1Prepared by:Prepared by:Civil StructuralCivil Structural16 April 200316 April 2003 Training ManualTraining ManualPrepared by: Prepared by: 杨春晖杨春晖杨春晖杨春晖 美国结构设计规范简介美国结构设计规范简介美国结构设计规范简介美国结构设计规范简介 美国结构设计规范简介美国结构设计规范简介一、主要结构设计规范体系介绍一、主要结构设计规范体系介绍二、钢结构设计规范二、钢结构设计规范AISC360-05简介简介三、抗震相关内容简介三、抗震相关内容简介2 一、主要结构设计规范体系介绍一、主要结构设计规范体系介绍国家规范(IBC, UBC)荷载规范ASCE 7（包括地震荷载）混凝土设计规范ACI 318（包括抗震混凝土）钢结构设计规范AISC 360（非抗震体系）抗震钢结构AISC 3413 荷载规范荷载规范ASCE 7简介简介nASCE :American Society of Civil Engineers (美国土木工美国土木工程师学会）程师学会）nASCE 7-05 Minimum Design Loads for Building and Other Structures包括包括:Ø荷载组合方式荷载组合方式: 极限荷载组合和允许应力荷载组合极限荷载组合和允许应力荷载组合Ø恒荷载、楼面活荷载、洪水、风、冰、雪、雨荷载恒荷载、楼面活荷载、洪水、风、冰、雪、雨荷载Ø地震荷载（场地分类、地震谱、地震荷载计算、地地震荷载（场地分类、地震谱、地震荷载计算、地震荷载组合、抗震体系的选择，地震作用的静力、震荷载组合、抗震体系的选择，地震作用的静力、动力分析等等）动力分析等等）4 荷载规范荷载规范ASCE 7简介（接上）简介（接上）n荷载组合方式荷载组合方式Strength design：：Allowable stress design：：说明：因为地震加速度已经加过系数，即已经是极限说明：因为地震加速度已经加过系数，即已经是极限强度水平，所以对于极限强度设计，地震荷载强度水平，所以对于极限强度设计，地震荷载E的系数的系数为为1.0.5 荷载规范荷载规范ASCE 7（接上）（接上）6 混凝土规范混凝土规范ACI 318相关中文参考资料：1.《混凝土结构设计》A.H.尼尔逊 著 中国建筑工业出版社3. 《基础工程分析与设计》约瑟夫·E·波勒斯 著 中国建筑工业出版社nACI :American Concrete Insitute (美国混凝土学会）美国混凝土学会）nACI 318 是美国混凝土学会的一个分会，负责通用的是美国混凝土学会的一个分会，负责通用的混凝土结构规范的编写混凝土结构规范的编写nACI318-08 （最新（最新) 包括：包括：Ø混凝土结构分析方法混凝土结构分析方法Ø受弯、压弯、抗剪等等承载力计算；受弯、压弯、抗剪等等承载力计算；Ø构造和施工的要求；构造和施工的要求；注意：注意：ACI318也包括了基础设计的要求但不包含地基承也包括了基础设计的要求但不包含地基承载力计算，美国没有专门的地基基础设计规范载力计算，美国没有专门的地基基础设计规范7 钢结构设计规范钢结构设计规范AISC 360nAISC American Institute of Steel Construction（美国钢结（美国钢结构学会）构学会）ØAISC 360-05 是一本是一本LRFD和和ASD合一的规范，但本质上合一的规范，但本质上是一本是一本LRFD钢结构设计规范（钢结构设计规范（13th Manual)；；ØASD规范是规范是AISC于于1989年出版，也是最后一本年出版，也是最后一本ASD钢钢结构设计规范结构设计规范 (ASD 9th Manual)ØAISC 341-05 是一本单独的钢结构抗震设计规范是一本单独的钢结构抗震设计规范（（Seismic Manual)AISC官方网站：官方网站：www.aisc.org8 二、钢结构设计规范二、钢结构设计规范AISC360-051.总的设计要求总的设计要求2.整体稳定分析和设计要求整体稳定分析和设计要求3.构件稳定设计要求构件稳定设计要求4.节点设计概述节点设计概述9 1. 总的设计要求总的设计要求n开篇：本规范适用于低地震区（抗震调整系数开篇：本规范适用于低地震区（抗震调整系数R<=3),否则需要结合否则需要结合AISC 341钢结构抗震规范；且不是核电钢结构抗震规范；且不是核电设施；设施；n材料要求：材料要求：钢材：全部采用钢材：全部采用ASTM标准标准 一般结构钢一般结构钢,钢板钢板:ASTM A36 (Q235) A572 (Q345)螺栓、垫片和螺母螺栓、垫片和螺母 都有明确的要求：都有明确的要求：地脚螺栓：地脚螺栓：A307；；高强螺栓高强螺栓; A325（（8.8级）级） A490（（10.9级）级）;垫片垫片:F436；； 螺母：螺母：A194，，A56310 n设计要求设计要求Ø承载力设计要求：承载力设计要求： Ru ≤ Φ Rn 极限荷载组合效应极限荷载组合效应 ≤（抵抗折减系数）（抵抗折减系数）* （名义承载力）（名义承载力）Ø整体稳定设计要求（见后面介绍）整体稳定设计要求（见后面介绍）Ø节点设计要求：节点设计要求：铰接（铰接（Simple Connection））刚接（刚接（Moment Connection）又分为）又分为FR（全刚）和（全刚）和PR（半（半刚性连接），一般采用刚性连接），一般采用FRØ积水设计要求，疲劳设计要求，防火、腐蚀设计要求积水设计要求，疲劳设计要求，防火、腐蚀设计要求等等详见规范第详见规范第B章节章节1. 总的设计要求（继续）总的设计要求（继续）11 n宽厚比，高厚比的要求宽厚比，高厚比的要求：：截面分类截面分类: COMPACT;NON-COMPACT;SLENDERNESS.nAISC允许局部屈曲允许局部屈曲1. 总的设计要求（继续）总的设计要求（继续）12 2. 整体稳定设计要求整体稳定设计要求n稳定设计是钢结构设计的重点稳定设计是钢结构设计的重点n稳定设计分为整体稳定设计和构件稳定设计（有效长稳定设计分为整体稳定设计和构件稳定设计（有效长度系数或计算长度系数是联系两者的桥梁）度系数或计算长度系数是联系两者的桥梁）13 2. 整体稳定设计要求（继续）整体稳定设计要求（继续）n整体稳定设计：整体稳定设计：1. 需要选择合适的结构体系：需要选择合适的结构体系：有支撑框架（有支撑框架（Braced-Frame）和剪力墙系统；）和剪力墙系统；刚接框架（刚接框架（Moment Frame））;重力框架（重力框架（Gravity Framing）系统（即摇摆柱，其侧向）系统（即摇摆柱，其侧向稳定需要以上两种系统提供）；稳定需要以上两种系统提供）；组合系统。
组合系统2.需要选择合适的结构分析方法：需要选择合适的结构分析方法：有效长度系数法（有效长度系数法（Effective Length Method）；）；直接分析法（直接分析法（Direct Analysis Method)；；一阶弹性分析（一阶弹性分析（First-order Analysis Method)14 稳定设计方法对比稳定设计方法对比 15 2. 整体稳定设计要求（继续）整体稳定设计要求（继续）n限制条件：限制条件：二阶二阶/一阶位移比一阶位移比Δ2nd / Δ1st ：：The ratio of second-order drift to first-order drift can be represented by B2直接分析法：无限制；有效长度法：B2≤1.5；一阶分析法： B2≤1.5；且轴压比≤0.5注意：B2的上限为2.5GB50017里同样有：16 P-Delta效应效应17 二阶弹性分析方法二阶弹性分析方法n一阶弯矩放大法一阶弯矩放大法‘B1-B2“法：法：GB的公式类似，但缺少B1系数：其中Cm 为等效弯矩系数类似B1的系数出现在：18 直接分析法和有效长度法直接分析法和有效长度法19 分析流程：分析流程：20 3.构件稳定设计构件稳定设计受拉构件受拉构件验算两种情况：验算两种情况：净截面应力小于极限抗拉强度：净截面应力小于极限抗拉强度： 毛截面应力小于屈服强度：毛截面应力小于屈服强度：21 轴心受压构件轴心受压构件22 临界长细比临界长细比λp 弹性屈曲和非弹性屈曲的临界长细比λp (limiting KL/r) 或临界屈曲应力 Fe23 其它需要考虑的情况其它需要考虑的情况n如果如果flange and web is slender尚需要折减稳定曲线尚需要折减稳定曲线(折折减系数减系数Qs Qa) 24 其它需要考虑的情况其它需要考虑的情况n以上只是柱子的以上只是柱子的flexural buckling, 但当截面是十字但当截面是十字, 单单轴对称轴对称(角钢角钢,T型钢型钢)等等,尚有尚有Torsional, flexural-torsional buckling 发生发生. 25 受弯构件受弯构件根据截面形状，按下表计算不同的极限失稳状态：26 受弯构件受弯构件相当于GB的等效临界弯矩系数βb27 受弯对称工字型截面或槽钢：受弯对称工字型截面或槽钢：两种极限状态（取较小值）：28 受弯对称工字型截面或槽钢：受弯对称工字型截面或槽钢：29 4. 节点设计概述节点设计概述n4.1 螺栓连接设计螺栓连接设计n4.2 焊缝连接设计焊缝连接设计n4.3 连接板件设计连接板件设计n4.4 几种常用的连接构造几种常用的连接构造30 4. 节点设计概述节点设计概述n4.1 螺栓连接设计螺栓连接设计高强螺栓材料：高强螺栓材料：ASTM A325 和和 A490三种连接类型必须由设计指明：三种连接类型必须由设计指明：ØSnug-tightened; 无预拉力的要求，设计施工比较简单；无预拉力的要求，设计施工比较简单；相当于相当于GB的高强承压型（的高强承压型（bearing-type)ØPretensioned; 有预拉力的要求，较少用；有预拉力的要求，较少用；ØSlip-critical有预拉力和摩擦面要求，相当于有预拉力和摩擦面要求，相当于GB的高强摩擦型，但仍的高强摩擦型，但仍然需要验算承压强度然需要验算承压强度 See Page 167 of AISC 36031 4. 节点设计概述节点设计概述n螺栓设计的其他考虑：螺栓设计的其他考虑：1.构造要求：构造要求：螺栓开孔，间距（螺栓开孔，间距（min 2 2/3 d,3d preferred)，边距等要求，边距等要求32 4. 节点设计概述节点设计概述n螺栓设计的其他考虑：螺栓设计的其他考虑：2.荷载偏心设计考虑：荷载偏心设计考虑：二种方法：二种方法：弹性设计法弹性设计法瞬心法（塑性法）瞬心法（塑性法）33 4.2 焊缝连接设计焊缝连接设计n焊缝类型：焊缝类型：熔透焊（熔透焊（CJP））半熔透焊（半熔透焊（PJP））角焊缝（角焊缝（fillet weld））n焊缝计算的几个问题：焊缝计算的几个问题：Ø焊缝强度：焊条焊缝强度：焊条FEXX =70 ksi (相当于相当于E55型焊条，适用于型焊条，适用于A572) 设计强度为设计强度为0.6 FEXX ，， f f = 0.75 (LRFD) 34 焊缝计算的几个问题：焊缝计算的几个问题：Ø正面角焊缝增大系数：正面角焊缝增大系数：q = 90 deg. 增大系数1.5Ø偏心荷载时的计算方法：瞬心法和弹性设计法偏心荷载时的计算方法：瞬心法和弹性设计法35 连接板件的破坏：连接板件的破坏：n剪切破坏剪切破坏n受拉破坏受拉破坏36 连接板件的破坏：连接板件的破坏：n块剪破坏（块剪破坏（block shear）） 37 连接板件的破坏：连接板件的破坏：nWhitmore 有效宽度有效宽度n受压板件的屈曲受压板件的屈曲38 其他一些连接设计的考虑：其他一些连接设计的考虑： n撬力作用；撬力作用；n转动的延性；转动的延性；构造规定，铰接节点如果采用端板或双角钢连接时，端板或双角钢腹板厚度不能超过16mm，否则应该按照下面公式验算39 其他一些连接设计的考虑：其他一些连接设计的考虑：40 其他一些连接设计的考虑其他一些连接设计的考虑n集中力作用集中力作用41 常见的连接形式：常见的连接形式：n刚接（刚接（Moment Connection））Extended End-Plate Moment Connection42 常见的连接形式：常见的连接形式：Flush End-Plate Moment Connection栓焊连接栓焊连接43 常见的连接形式：常见的连接形式：n铰接连接：铰接连接：端板连接双角钢连接刀板连接44 三、抗震相关内容简介三、抗震相关内容简介地震反应修正系数 （Seismic response modification coefficient） R >345 地震的基本计算和要求：地震的基本计算和要求：n地震力的计算地震力的计算(ASCE 7-05)：：设计反应谱 46 地震力效应分析方法：地震力效应分析方法：n等效静力法；等效静力法；n反应谱法；反应谱法；n时程法时程法47 等效法（底部剪力法）等效法（底部剪力法）48 地震力的垂直分布和偏心扭矩地震力的垂直分布和偏心扭矩并且需要考虑5%的偶然偏心扭矩49 层间位移比层间位移比50 层间位移比限制（大震下的塑性位移）层间位移比限制（大震下的塑性位移）常见的钢结构抗震体系常见的钢结构抗震体系 R Ω0 Cd 值值51 地震荷载下的稳定性指标地震荷载下的稳定性指标 52 常见的钢结构抗震体系常见的钢结构抗震体系n特殊抗弯框架（特殊抗弯框架（Special Moment Frame, SMF)n中等抗弯框架中等抗弯框架 （（Intermediate Moment Frame, IMF)n普通抗弯框架普通抗弯框架 （（Ordinary Moment Frame, OMF)n特殊桁架抗弯框架（特殊桁架抗弯框架（Special Truss Moment Frame, STMF)抗弯框架抗弯框架支撑框架支撑框架n特殊中心支撑框架（特殊中心支撑框架（SCBF);n普通中心支撑框架（普通中心支撑框架（OCBF);n偏心支撑框架偏心支撑框架(EBF);n屈曲约束支撑框架（屈曲约束支撑框架（BRBF））钢板剪力墙钢板剪力墙（（Special Plate Shear Walls)53 抗震设计的几个问题抗震设计的几个问题n抗震钢结构的材料抗震钢结构的材料n宽厚比限值宽厚比限值,n保护区（保护区（Protected Zone)n特殊抗弯框架的一些设计概念特殊抗弯框架的一些设计概念54 抗震钢结构的材料抗震钢结构的材料n只有下列材料被允许用于抗震钢结构：只有下列材料被允许用于抗震钢结构： ASTM A36,A53, A500,A501,A572, A588, A913, A992;n设计包括设计包括E=Ω0 QE 时考虑要屈服的构件，时考虑要屈服的构件，Fy≤50ksi但不限制但不限制A588或或A913的的65级钢的柱子，这些柱子仅仅期级钢的柱子，这些柱子仅仅期望会在柱脚出现屈服。
望会在柱脚出现屈服55 宽厚比限值宽厚比限值n宽厚比限值宽厚比限值56 保护区（保护区（Protected Zone)57 Protected Zone58 特殊抗弯框架的一些设计概念特殊抗弯框架的一些设计概念n强柱弱梁强柱弱梁即即n梁柱节点域设计梁柱节点域设计构造要求：59 End of PresentationQUESTIONS ?60 刚才的发言，如刚才的发言，如有不当之处请多指有不当之处请多指正谢谢大家！ 正谢谢大家！ 61 。