多层和高层钢结构房屋抗震设计 GB 50011 抗震设计规范讲座之六[摘要] 新抗震设计规范GB 50011与89规范相比，不仅有单层钢结构厂房的有关规定，而且增加了多层和高层钢结构房屋抗震设计的规定从材料特性、房屋高度、结构选型、内力分析和现场装配设计等方面提出了较详尽的要求，以适应我国钢结构日益发展的需要钢结构的抗震性能优于其他材料的结构，遭遇低烈度地震时一般不受破坏，可基本按非抗震的要求设计；但在美国1994年北岭地震和日本1995年阪神地震中，大量的钢结构房屋破坏，尤其是焊接钢框架结构破坏十分严重，说明高烈度时钢结构仍需要采取一系列抗震措施我国过去钢材产量有限，钢结构在建筑工程中应用很少随着钢材产量的增加，国家要求积极发展钢结构因此，新抗震规范除保留单层钢结构厂房的内容外，参考行业标准《高层民用建筑钢结构技术规程》（以下简称《高钢规程》），纳入了多层与高层钢结构房屋的抗震设计要求，并吸取美日地震后两国相关规范修订的内容，从材料特性、房屋高度、结构选型、内力分析和构造措施方面对钢结构的抗震设计做了明确的规定与《高钢规程》相比，新国家标准增加了巨型框架体系，适当放宽了高宽比和构件承载力要求，按烈度和房屋高度调整了长细比和宽厚比要求，加强了内力调整和节点的构造。
鉴于钢-混凝土混合结构在技术上尚不够成熟，美国在阿拉斯加地震中曾出现倒塌事故而认为只能用于非地震区，日本将其列入特殊结构且需经建筑中心评定和建设省大臣批准，国家标准GB 50011暂未列入混合结构的设计内容6.1 钢结构房屋的抗震概念设计钢结构房屋属于装配式结构，其抗震设计不仅要遵守各类结构共同的基本规定外，还要针对钢结构的特点，采取专门的设计手法主要的抗震概念设计要求是：1．根据建筑结构的规则性、不规则性和特别不规则，采取相应的设计计算方法；不应采用严重不规则的建筑方案（参见讲座之一）2．具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径通过设置多道抗震防线并考虑重力二阶效应，避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力3．整个结构具备必要的抗震承载力，良好的变形能力和消耗地震能量的能力；有合理的刚度和承载力分布，避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形集中对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高抗震能力 4．结构在两个主轴方向的动力特性宜相近，减少结构的扭转地震效应 5．钢框架结构应具有强柱、弱梁、更强节点的性能 6．梁、柱、支撑等结构构件应合理控制长细比和宽厚比，避免局部失稳或整个构件失稳。
7．构件节点的破坏，不应先于其连接的构件；结构构件的连接，应能保证结构的整体性8．选用合适的结构钢材，要求具备必要的塑性、可焊性和冲击韧性与《高钢规程》相比，新国家标准的主要改进是：1． 明确要求钢结构房屋应根据其设防烈度和房屋层数的不同，选用不同的结构类型，并采用不同的内力调整系数和不同的抗震构造措施2． 调整了规则、不规则的划分，如凹凸尺寸、洞口面积、偏心率控制改为扭转位移比控制等；并进一步明确了相应的计算要求和不规则的上限，尤其是软弱层和竖向构件不连续的设计方法3．增加了结构在两个主轴方向的基本周期和振型宜相近的要求4．继续保持结构钢材应符合强屈比大于1.2、有明显的屈服台阶、伸长率大于20%(标距50mm)要求的同时，增加了冲击韧性的要求；注意到钢材含硫量较高就会出现焊接裂缝，引起层状撕裂，根据我国钢材的实际情况，规定厚度不小于40mm的厚钢板应满足国家标准《厚度方向性能钢板》的要求只要是按新产品标准《高层建筑结构用钢板》YB 4104－2000生产的钢板，已降低了钢板的硫、磷含量和焊接碳当量，提高了屈服点和冲击功，可保证厚度方向性能Z15至Z35级6.2 钢结构的最大适用高度和结构布置钢结构的不同结构体系在各设防烈度时的合理使用高度与《高钢规程》大体一致, 针对钢结构重力较小且抗震性能较好的特点，为促进小高层钢结构的发展，其结构布置以12层为界划分。
1 适用的最大高度钢框架体系的经济高度是30m，取平均层高为3.6m, 则为110m；8、9度设防时适用高度适当减小框架-支撑(剪力墙板)体系是高层钢结构的常用体系, 其剪力墙板可采用延性好的带竖缝墙板、内藏钢支撑混凝土墙板和钢抗震墙板等各类筒体在世界一批最高的建筑中，如443m的西尔斯大厦等应用较多；巨形框架可适用于有大开间要求的高层建筑参照我国已建框架-支撑结构的高度和国外超高层建筑的经验，国家标准的适用高度与《高钢规程》中的规定基本相同(表6.1)超过最大适用高度时，需按建设部50号部长令规定进行专项审查表6.1 适用的钢结构房屋最大高度(m)结构体系6、7度8度9度框架1109050框架-支撑（剪力墙板）220200140筒体（框筒、筒中筒、桁架筒、束筒）和巨型框架300200180 2 适用的最大高宽比高层钢结构的高宽比，纽约世界贸易中心的6.5是早期著名建筑中高宽比较大的，超过此值的不多国家标准考虑我国实际情况，不同的钢结构体系均采用相同的高宽比限值：6、7度取6.5, 8度取6.0, 9度取5.5与《高钢规程》相比作了简化，并有所放宽3 结构布置的一般规定国家标准对钢结构房屋的结构布置规定，包括规则性、防震缝、结构类型、楼盖系统、加强层设置、地下室和基础埋置深度等，与《高钢规程》相比，主要有以下改进：①对防震缝宽度，考虑到钢结构的刚度低于混凝土结构，要求不小于同样高度混凝土结构的1.5倍。
②按房屋的层数和烈度选用合适的结构类型，不超过12层可选用钢框架结构或框架-支撑结构，8、9度且超过12层时，宜选用偏心支撑等具有耗能功能的框架-支撑体系或筒体结构体系③明确了框架-支撑体系中支撑的选型要求和由筒体外伸臂组成加强层的条件④允许不超过12层的钢结构房屋采用装配整体式钢筋混凝土楼板、装配式楼板或其它轻型楼盖，但强调了应将楼板预埋件与钢梁焊接，或采取其它保证楼盖整体性的措施⑤要求超过12层的钢结构房屋应设置地下室， 12层以下不规定当设置地下室时，要求钢框架柱至少伸至地下一层，框架-支撑(抗震墙板)结构中沿竖向连续布置的支撑或抗震墙板应延伸至基础但对于地下室时是否采用钢骨混凝土结构层不作要求，允许对不同情况作不同处理⑥规定天然地基的基础埋深不宜小于房屋高度的1/15；考虑了某些软地基的工程现实，将桩基承台埋深改为不宜小于房屋总高度的1/20，比《高钢规程》略有放松6.3 钢结构的主要抗震计算规定①②③④⑤⑥⑦规定,构件截面和连接的抗震验算时,凡本章未规定者,应符合现行有关结构设计规范的要求由于钢结构的非抗震设计应符合《钢结构设计规范》，而高层钢结构构件和连接抗震设计的很多方法都在《高钢规程》中有规定，本章不再重复，故设计时应与这两本标准同时使用。
抗震设计时的地震作用效应，考虑到它的短时间作用,除以小于1的承载力抗震调整系数第5章表5.4.2对钢结构的承载力抗震调整系数作了调整，对不同类型钢结构采用统一数值，介于89抗震规范和《高钢规程》规定值之间2 结构阻尼比 钢结构在多遇地震下的阻尼比，对超过12层的仍采用0.02,不超过12层的拟采用0.35钢结构房屋阻尼比, 实测表明小于混凝土结构根据ISO规定，低层建筑阻尼比大于高层建筑，据此作了适当规定在罕遇地震下的分析，仍采用0.05 4．层间位移角限值加州规范规定, 基本自振周期大于0.7s的结构, 弹性阶段的位移限值为层高的1／250或0.03／Rw(Rw为结构的延性指标)纯框架结构Rw最大可达12, 即限值可为层高的1／400《高钢规程》参考美国规定采用了上限层高的1／250, 是因为该规程反应谱的地震影响系数下限较高, 为了避免钢材用量过多，层间位移角限值取了较大值考虑到长周期建筑的水平地震作用在本规范中已作了调整, 有所降低, 第5章5.5节将多、高层钢结构弹性层间位移角限值改为层高的1／300罕遇地震作用下层间位移限值,在美国ATC3-06中规定为层高1/67,《高钢规程》取层高的1／70,考虑到我国规定的小震与罕遇地震在7度时相差约6倍, 位移角限值也须与此相应, 该章将弹塑性层间位移角限值调整为1／50。
6.3 弹塑性位移增大系数对钢框架和框架-支撑结构弹塑性位移增大系数,在大量算例的基础上编制成表,对10～20层规则结构的层间位移可查表得出,简化了弹塑性位移计算4 节点域剪切形的影响高层钢框架的特点, 是节点域剪切变形对框架位移影响较大, 可达10～20%, 通常不能忽略8.2.3条1款规定工字形截面柱宜计入腹板剪切变形对框架位移的影响,但对箱型柱不作规定这是因为, 箱形柱有两个腹板, 而且每个腹板的厚度一般均较工字形截面柱的腹板为厚, 其对框架位移的影响相对较小为了适应小高层钢结构住宅的发展，考虑到层高较少时影响不大，还规定了对不超过12层的建筑可不计入计算方法可参见《高层民用建筑钢结构技术规程》,此处不再赘述节点域剪切变形对框架-支撑体系影响较小，研究表明可忽略不计5双重体系中钢框架的剪力分担率在多遇地震作用下的结构分析, 规定了双重抗侧力体系中框架承担的总地震力不小于结构底部剪力的25%, 是参考了美国UBC的规定UBC的原规定是:”框架应设计成能独立承担至少25%的底部设计剪力”该规定的目的是发挥框架部分的二道防线作用但是在设计中在与抗侧力构件组合的情况下,符合该规定很困难。
抗震规范审查组建议参照混凝土结构的规定采用双重标准，将8.2.3条2款改为“框架部分按计算得到的地震剪力应乘以调整系数，达到不小于结构底部总地震剪力的25％和框架部分地震剪力最大值1.8倍二者的较小者”混凝土结构对双重抗侧力体系的规定，相应为不小于地震剪力的20%和框架部分地震剪力最大值的1.5倍,鉴于钢结构要求25%,故规定不大于地震剪力的1.8倍美国设计单位的做法,是在进行内力分析后,进行二次分析,此时忽略抗侧力构件,只考虑框架,检验它是否能承受25%的底部设计剪力据悉这样计算时,符合上述要求并不困难6 强柱弱梁验算8.2.5条1款对强柱弱梁要求作了规定通常认为，框架柱屈服后在地震下出现大位移时，柱可能失去侧向抗力，从而导致结构倒塌AISC规范指出，这并不是说框架中不能出现任何柱子屈服过去的设计中，有很多框架柱的塑性铰是首先出现在柱上的,事实表明仍能发挥承载力而且在设计中要完全消除“强梁弱柱”很难办到但柱出现过多塑性铰肯定是很不利的更加重要的是，强柱弱梁设计使柱足够强，可以做到使若干层的框架梁在大震下出现塑性铰, 达到耗能的目的耗能是很重要的，如果结构不能有效地耗能，将使它受到的地震力增大，十分不利。
另外，弱柱框架的性能一般欠佳,特别是在弹塑性阶段形成软弱层,成为结构的薄弱环节，所以柱仍然是保证大震不倒的关键构件强柱弱梁要求满足下列条件: 该条件式与《高钢规程》中采用的基本相同，是以塑性铰出现在梁端为前提的，所不同的是增加了强柱系数，它大于1该式要求，交汇于节点的框架柱受弯承载力之和，应大于梁的受弯承载力之和，并乘以系数AISC在97年以前的规定没有系数,我国。