抗震课件第六章

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1、61第六章 多高层建筑钢结构抗震设计61 多高层钢结构的主要震害特征多高层钢结构的主要震害特征钢结构强度高、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 61） ，而钢筋混 凝土结构房屋的破坏就要严重得多。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 表 61钢结构钢筋混凝土结构 建造年份 倒塌严重破坏

2、倒塌严重破坏1957 年以前71271619571976 年3151231976 年以后0046多高层钢结构在地震中的破坏形式有三种：节点连接破坏；板件破坏；结构倒 塌。6.1.1 节点连接破坏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（图 61） ，另一种是梁柱连接破坏 （图 62） ，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 62） ，支撑连接更易遭受地震破坏。 1978 年日本宫城县远海地震钢结构建筑破坏类型统计 表 62破 坏 等 级*统 计 结 构 数 量破 坏 类 型总数百分比(%)柱22梁1过度弯曲梁、柱局部屈曲2112

3、117.4支撑连接6132563梁柱连接21柱脚连接421连接破坏其它连接1111980.4基础失效不均匀沉降24121812.2总计8233483148100* 级支撑、连接等出现裂纹，但没有不可恢复的屈曲变形级出现小于 1/30 层高的永久层间变形级出现大于 1/30 层高的永久层间变形62级倒塌或无法继续使用（a）圆钢支撑连接的破坏 （b）角钢支撑连接的破坏图 61 支撑连接破坏（a）美国 Northridge 地震 （b）日本阪神地震图 62 梁柱刚性连接的典型震害现象 1994 年美国 Northridge 和 1995 年日本阪神地震造成了很多梁柱刚性连接破坏，震害 调查发现，梁柱

4、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：楼板与梁共同变形导致下翼缘应力增大；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。图 63 给出了震后观察到的在梁柱焊缝连接处的失效模 式。裂缝 裂缝横膈板裂缝不足引 起的断裂(a) 焊缝-柱交界处完全断开(b) 焊缝-柱交界处部分断开(c) 沿柱翼缘向上扩展,完全断开(d) 沿柱翼缘向上扩展,部分断开(f) 柱翼缘层状撕裂(e) 焊趾处梁翼缘裂通(g) 柱翼缘裂通(水平或倾斜方向)(h) 裂缝穿过柱翼缘和部分腹板63（a）美国 Northridge 地震模式 1 翼缘断裂模式 2，3 热影响区断裂模式

5、4 横膈板断裂（b）日本阪神地震图 63 梁柱焊接连接处的失效模式 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。这些缺陷将成为裂缝开展直至断裂的 起源。 （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条，实际工程中垫条 在焊接后就留在结构上，这样垫条与柱翼缘之间就形成一条“人工”裂缝（图 64） ，成为 连接裂缝发展的起源。图 64 “人工”裂缝 （4）焊缝金属冲击韧性低。美国北岭地震前，焊缝采用 E70T-4 或 E70T-7 自屏蔽

6、药 芯焊条，这种焊条对冲击韧性无规定，实验室试件和从实际破坏的结构中取出的连接试件 在室温下的试验表明，其冲击韧性往往只有 1015J，这样低的冲击韧性使得连接很易产生 脆性破坏，成为引发节点破坏的重要因素。6.1.2 构件破坏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。支撑在地震中所受的压力超过其屈曲临界力时，即发生压屈破坏（图 65） 。扇形开口横膈板箱形柱梁腹板梁翼缘1234扇形开口横膈板箱形柱梁腹板梁翼缘1234衬板柱人工缝梁弯矩柱梁翼缘a64图 65 支撑的压屈 （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

7、破坏（图 66） 。图 66 柱的局部失稳 （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市海滨 城的 52 栋高层钢结构住宅，有 57 根钢柱发生断裂，其中 13 根钢柱为母材断裂（图 6-7a） ， 7 根钢柱在与支撑连接处断裂（图 6-7b） ，37 根钢柱在拼接焊缝处断裂。钢柱的断裂是出 人意料的，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； 加上地震时为日本严冬时期，钢柱位于室外，钢材温度低于 0oC；以及焊缝和弯矩与剪力 的不利影响，造成柱水平断裂。（a）母材的断裂 （b）支撑处的断裂 图 6-7 钢柱的断裂6.1.3 结构倒塌结

8、构倒塌结构倒塌是地震中结构破坏最严重的形式。钢结构建筑尽管抗震性能好，但在地震中 也有倒塌事例发生。1985 年墨西哥大地震中有 10 幢钢结构房屋倒塌（见表 61） ，在 1995 年日本阪神地震中，也有钢结构房屋倒塌发生。表 63 是阪神地震中 Chou Ward 地区钢结 构房屋震害情况。651985 年日本阪神地震中 Chou Ward 地震钢结构房屋震害情况 表 63建造年份严重破坏或倒塌中等破坏轻微破坏完 好1971 年以前502019711982 年00351982 年以后0017钢结构房屋在地震中严重破坏或倒塌与结构抗震设计水平关系很大。1957 年和 1976 年，墨西哥结构

9、设计规范分别进行过较大的修订，而 1971 年是日本钢结构设计规范 修订的年份，1982 年是日本建筑标准法实施的年份，从表 61 和表 63 知，由于新设计规 范采纳了新研究成果，提高了结构抗震设计水平，在同一地震中按新规范设计建造的钢结 构房屋倒塌的数量就要比按老规范设计建造的少得多。62 多高层钢结构的选型与结构布置多高层钢结构的选型与结构布置6.2.1 结构选型结构选型在结构选型上，多层和高层钢结构无严格界限。但为区分结构的重要性对结构抗震构 造措施的要求不同，我国建筑抗震设计规范（GB500112001）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

10、构建筑。 有抗震要求的多高层建筑钢结构可采用框架结构体系（图 68） 、框架中心支撑结构 体系（图 69） 、框架偏心支撑结构体系（图 610）及框筒结构体系（图 611） 。框架结 构体系的梁柱节点宜采用刚接。图 68 纯框架结构图 69 各种中心支撑框架结构图 610 偏心支撑框架结构ee偏心梁段66图 611 框筒结构 纯框架结构延性好，但抗侧力刚度较差。中心支撑框架通过支撑提高框架的刚度，但 支撑受压会屈曲，支撑屈曲将导致原结构承载力降低。偏心支撑框架可通过偏心梁段剪切 屈服限制支撑受压屈曲，从而保证结构具有稳定的承载能力和良好的耗能性能，而结构抗 侧力刚度介于纯框架和中心支撑框架之间

11、。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。各种钢结构体系建筑的适用高度与高宽比不宜大于表 64 和表 6 5 给出的数值。 适用的钢结构房屋最大高度（m） 表 64设 防 烈 度 结 构 体 系 6、789框 架1109050框架支撑（剪力墙板）220200140筒体（框筒、筒中筒、 束筒）和巨型框架300260180适用的钢结构房屋最大高宽比 表 65烈 度6、789最大高宽比6.56.05.56.2.2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

12、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。 （2）建筑的开间、进深宜统一，其常用平面的尺寸关系应符合表 66 和图 612 的要 求。当钢框筒结构采用矩形平面时，其长宽比不应大于 1.5：1，不能满足此项要求时，宜 采用多束筒结构。 L，l，l，B的限值 表 6-6L/BL/Bmaxl/bl/ BmaxB/ Bmax541.510.5AAA A67图 612 表 66 中变量的意义 （3）高层建筑钢结构不宜设置防震缝，但薄弱部位应注意采取措施提高抗震能力。如 必须设置伸缩缝，则应同时满足防震缝的要求。 （4）宜避免结构平面不规则布置。如在平面布置上

13、具有下列情况之一者，为平面不规 则结构： 任意层的偏心率大于 0.15。偏心率可按下列公式计算：（61）exy xreeyx yre其中：（62）xT exKKryT eyKKr式中 、分别为所计算楼层在 x 和 y 方向的偏心率；xy、分别为 x 和 y 方向楼层质心到结构刚心的距离；xeye、分别为结构 x 和 y 方向的弹性半径；exreyr、分别为所计算楼层各抗侧力构件在 x 和 y 方向的侧向刚度xKyK之和； 、以刚心为原点的抗侧力构件坐标。xy 结构平面形状有凹角，凹角的伸出部分在一个方向的长度，超过该方向建筑总尺寸 的 25%。 楼面不连续或刚度突变，包括开洞面积超过该层楼面面

14、积的 50%。 抗水平力构件既不平行于又不对称于抗侧力体系的两个互相垂直的主轴。 属于上述情况第一、第四项者应计算结构扭转影响；属于第三项者应采用相应的计算 模型，属于第二项者应在凹角出采用加强措施。b)c)a)e)d)686.2.3 结构竖向布置结构竖向布置多高层钢结构的竖向布置应尽量满足下列要求： （1）楼层刚度大于其相邻上层刚度的 70%，且连续三层总的刚度降低不超过 50%。 （2）相邻楼层质量之比不超过 1.5（屋顶层除外） 。 （3）立面收进尺寸的比例 L1/L0.75（图 613） 。图 613 立面收进 （4）任意楼层抗侧力构件的总受剪承载力大于其相邻上层的 80%。 （5）框

15、架支撑结构中，支撑（或剪力墙板）宜竖向连续布置，除底部楼层和外伸刚 臂所在楼层外，支撑的形式和布置在竖向宜一致。6.2.4 结构布置的其它要求结构布置的其它要求（1）高层钢结构宜设置地下室。在框架支撑（剪力墙板）体系中，竖向连续布置的 支撑（剪力墙板）应延伸至基础。设置地下室时，框架柱应至少延伸到地下一层。 （2）8、9 度时，宜采用偏心支撑、带缝钢筋混凝土剪力墙板、内藏钢板支撑或其它 消能支撑。 （3）采用偏心支撑框架时，顶层可为中心支撑。 （4）楼板宜采用压型钢板（或预应力混凝土薄板）加现浇混凝土叠合层组成的楼板。 楼板与钢梁应采用栓钉或其它元件连接（图 614） 。当楼板有较大或较多的开孔时，可增 设水平钢支撑以加强楼板的水平刚度。图 614 楼板与钢梁的连接 （5）必要时可设置由筒体外伸臂和周边桁架组成的加强层。栓钉钢梁压型钢板现浇混凝土6966.3 多高层钢结构的抗震概念设计多高层钢结构的抗震概念设计完整的建筑结构抗震设计包括三个方向的内容与要求，概念设计、抗震计算与构造措 施。