建筑抗震與設(shè)防---鋼結(jié)構(gòu)建筑資料

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1、,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,第七章 多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì),建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì),遼寧工程技術(shù)大學(xué),7.1,多高層鋼結(jié)構(gòu)的主要震害特征,7.1.0,概述,7.1.1,節(jié)點(diǎn)連接破壞,7.1.2,構(gòu)件破壞,7.1.3,結(jié)構(gòu)倒塌,概述,鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、延性好、重量輕、抗震性能好?？傮w來說，在同等場地、烈度條件下，鋼結(jié)構(gòu)房屋的震害較鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋的震害要小。例如，在墨西哥城的高烈度區(qū)內(nèi)有,102,幢鋼結(jié)構(gòu)房屋，其中,59,幢為,1957,年以后所建，在,1985,年,9,月的墨西哥大地震,(,里氏,8.1,級,),中，,1957,年以后建造的鋼結(jié)構(gòu)房屋倒塌或嚴(yán)重破壞的不

2、多,(,見表,6-1),，而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋的破壞就要嚴(yán)重得多。,建造年份,鋼結(jié)構(gòu),鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),倒塌,嚴(yán)重破壞,倒塌,嚴(yán)重破壞,1957,年以前,7,1,27,16,1957,一,1976,年,3,1,51,23,1976,年以后,0,0,4,6,1985,年墨西哥城地震中鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞情況,7.1.1,節(jié)點(diǎn)連接破壞,主要有兩種節(jié)點(diǎn)連接破壞，一種是支撐連接破壞，另一種是梁柱連接破壞，從,1978,年日本宮城縣遠(yuǎn)海地震,(,里氏,7.4,級,),所造成的鋼結(jié)構(gòu)建筑破壞情況看,(,表,6-2),，支撐連接更易遭受地震破壞。,支撐連接破壞,梁柱剛性連接的典型震害現(xiàn)象,1994,年

3、美國,Northridge,地震和,1995,年日本阪神地震造成了很多梁柱剛性連接破壞，震害查發(fā)現(xiàn)，梁柱連接的破壞大多數(shù)發(fā)生在梁的下翼緣處，而上翼緣的破壞要少得多。這可能有兩種原因,:1,樓板與梁共同變形導(dǎo)致下翼緣應(yīng)力增大；,2),下翼緣在腹板位置焊接的中斷是一個(gè)顯著的焊縫缺陷的來源。,梁柱焊接連接處的失效模式,梁柱剛性連接裂縫或斷裂破壞的原因有,:,1),焊縫缺陷，如裂紋、欠焊、夾渣和氣孔等。,2),三軸應(yīng)力影響。分析表明，梁柱連接的焊縫變形由于受到梁和柱約束，施焊后焊縫殘存三軸拉應(yīng)力，使材料變脆。,3),構(gòu)造缺陷。出于焊接工藝的要求，梁翼緣與柱連接處設(shè)有墊板，實(shí)際工程中墊板在焊接后就留在結(jié)

4、構(gòu)上，這樣墊板與柱翼緣之間就形成一條“人工”裂縫，成為連接裂縫發(fā)展的起源。,“,人工”裂縫,7.1.2,構(gòu)件破壞,多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞的主要形式有,:,1),支撐壓屈。在地震時(shí)支撐所受的壓力超過其屈曲臨界力時(shí)，即發(fā)生壓屈破壞。,2),梁柱局部失穩(wěn)。梁或柱在地震作用下反復(fù)受彎，在彎矩最大截面處附近由于過度彎曲可能發(fā)生翼緣局部失穩(wěn)破壞,3),柱水平裂縫或斷裂破壞。,1995,年日本阪神地震中，位于阪神地震區(qū)蘆屋浜的,52,棟高層鋼結(jié)構(gòu)住宅，有,57,根鋼柱發(fā)生水平裂縫破壞。分析原因認(rèn)為，豎向地震使柱中出現(xiàn)動拉力，由于應(yīng)變速率高，使材料變脆，加上截面彎矩和剪力的影響，造成柱水平斷裂。,支撐的壓屈

5、,柱的局部失穩(wěn),7.1.3,結(jié)構(gòu)倒塌,結(jié)構(gòu)倒塌是地震中結(jié)構(gòu)破壞最嚴(yán)重的形式。,1985,年墨西哥大地震中有,10,幢鋼結(jié)構(gòu)房屋倒塌，在,1995,年日本阪神地震中，也有鋼結(jié)構(gòu)房屋倒塌發(fā)生。,1985,年日本阪神地震中某地區(qū)鋼結(jié)構(gòu)房屋震害情況,建造年份,嚴(yán)重破壞或倒塌,中等破壞,輕微破壞,完好,1971,年以前,5,0,2,0,1971,一,1982,年,0,0,3,5,1982,年以后,0,0,1,7,柱的水平斷裂,鋼柱,(,箱形截面,500mm x 500mm),地震脆斷實(shí)例,(,圖下中間所示為硬幣，以示斷縫大小,),7.2.1,結(jié)構(gòu)選型,7.2.2,結(jié)構(gòu)平面布置,7.2.3,結(jié)構(gòu)豎向布置,

6、7.2.4,結(jié)構(gòu)布置的其他要求,7.2,多高層鋼結(jié)構(gòu)的選型與結(jié)構(gòu)布置,我國,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范,(GB50011-2001),將超過,12,層的建筑歸為高層鋼結(jié)構(gòu)建筑，將不超過,12,層的建筑歸為多層鋼結(jié)構(gòu)建筑。,高層鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系主要有框架體系、框架一支撐（剪力墻板）體系、筒體體系（框筒、筒中筒、桁架筒、束筒等）或巨型框架體系。,純框架結(jié)構(gòu),延性好，,抗側(cè)力剛度較差,7.2.1,結(jié)構(gòu)選型,（）框架體系,框架體系是沿房屋縱橫方向由多榀平面框架構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力能力主要決定于梁柱構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度與延性，故節(jié)點(diǎn)常采用剛性連接節(jié)點(diǎn)。,框架結(jié)構(gòu)體系的梁柱節(jié)點(diǎn)宜采用剛接。,（,2,）框架支撐體

7、系,框架支撐體系是在框架體系中沿結(jié)構(gòu)的縱、橫兩個(gè)方向均勻布置一定數(shù)量的支撐所形成的結(jié)構(gòu)體系。支撐體系的布置由建筑要求及結(jié)構(gòu)功能來確定。,.,中心支撐,中心支撐是指斜桿、橫梁及柱匯交于一點(diǎn)的支撐體系，或兩根斜桿與橫桿匯交于一點(diǎn)，也可與柱子匯交于一點(diǎn)，但匯交時(shí)均無偏心距。,中心支撐的類型,(a)X,形支撐；,(b),單斜支撐；,(c),人字形支撐；,(d)K,形支撐；,(e)V,形支撐,.,偏心支撐,偏心支撐是指支撐斜桿的兩端，至少有一端與梁相交（不在柱節(jié)點(diǎn)處），另一端可在梁與柱交點(diǎn)處連接，或偏離另一根支撐斜桿一段長度與梁連接，并在支撐斜桿桿端與柱子之間構(gòu)成一耗能梁段，或在兩根支撐與桿之間構(gòu)成一耗

8、能梁段的支撐。,（,a,）門架式,1,；（,b,）門架式,2,；（,c,）單斜桿式；（,d,）人字形式；（,e,）,V,字形式,（,3,）框架剪力墻板體系,框架剪力墻板體系是以鋼框架為主體，并配置一定數(shù)量的剪力墻板。剪力墻板主要類型：鋼板剪力墻板；內(nèi)藏鋼板支撐剪力墻墻板；帶豎縫鋼筋混凝土剪力墻板。,內(nèi)藏鋼板支撐剪力墻板 帶豎縫剪力墻板,（,4,）筒體體系,框筒實(shí)際上是密柱框架結(jié)構(gòu)，由于梁跨小、剛度大，使周圈柱近似構(gòu)成一個(gè)整體受彎的薄壁筒體，具有較大的抗側(cè)剛度和承載力，因而框筒結(jié)構(gòu)多用于高層建筑。筒體結(jié)構(gòu)體系可分為框架筒、桁架筒、筒中筒及束筒等體系。,如右圖：,(a,）框架筒；,(b,）桁架筒；

9、,(c,）筒中筒；,(d,）束筒,（,5,）巨型框架體系,巨型框架體系是由柱距較大的立體桁架梁柱及立體桁架梁構(gòu)成。,(a,）桁架型；,(b,）斜格型；,(c,）框筒型,鋼結(jié)構(gòu)房屋適用的最大高度,(m),結(jié)構(gòu)體系,設(shè)防烈度,6,、,7,8,9,框架,110,90,50,框架一支撐,(,剪力墻板,),220,200,140,筒體,(,框筒、筒中筒、束筒,),和巨型框架,300,260,180,鋼結(jié)構(gòu)房屋適用的最大高寬比,烈度,6,、,7,8,9,最大高寬比,7.5,7.0,5.5,7.2.2,結(jié)構(gòu)平面布置,多高層鋼結(jié)構(gòu)的平面布置應(yīng)盡量滿足下列要求,:,1),建筑平面宜簡單規(guī)則，并使結(jié)構(gòu)各層的抗側(cè)力

10、剛度中心與質(zhì)量中心接近或重合，同時(shí)各層剛心與質(zhì)心接近在同一豎直線上。,2),建筑的開間、進(jìn)深宜統(tǒng)一，其常用平面的尺寸關(guān)系應(yīng)符合表,6-6,和圖,6-12,的要求。當(dāng)鋼框筒結(jié)構(gòu)采用矩形平面時(shí)，其長寬比不應(yīng)大于,1.5:1;,不能滿足此項(xiàng)要求時(shí)，宜采用多束筒結(jié)構(gòu)。,3),高層建筑鋼結(jié)構(gòu)不宜設(shè)置防震縫,，但薄弱部位應(yīng)注意采取措施提高抗震能力。如必須設(shè)置伸縮縫，則應(yīng)同時(shí)滿足防震縫的要求。,4),宜避免結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則布置,。如在平面布置上具有下列清況之一者，為平面不規(guī)則結(jié)構(gòu),:,任意層的偏心率大于,0.15,。,結(jié)構(gòu)平面形狀有凹角，凹角的伸出部分在一個(gè)方向的長度，超過該方向建筑總尺寸的,25%,。,樓面

11、不連續(xù)或剛度突變，包括開洞面積超過該層樓面面積的,50%,。,抗水平力構(gòu)件既不平行于又不對稱于抗側(cè)力體系的兩個(gè)互相垂直的主軸。,7.2.3,結(jié)構(gòu)豎向布置,多高層鋼結(jié)構(gòu)的豎向布置應(yīng)盡量滿足下列要求,:,1),樓層剛度大于其相鄰上層剛度的,70%,，且連續(xù)三層總的剛度降低不超過,50%,。,2),相鄰樓層質(zhì)量之比不超過,1.5(,屋頂層除外,),。,3),立面收進(jìn)尺寸的比例,Ll/L0.7,。,4),任意樓層抗側(cè)力構(gòu)件的總受剪承載力大于其相鄰上層的,80%,。,5),框架一支撐結(jié)構(gòu)中，支撐,(,或剪力墻板,),宜豎向連續(xù)布置，除底部樓層和外伸剛臂所在樓層外，支撐的形式和布置在豎向宜一致。,立面收進(jìn)

12、,7.2.4,結(jié)構(gòu)布置的其他要求,1),高層鋼結(jié)構(gòu)宜設(shè)置地下室。在框架一支撐,(,剪力墻板,),體系中，豎向連續(xù)布置的支撐,(,剪力墻板,),應(yīng)延伸至基礎(chǔ)。設(shè)置地下室時(shí)，框架柱應(yīng)至少延伸到地下一層。,2)8,、,9,度時(shí)，宜采用偏心支撐、帶縫鋼筋混凝土剪力墻板、內(nèi)藏鋼板支撐和其他消能支撐。,3),采用偏心支撐框架時(shí)，頂層可為中心支撐。,4),樓板宜采用壓型鋼板,(,或預(yù)應(yīng)力混凝土薄板,),加現(xiàn)澆混凝土疊合層組成的樓板。樓板與鋼梁應(yīng)采用栓釘或其他元件連接。當(dāng)樓板有較大或較多的開孔時(shí)，可增設(shè)水平鋼支撐以加強(qiáng)樓板的水平剛度。,5),人字形和,V,字形支撐要求，防止樓板下陷和隆起。,7.3,多高層鋼結(jié)

13、構(gòu)的抗震計(jì)算要求,7.3.1,計(jì)算模型,7.3.2,地震作用,7.3.3,計(jì)算有關(guān)要求,7.3.1,計(jì)算模型,確定多高層鋼結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算模型時(shí)，應(yīng)注意,:,1),進(jìn)行多高層鋼結(jié)構(gòu)地震作用下的內(nèi)力與位移分析時(shí)，一般可假定樓板在自身平面內(nèi)為絕對剛性。對整體性較差、開孔面積大、有較長的外伸段的樓板，宜采用樓板平面內(nèi)的實(shí)際剛度進(jìn)行計(jì)算。,2),進(jìn)行多高層鋼結(jié)構(gòu)多遇地震作用下的反應(yīng)分析時(shí)，可考慮現(xiàn)澆混凝土樓板與鋼梁的共同作用。在設(shè)計(jì)中應(yīng)保證樓板與鋼梁間有可靠的連接措施。此時(shí)樓板可作為梁翼緣的一部來計(jì)算梁的彈性截面特性。,進(jìn)行多高層鋼結(jié)構(gòu)罕遇地震反應(yīng)分析時(shí)，考慮到此時(shí)樓板與梁的連接可能遭到破壞，則不應(yīng)考慮樓

14、板與梁的共同工作。,樓板的有效寬度,be,按下式計(jì)算：,be=b0+b1+b2,式中：,b0,鋼梁上翼緣寬度,;b1,、,b2,梁外側(cè)和內(nèi)側(cè)的翼緣計(jì)算寬度，各取梁跨度,L,的,1/6,和翼緣板厚度,t,的,6,倍中的較小值。此外，,b1,高不應(yīng)超過翼板實(shí)際外伸寬度,s1,；,b2,不應(yīng)超過相鄰梁板托間凈距,s0,的,1/2,。,3),多高層鋼結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算可采用平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的空間協(xié)同計(jì)算模型。當(dāng)結(jié)構(gòu)布置規(guī)則、質(zhì)量及剛度沿高度分布均勻、且不計(jì)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)時(shí)，可采用平面結(jié)構(gòu)計(jì)算模型,;,當(dāng)結(jié)構(gòu)平面或立面不規(guī)則、體型復(fù)雜，無法劃分平面抗側(cè)力單元的結(jié)構(gòu)，以及為筒體結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)采用空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。,4),

15、多高層鋼結(jié)構(gòu)在地震作用下的內(nèi)力與位移計(jì)算，應(yīng)考慮梁柱的彎曲變形和剪切變形，尚應(yīng)考慮柱的軸向變形。一般可不考慮梁的軸向變形，但當(dāng)梁同時(shí)作為腰析架或析架的弦桿時(shí)，則應(yīng)考慮軸力的影響。,5),柱間支撐兩端應(yīng)為剛性連接，但可按兩端鉸接計(jì)算。偏心支撐中的偏心梁段應(yīng)取為單獨(dú)單元。,6),應(yīng)計(jì)入梁柱,節(jié)點(diǎn)域剪切變形,對多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)位移的影響?？蓪⒘褐?jié)點(diǎn)域當(dāng)作一個(gè)單獨(dú)的單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，也可按下列規(guī)定作近似計(jì)算,.,節(jié)點(diǎn)域剪切變形,7.3.2,地震作用,多高層鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比較小，按反應(yīng)譜法計(jì)算多遇地震下的地震作用時(shí)，高層鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比可取為,0.02,，多層,(,不超過,9,層,),鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比可取為

16、,0.035,。但計(jì)算罕遇地震下的地震作用時(shí)，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性，多高層鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比均可取為,0.05,。,7.3.3,計(jì)算有關(guān)要求,進(jìn)行多高層鋼結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算時(shí)，應(yīng)注意滿足下列設(shè)計(jì)要求,:,1),進(jìn)行多遇地震下抗震設(shè)計(jì)時(shí)，框架一支撐,(,剪力墻板,),結(jié)構(gòu)體系中總框架任意樓層所承擔(dān)的地震剪力，不得小于結(jié)構(gòu)底部總剪力的,25%,。,2),在水平地震作用下，如果樓層側(cè)移滿足下式，則應(yīng)考慮,P-,效應(yīng)。,式中：,多遇地震作用下樓層層間位移,;,h,樓層層高,;,P,計(jì)算樓層以上全部豎向荷載之和,;,V,一計(jì)算樓層以上全部多遇水平地震作用之和。,此時(shí)該樓層的位移和所有構(gòu)件的內(nèi)力均應(yīng)乘以下式放大系數(shù),3),驗(yàn)算在多遇地震作用下整體基礎(chǔ),(,筏形基礎(chǔ)或箱形基礎(chǔ),),對地基的作用時(shí)，可采用底部剪力法計(jì)算作用于地基的傾覆力矩，但宜取,0.8,的折減系數(shù)。,4),當(dāng)在多遇地震作用下進(jìn)行構(gòu)件承載力驗(yàn)算時(shí)，托柱梁及承托鋼筋混凝土抗震墻的鋼框架柱的內(nèi)力應(yīng)乘以不小于,1.5,的增大系數(shù)。,5),在多遇地震作用效應(yīng)組合下，支撐斜桿的受壓驗(yàn)算應(yīng)按下列公式進(jìn)行,:,7.4,多高層鋼結(jié)構(gòu)杭震構(gòu)造要求,7.4.1,純