08 第八章 钢结构房屋抗震设计.pptx

第1页：第八章 钢结构房屋抗震设计

第八章 钢结构房屋抗震设计

第2页：钢结构房屋概述

8.1 概述

钢结构房屋

指结构体系的主要承重构件为钢结构构件的房屋，也称全钢结构房屋。

钢结构特性

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。

钢结构房屋震害现象大体可以分为杆件破坏、节点破坏、结构整体破坏和非结构构件破坏等 4 种类型。

第3页：钢结构抗震设计任务

钢结构抗震设计的重要任务

• 第一阶段：要求在遭遇多遇地震时，结构包括其主要承重杆件能保持在弹性范围内，或基本保持在弹性范围；
• 第二阶段：在遭遇设计预期的罕遇地震时，结构整体的受力不超过其极限承载力，从而保持结构的稳定。

方法

从体系布置、杆件设计、节点构造等各方面予以全盘考虑。

第4页：钢梁延性系数

a) 钢梁的荷载－梁端位移

把钢梁对应极限承载力的侧向位移和弹性侧向位移限值之比 δ_u/δ_y 称为钢梁的延性系数。F_y 为屈服承载力，F_u 为极限承载力，钢结构构件的延性系数一般可达 2～5 或者更大。

说明：本页含荷载－位移曲线图，曲线与标注以原课件图片为准。

第5页：框架结构延性系数

框架结构的延性系数

框架结构在单向水平分布荷载下，即使部分钢梁已经达到承载能力上限，只要结构体系具有足够的冗余度，结构整体仍能继续承载。框架结构的延性系数可以和杆件的延性系数一样采用类似的方法来定义。

说明：本页含框架水平荷载－顶点位移曲线图，曲线以原课件图片为准。

第6页：多高层钢结构内容

8.2 多高层钢结构民用建筑

1. 多高层钢结构民用建筑的结构体系
2. 结构体系抗震设计的布置要求
3. 地震作用计算
4. 杆件抗震验算
5. 抗震设计对杆件的构造要求
6. 节点和连接的抗震验算及构造要求

第7页：钢结构框架体系

8.2.1 多高层钢结构民用建筑的结构体系——1. 框架结构

框架结构为仅由梁、柱形成的结构体系。地震引起的水平作用全部由柱子传递至基础。延性好，但抗侧力刚度较差。其适宜高度为 30 层，即 110m 左右。

第8页：框架－支撑结构

2. 框架－支撑（抗震墙）结构

框架－支撑结构和框架－抗震墙板结构主要依靠支撑、抗震墙板抵抗水平地震作用。其中框架－支撑结构中的支撑可布置成中心支撑和偏心支撑两种形式。抗震墙板可采用中厚钢板、加劲薄钢板、带竖缝钢筋混凝土墙、内藏钢支撑混凝土墙。

第9页：中心支撑布置形式

中心支撑布置

斜杆与梁、柱的轴线交于一点的支撑布置形式。支撑可布置成交叉形、人字形、V 形、K 形、单斜式等（图 8.8）。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。

说明：本页为中心支撑形式示意图，图中 a)X 形、b)人字形、c)V 形、d)K 形、e) 与 f) 单斜式以原课件图片为准。

第10页：偏心支撑布置

偏心支撑布置

支撑的轴线偏离梁柱轴线交点、或有一端离梁柱轴线交点、或在人字形支撑的形式中，将原来交于一点的支撑拉开一段距离，或从钢梁上往下悬出一垂直段，在其上连接支撑。

可通过偏心消能梁段剪切屈服限制支撑受压屈曲，使结构具有稳定的承载能力和良好的耗能性能，抗侧力刚度介于纯框架和中心支撑框架之间。

第11页：筒体结构

3. 筒体结构

超高层钢结构民用建筑（楼层高度达到 200m 或以上）可以采用筒结构、桁架筒结构和巨型框架结构等结构形式。

筒结构通过间隔 3m 左右或更小的密排柱子以及深梁形成类似实墙筒体的结构，这种结构实际上是框架"筒"。具有极大的刚度和承载力，可避免稀柱结构在水平力作用下轴力向角柱集中的"剪力滞后"现象。筒中筒是具有双重框架筒的结构。

第12页：成束筒与桁架筒

成束筒与桁架筒

• 成束筒则将若干"筒"组合在一起，是筒体结构概念的延伸。
• 桁架筒则在外框设置大型交叉支撑，可以传递竖向剪力，避免框筒柱的剪力滞后，使得柱子间距密度和梁的高度都可降低。

说明：本页含桁架筒与巨型结构示意图，图片内容以原课件图片为准。

第13页：钢结构多道防线

抗震设计中的多道防线问题

对于罕遇地震下允许开展塑性和局部损伤的结构，应考虑在大地震造成结构损伤之后，结构仍能维持系统的整体稳定性、支承其上的重力荷载而不倒塌。

(1) 下图所示的框架结构中，图 a 所示的梁破坏机制，结构耗散的能量显然远远大于 b 所示的柱端塑性铰破坏机制。∴框架结构中，梁的抵抗机制就是结构的第一道抗震防线。

说明：本页含梁铰机制与柱铰机制对比示意图，图片以原课件图片为准。

第14页：支撑与消能梁段防线

多道防线（续）

2. 在框架－中心支撑（或抗震墙板）结构中，因为支撑（抗震墙板）刚度大于柱子的侧向刚度，遭遇地震时首先承受较大的水平剪力，支撑失稳后，才有较大的水平力转移到钢柱上。∴框架－中心支撑结构中，支撑是结构的第一道抗震防线。
3. 在框架－偏心支撑结构中，偏心支撑是通过梁的消能段来耗散地震能量的。∴框架－偏心支撑结构中，可以认为梁的消能段构成第一道抗震防线。

第15页：楼盖与地下室要求

5、楼盖体系的选择 / 6、地下室的设置

• 多高层民用建筑抗震设计要求楼盖体系有良好的整体性，为此，宜优先采用压型钢板现浇钢筋混凝土组合楼板、非组合楼板，或现浇钢筋混凝土楼板。
• 超过 12 层的钢结构应设置地下室。

第16页：钢结构地震作用计算

8.2.3 地震作用计算

多高层钢结构民用建筑的抗震计算的计算方法：

1. 不超过 12 层的多高层钢结构民用建筑规则结构多遇地震作用的计算，一般都可以按照底部剪力法进行；
2. 不能按照底部剪力法计算的结构，宜按振型分解反应谱法计算。

第17页：阻尼比与二阶效应

《抗震规范》对多高层钢结构地震作用计算的规定

1. 钢结构阻尼比的选择：根据一般经验，钢结构计算用的阻尼比，多遇地震分析时，不超过 12 层的钢结构采用 0.035，超过 12 层时采用 0.02；罕遇地震分析时都采用 0.05。
2. 结构内力分析中二阶效应的计算：二阶效应是指结构受力产生侧向变形，其重力荷载与侧向位移的乘积便形成重力附加弯矩，即所谓 2 阶效应。

第18页：重力附加弯矩

重力附加弯矩

当楼面任一层以上全部重力荷载与该楼层地震层间位移的乘积（即该楼层的重力附加弯矩），大于该楼层地震剪力与楼层层高的乘积（即该楼层的初始弯矩）的 1/10 时，应计入二阶效应的影响。

说明：本页含重力荷载与水平力引起的层弯矩对比示意图，图片以原课件图片为准。

第19页：框架承担水平力调整

4、框架－支撑结构中框架承担的水平力

结构分析时，框架－支撑结构中的支撑斜杆可按端部铰接杆件计算。《抗震规范》规定，杆件截面强度抗震验算时的结构内力只考虑按多遇地震进行弹性分析的结果，因此：

1. 依据多道防线的概念设计，框架－支撑体系中，支撑框架是第一道防线，在强烈地震下支撑先屈服，内力重分布使框架部分承担的地震剪力必需增大，二者之和应该大于弹性计算的总剪力。
2. 框架部分按刚度分配计算得到的地震层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% 和框架部分计算最大层剪力 1.8 倍二者中的较小值。

第20页：消能梁段要求

5、框架－偏心支撑结构中的消能梁段

消能梁段是偏心支撑框架中耗散能量的主要构件，为此需要考虑与相连构件的承载能力相匹配、保证其在反复荷载下具有良好的滞回性能的各项措施。

消能梁段的钢材不应采用高强度钢，而应采用有良好塑性流幅的钢材。为此，消能梁段钢材的屈服强度不应超过 345MPa。

第21页：单层钢结构厂房内容

8.3 单层钢结构厂房

1. 抗震设计对单层钢结构厂房体系的要求
2. 地震作用计算
3. 杆件验算和构造措施

第22页：单层厂房结构体系

8.3.1 抗震设计对单层钢结构厂房体系的要求

单层钢结构厂房的结构体系一般可以分为横向结构（跨度方向）与纵向结构（柱距方向）两个方向。横向结构一般是柱－梁体系或柱－屋架体系；纵向结构一般是柱－连系梁－支撑体系。

第23页：厂房计算模型选取

8.3.2 地震作用计算

计算单层钢结构厂房时，一般假定沿厂房横向（跨度方向）和竖向的地震作用由横向框架承受，沿纵向（柱距方向）的地震作用由纵向框架承受。

1、结构计算模型的选取

厂房抗震计算时，根据屋盖高差和吊车设置情况，可分别采用单质点、双质点或多质点的结构计算模型。

第24页：厂房计算模型图

图 8.25 单质点模型 / 图 8.26 双质点模型

说明：本页为厂房计算模型示意图，源文件仅提取到图题文字，模型图示以原课件图片为准。

第25页：模型适用情形

计算模型的适用情形

• 不设吊车的单跨或多跨等高排架结构，一般可简化为单质点的悬臂柱。
• 不设吊车的单跨或多跨等高结构，也可简化为单质点的悬臂柱，但在设定等效柱的抗侧刚度时，需要考虑柱顶刚接梁对柱顶的约束作用。
• 厂房设吊车时，吊车梁位置有较大的重力荷载及地震水平作用，一般可作为双质点模型考虑。
• 高低跨厂房结构也可按类似原则考虑。

第26页：本章结束

谢谢，本章结束！