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1、钢结构抗震性能化设计 漫谈钢结构抗震设计 余海群 2013年10月 问题探讨 抗震等级的实质是延性还是承载力？ 如果抗震等级的本质是延性，仅与结构高度和结构体系相关合理吗？ 构件延性和结构延性是一回事吗？ 承载力验算时地震作用为什么不采用设防地震作用？ 问题探讨 中震弹性设计的结构安全度一定高于弹性承载力较低的结构吗？ 门式刚架是否需要符合抗震设计规范的规定？ 采用隔震设计的结构，弹性承载力要求是否可以降低？ 钢结构设计规范中抗震性能化设计的适用范围？ 抗震设计基本概念 层间剪力分布抗震设计法 固有周期 质量分布影响下的动力作用 抗震设计：控制地震施加给建筑物的能量 衰减的能量 塑性变形消耗的
2、能量 地震效应的大小由建筑物对地震波的反应结果决定 抗震设计基本概念 强梁弱柱强梁弱柱 可能产生中间层破坏可能产生中间层破坏 强柱弱梁强柱弱梁 产生梁破坏机构产生梁破坏机构 抗震设计基本概念 剪切型模型 一般框架结构 弯剪型模型 框架支撑结构 超高层结构和筒状结构（高宽比较大） 构件及节点进入非线性 屈服 失稳 滑移 结构的能量吸收能力 塑性变形能力 结构体系 构件延性 日本抗震设计路径 路径1：小震验算 规模较小的钢结构 路径2：小震和层间位移角验算 建筑物的平面和立面高度方向都比较规则 保证结构特征系数Ds=0.3的塑性变形能力 建筑物高度小于31m 路径3：保有水平承载力计算法 用地震反
3、应谱来代替时程解析法作为地震效应 结构特征系数Ds代表结构实际吸收能量的能力 抗震设计基本概念 结构特征系数结构特征系数D Ds s DS=Qy/Qmax=1/(1+2 ) =1/(1+4 ave) 累积塑性变形倍率 指正负塑性变形增量 的总和除以弹性变形 y的商 S0AB=SOCDE 地震反应能量吸收地震反应能量吸收 抗震设计基本概念 累积塑性变形倍率 = pi/ y ave= pi/（2 y） 抗震设计基本概念 累积塑性变形倍率与最大塑性变形率 0.25个循环 =-1 抗震设计基本概念 累积塑性变形倍率与最大塑性变形率 滑移型1个循环 =2（-1） 抗震设计基本概念 累积塑性变形倍率与最大
4、塑性变形率 完全弹塑性型1个循环 =4（-1） 抗震设计基本概念 累积塑性变形倍率与最大塑性变形率 完全弹塑性型2个循环 =8（-1） 抗震设计基本概念 典型恢复力特性模型 滑移型 完全弹塑性型 应变硬化型 支撑的屈强比与结构的塑性变形能力（2-1） 假设 构件极限抗拉强度fu=375kN/mm2 构件实际构件屈强比为0.85 则 构件净截面断裂承载力 An*fu=（614.3-17*5）*375=198.45kN 构件屈服承载力 A*fyact=614.3*0.85*375=195.81kN198.45kN 结果 塑性化区域不能扩大，整体延性很低，发生脆性破坏 工字形截面挑梁的塑性变形能力
5、结构吸收能量的能力 当建筑物的平面和立面高度方向都比较规则且保证塑性变形能力时，且建筑物高度在规范允许范围内，仅保证小震计算和层间位移验算即可。 结构体系 构件延性 关于钢结构抗震设计 地震效应的大小由建筑物对地震波的反应结果来 决定 阻尼、周期、后期刚度、二阶效应、多自由度体 系等对地震力的影响 影响钢构件延性的因素 影响结构延性的因素 阻尼的影响 对于弹性体系，阻尼的影响相当大 对于弹塑性体系，衡量阻尼影响的定量指标是它对R谱（地震力折减系数谱）的影响 修订后的抗规GB50017-2010较2001版钢结构地震作用降低 周期的影响 随着周期增大，地震作用变小 周期长时，场地土越软地震力越大
6、 后期刚度的影响 钢结构的后期刚度来自如下几个方面： 材料的抗拉强度超出屈服强度的部分，这部分要在 变形很大时发挥作用 双重抗侧力结构的主要抗侧力结构屈服，次要结构 还没有屈服；这种体系往往有比较明确的双线性的 荷载-位移关系 超静定体系，塑性铰逐步形成。这种体系连续的刚 度下降，直至达到极限强度 延性越大，后期刚度的影响越大；后期刚度大，地震力折 减系数大 二阶效应的影响 弹塑性结构，二阶效应导致刚度退化以及动力失稳，产生延性极限。 考虑二阶效应，地震力要增大 多自由度的影响 多层的多自由度体系，研究起来工作量更 大。但是目前国内外少量的研究表明，多 层体系，地震力要放大，地震力折减系数 要
7、减少。地震力放大系数在12之间，随周 期和自由度变化，以及随结构是弯曲型的 还是弯剪型的而变。周期越长，放大系数 就越大。但是简单的公式没有。 影响钢构件的延性的因素 钢构件的截面宽厚比 杆件的长细比 框架柱的轴压比 影响结构延性的因素 构件的延性 连接节点的延性 双重抗侧力结构中框架的剪力分担率 确保“保险丝”的思路得以实现 不适合采用极限承载力设计的建筑物 不适合模拟成单质点 体系的建筑物 不适合使用等价线性 法的建筑物 高次卓越振型的建筑物 偏心产生扭转的建筑 物 竖向震动的大跨度建 筑物 塑性率极大且仅在某 一特定方向产生残余 变形的建筑物 钢结构设计规范GB50017 抗震性能化设计
8、 性能化设计体现在以下几个方面： 根据结构特性及使用功能选定塑性耗能区性能等级 根据结构塑性耗能区弹性承载力的差别，采用不同的延性等级 进行延性开展机构的控制，确保地震来袭时结构按照预想的延性机构开展弹塑性变形 钢结构设计规范GB50017 抗震性能化设计 采用能力设计法，进行塑性开展机构的控制 强柱弱梁 强节点弱构件 强框架弱支撑 钢结构设计规范GB50017 抗震性能化设计 引入非塑性耗能区内力增大系数E 引导构件相对强弱符合延性开展的要求； 为罕遇地震作用下出现的重力荷载重分布做好准备 引入钢材超强系数y，确保延性开展机构的实现 框架结构根据延性要求采用不同的节点域验算方法 支撑结构根据
9、延性要求支撑的长细比和板件宽厚比 性能化设计步骤 验算小震作用下承载力满足抗规要求 （不包括塑性耗能区） 小震作用下层间位移满足抗规要求 初步选择塑性耗能区的性能等级 进行设防地震下的承载力验算 确定构件和节点延性等级及相应抗震措施 必要时验算大震层间位移角 压弯和受弯构件的截面板件宽厚比等级及限值 =(max-min)/max 构件构件 截面板件宽厚截面板件宽厚 比等级比等级 S1S1级级 S2S2级级 S3S3级级 S4S4级级 S5S5级级 压弯 构件 H形 截面 翼缘 9 11 13 15 20 腹板 33+131.30 38+131.39 42+181.51 45+251.66 25
10、0 箱形 截面 壁板 （腹板） 间翼缘 30 35 42 45 受弯 构件 工字 形截 面 翼缘 9 11 13 15 20 腹板 65 72 93 124 250 箱形 截面 壁板 （腹板） 间翼缘 25 32 37 42 钢结构房屋的抗震等级 （引自GB50011-2010表8.1.3） 房屋房屋 高度高度 烈度烈度 6 7 8 9 50m 四 三 二 50m 四 三 二 一 框架梁、柱板件宽厚比限值框架梁、柱板件宽厚比限值 （引自（引自GB50011-2010表表8.3.2） 构件构件 一一级级 二二级级 三级三级 四级四级 柱 H形截面 翼缘 10 11 12 13 H形截面 腹板 4
11、3 45 48 52 箱形截面壁板 （腹板）间翼缘 33 36 38 40 梁 工字形截面 翼缘 9 9 10 11 工字形截面 腹板 72-120Nb/Af 60 72-100Nb/Af 65 80-110Nb/Af 70 85-120Nb/Af 75 箱形截面壁板 （腹板）间翼缘 30 30 32 36 受弯构件和压弯构件的截面板件宽厚比等级 （引自GB50011-2010表6） 构件构件 A类类 B类类 C C类类 柱 H形截面 翼缘 10 12 指现行钢规 按弹性准则设计 时腹板不发生局 部屈曲的情况 H形截面 腹板 44 50 箱形截面 壁板（腹板） 间翼缘 33 37 梁 工字形截
12、面 翼缘 9 11 工字形截面 腹板 65 72 箱形截面壁 板（腹板） 间翼缘 30 36 水平地震影响系数最大值 地震影响地震影响 6度度 7度度 8度度 9度度 多遇地震 0.04 0.08（0.12） 0.16（0.24） 0.32 设防地震 0.12 0.23（0.34） 0.45（0.68） 0.90 多遇地震/设防地震 0.33 0.35 0.36(0.35) 0.36 规则结构塑性耗能区不同性能等级 对应的性能系数最小值 性能性能 等级等级 性能性能1 性能性能2 性能性能3 性能性能4 性能性能5 性能性能6 性能性能7 性能 系数 最小值 1.10 0.9 0.70 0.5
13、5 0.45 0.35 0.28 结构构件最低延性等级 设防设防 类别类别 塑性耗能区最低性能等级塑性耗能区最低性能等级 性能 1 性能 2 性能 3 性能 4 性能 5 性能 6 性能 7 适度 设防类 （丁类） 级 级 级 级 标准 设防类 （丙类） 级 级 级 级 级 重点 设防类 （乙类） 级 级 级 级 级 特殊 设防类 （甲类）级 级 级 级 级 按抗震性能化设计思路设计流程 建筑物 地震以外荷载承 载能力和正常使 用状态计算符合 规范规定 基本符合建 抗规1-5章 的规定（除材 料和承载力） 多遇地震作用下 承载力符合抗规规定 （对于丙类结构，延性等级不 低于级的塑性耗能区除外）
14、 层间位移角1/250 地下结构 的验算 设防地震作用验算 高承载力低延性 低承载力高延性 非结构构件的 问题 按抗震性能化设计思路 设防地震作用验算的设计流程 建筑物根据建筑工程抗震设防分类标准确定设防类别设防类别 根据设防烈度、结构体系、使用功能、 附属设施功能要求、投资大小等确定 最低延性等级最低延性等级 验算塑性耗能 区性能系数 按照机构控制 验算其他构件 的承载力 根据延性等级 确定构件和节 点的抗震措施 按抗震性能化设计思路 设防地震作用验算的框架结构设计流程 建筑物根据建筑工程抗震设防分类标准确定设防类别设防类别 根据设防烈度、使用功能、附 属设施功能要求、投资大小等 确定最低延性等级最低延性等级 验算框架梁梁端 性能系数 （按层进行） 剪力按梁端（或柱 端）产生塑性铰时 最大剪力计算 强柱弱梁 框架梁轴压比 0.15 根据延性等级确定 框架梁梁端（柱最大应力 区）板件宽厚比 节点域 框架柱长细比 按抗震性能化设计思路 设防地震作用验算的支撑结构设计流程 建筑物根据建筑工程抗震设防分类标准确定设防类别设防类别 根据设防烈度、使用功能、附属设施 功能要求、投资大小等确定最低延最低延 性等级性等级 验算支撑性能系数 当长细比大于130时， 可按只受拉构件计算 （按层进行） 强柱弱支撑 根据延性等级确定 支撑板件宽厚比和长 细比 与抗规比较：钢规更适合精细化设
