裂）在后 严谨严谨 和细细致的细细部设计设计 如节点板计算：节点板的W区屈服；螺栓孔 壁承压破坏（前2为延性破坏模式） ； 在组 合应力作用下节点板的临界截面屈服；节点 板屈曲；节点板边缘 屈曲；节点板的块状剪 切破坏以及节点板净面积断裂（后2为脆性 破坏模式） 严严格的构造措施规规定 构件长细 比 板件的宽厚比（“紧凑型” 截面） 梁的侧向支承的设置 节点板在支撑杆件末端的“2t” 2.3 按分等级级排序的破坏模式的概念 支撑构件的4个重要的区-支撑构件支撑与节节点板的
10、 连连接 节节点板 节节点板与梁和柱的连连接 开始 加荷 支撑 构件 屈服 节节点 板屈服 连连接 部件屈 服 脆性破 坏模式 支撑框架构件屈服的分等级级次序 控制破坏模式：均屈服，非断裂 顺顺序：支撑节节点板连连接部件 节节点板的典型破坏模式 合意性次序 节节点板的Whitmore 区屈服 在组组合应应力下节节点板的临临界截面屈服 节节点板屈曲 节节点板边缘边缘 屈曲 块块状剪切破坏 节节点板净净面积积断裂 (a) 节点板 屈服 节节点板破坏的等级顺级顺 序 延性/ 脆性破坏模式延性破坏模式 (f) (e) (d)(c) (a) (b) 节点板 边缘屈曲 块状剪切 破坏 净面积 断裂 节点板
11、 屈曲 节点板 屈服 承压 破坏 加荷 开始 脆性破坏模式延性/ 脆性破坏模式延性破坏模式 (f) (e) (d)(c) (b) 节点板 边缘 屈曲 块状剪切 破坏 净面积 断裂 节点板 屈曲 承压 破坏 加荷 开始 脆性破坏模式 节节点板按其合意性等级级排序的破坏模式 支撑与节节点板连连接破坏模式按合意性排序 支撑与节节点板、节节点板与梁柱的典型连连接 螺栓滑移 连连接角钢钢和钢钢板屈服 螺栓孔承压压破坏 连连接角钢钢和钢钢板局部屈曲 螺栓端距断裂和螺栓中距破坏 连连接角钢钢和钢钢板的有效净净断面断裂 块块状剪切破坏 螺栓和焊缝焊缝 断裂 支撑与节节点板连连接的依合意性等级级 排序图图 加荷
12、 开始 螺栓 滑移 局部 屈曲 块块状剪切 破坏 螺栓和焊焊 缝缝断裂 承压压 破坏 毛面积积 屈服 螺栓中距 破坏 (a ) 延性滑移模式 边边距 破坏 净净面积积 断裂 (d) （b） (C) (h) (e) (f) (g) (e) 延性破坏模式延性/脆性破坏模式脆性破坏模式 两种结结构体系特点的比较较 3 项项 目框架-支撑体系支撑框架体系备备 注 抗震体系 双重抗侧力结构体系单体系，构件的工作线汇 交于工作点的竖向桁架体系 抗震防线线 符合多道抗震设防可以做到多道设防（体系应 有最大可能的内、外部赘余 度，有耗能设置）-见右备 注 可以做到部分结构 或构件的破坏不引 起整个体系丧失承
13、载能力 适用 条件 （最 大高 度） 抗 规 220m（6、7度） 200m（8度） 140m（9度） 无此体系 抗震类别C相当于 7.58.5度类场 地或7.58度类 场地；E相当于8.5 度类场地或9度 类和类场地 通 则 180m（C） 160m（D） 120m（E）见右备注 120m（C） 90m（D） 70m（E）-见右备注 美 规 不限制240ft（73.2m）SCBF 节节点连连接 梁柱刚接 支撑与梁柱刚接或铰接，12层 以下可采用单节点板 梁柱铰接 支撑与梁柱铰接，采用单节点 板 构造要求 支撑端部应留有2t的距离-见 右备注；梁、柱、支撑有长细 比、板件宽厚比规定 支撑端部应
14、留有2t的距离-见右 备注；梁、柱、支撑有长细比 、板件宽厚比规定，强调“紧凑 ”型截面 用于单节点板连 接 t为节点板厚度 支撑框架体系与框架-支撑体系特点的比较较表 应采用全熔透焊缝 应100%等强 课题研究成果为设计 提供了 完整的、系统的、适用的设 计原则、结构分析和构件及 节点连接计算的方法和公式 、构造要求以及相关规定等 ，有很强的实用性 依据抗规或高规，但以12 层为 界限的适用于民用多 高层建筑的一系列构造措 施和要求，对主厂房建筑 难以执行 设计设计 方法 铰接刚接；超过12层时 的刚 接柱脚宜采用埋入式 柱脚 可采用高强螺栓连接 按50%等强即可 柱的拼接 应验算梁端连接、
15、支撑与节 点板的连接、节点板与梁柱 的连接、节点板、在人字形 支撑不平衡力作用下梁的验 算等，包括弹性计算和弹塑 性验算 为满足强柱弱梁要求，应验 算节点左右梁端和上下柱端 的全塑性承载力；应验算节 点域的屈服承载力；人字形 支撑组合的内力值应乘以增 大系数1.5 计计算 弹性和弹塑性阶 段的计算都是必 须进 行的 无抗弯要求框架部分（取消支撑后） 应按25%的结构底部剪力 进行验算 结结构分析 备备 注支撑框架体系框架-支撑体系项项 目 支撑框架体系与框架-支撑体系特点的比较较表（续续 ） 两种体系特点的分析 框架-支撑体系优优于支撑框架体系的特点 1 双重抗震体系 2 完全的多道设防 3
16、房屋的适用高度更高 但这这不是关键键的，对对支撑框架体系而言 1 虽为单 体系，却是延性的、耗能的、抗震 性能良好 2 只要布置合理、结构有冗余，仍属多道设防 3 其适用高度对主厂房足矣 框架-支撑体系优优于支撑框架体系的特点 1 节节点连连接简简捷，制作简单简单 2 结结构分析简单简单 （无抗弯要求） 3 计计算无强柱弱梁、节节点域验验算，支撑无 1.5系数，节约钢节约钢 材 4 柱的拼接可50%等强，可栓接 5 柱脚简单简单 6 设计设计 方法系统统、完整、实实用 两种两种结结结结构体系在制造、安装构体系在制造、安装 和用和用钢钢钢钢量方面的量方面的对对对对比分析比分析 4 4.1 加工制造难难度的比较较 1）柱截面型式的影响 支撑框架结结构 H型钢：可采用角焊缝或与T形对接的组合焊缝， 工厂加工的开放式焊缝 一般无加劲肋 框架-支撑结结构 箱型柱：壁板间、隔板与壁板间应采用全熔透对接焊缝， 焊 接量大且质量要求高，焊接变形大，安
