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纯干货分享:多高层建筑钢结构抗震设计细节详解
编辑:深圳市金利亚钢结构有限公司   时间:2022-06-01

多高层建筑钢结构的主要冲击特征

钢结构特点:

强度高,延性好,重量轻,抗震性能好

总的来说,在相同的场地和烈度条件下,

钢结构房屋的震害较钢筋混凝土结构房屋的震害要小

震害的例子和比较

1985年墨西哥城地震中钢结构和钢筋混凝土结构的破坏

地震中多层钢结构的破坏形式有三种:节点连接破坏、构件破坏、结构倒塌

一、节点连接损坏

1978年日本宫城县远海地震(里氏7.4级)

1978年日本宫城县远海地震钢结构建筑破坏统计

震害调查发现,梁柱连接的损伤大多发生在梁的下翼缘,而上翼缘的损伤要少得多

可能的原因:1.地板和梁的共同变形导致下翼边缘应力增加;2.腹板位置下翼缘焊接中断是焊缝缺陷的明显来源

梁柱焊缝连接处震后观察到的故障模式

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1.美国Northridge(北岭)地震

2.日本阪神地震

模式1-翼缘断裂 模式2.3-热影响区域断裂 模式4-横隔板断裂

梁柱刚性连接裂缝或断裂的原因(4点):

1. 焊缝缺陷:如裂缝、欠焊、夹渣、气孔等,这些缺陷将成为裂缝直至断裂的起源

2. 三轴应力:梁柱连接的焊缝变形受梁柱约束,焊缝残留三轴拉应力,使材料脆

3. 构造缺陷:出于焊接工艺的要求,梁翼缘与柱连接处设有衬板,实际工程中衬板在焊接后就留在结构上,这样衬板与柱翼缘之间就形成一条“人工”裂缝,成为连接裂缝发展的起源。

4. 焊缝金属冲击韧性:冲击韧性低,连接易脆性

破坏已成为导致节点破坏的重要因素。

人工裂缝

二、构件损坏

多层建筑钢结构构件破坏的主要形式是

1. 支撑压屈:当支撑在地震中的压力超过其屈曲临界力时,即压屈损伤 ;

2.梁柱局部不稳定:梁或柱在地震作用下反复弯曲,翼缘局部不稳定损坏可能发生在弯矩最大截面附近。

支撑压曲

梁柱局部失稳

3.1995年,日本阪神地震位于阪神地震区芦屋市海滨城52栋高层钢结构住宅。57根钢柱断裂,7根钢柱断裂,其中13根为母材,37根在拼接焊缝处断裂.

钢柱的断裂是出乎意料的。分析原因认为,垂直地震导致柱产生动态张力,材料因应变速率高而脆化;此外,地震是日本的严冬。钢柱位于室外,钢温低于0oC;以及焊缝、弯矩和剪力的不利影响,导致柱水平断裂。

三、结构倒塌

结构倒塌是地震中最严重的结构破坏形式

虽然钢结构建筑具有良好的抗震性能,但也发生在地震中。

1995年日本阪神地震中Chou Ward地震钢结构房屋震害。

多高层钢结构的选择和结构布局

一、结构选择

在结构选型上,多层和高层钢结构无严格界限,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(GB50011-2001)规定,将12层以上的建筑归类为高层钢结构建筑,不超过12层的建筑归类为多层钢结构建筑。

具有抗震要求的多高层建筑钢结构可采用以下结构体系:

1. 纯框架结构:

框架系统是由多个平面框架沿纵横方向构成并承受水平荷载的抗侧力结构,也是承受垂直荷载的结构。延性好,但抗侧刚度差。

2. 框架-支撑结构体系

框架支撑系统是在框架系统中沿结构的纵横方向均匀布置一定数量的支撑形成的结构系统。在框架支撑系统中,框架为剪切结构,底层位移大;支撑为弯曲结构,底层位移小,并联,可显著降低建筑下层位移,因此框架支撑系统可用于高于框架系统的房屋。

①支撑类型

支撑类型的选择与抗震性能有关,也与建筑的层高、柱距和建筑使用要求有关,

.中心支撑

中心支撑是指斜杆、梁、柱交叉的支撑系统,或两个斜杆或柱交叉,但交叉时没有偏心距离。

如右图:

中心支撑类型(支撑框架)

( a ) X 形支撑;

( b )单斜支撑;

( c )人字形支撑;

( d ) K 形支撑;

( e ) V 形支撑

b. 偏心支撑

偏心支撑是指支撑斜杆的两端,至少一端与梁相交(不在柱节点)

一端可以连接到梁和柱的交点,或者偏离另一个支撑斜杆的长度与梁连接,

支撑斜杆端与柱之间形成一个耗能梁段,或两个支撑杆之间形成一个

支撑耗能梁段。

偏心支撑类型(偏心支撑框架)(a)门架式 1;(b) 2 门架式;(c)单斜杆式;(d)人字形式;

a. 框架-中心支撑结构系统

框架刚度通过支撑提高,但支撑压力会弯曲,支撑弯曲会降低原结构的承载力。

b. 框架-偏心支撑结构体系

偏心梁偏心梁剪切屈服来限制支撑压力弯曲,使结构具有稳定的承载能力和良好的能耗性能,在纯框架和中心支撑框架之间具有抗侧刚度。

3.框架-剪力墙板系统

框架-剪力墙板系统以钢框架为主体,配有一定数量的剪力墙板。

剪力墙板的主要类型:

① 钢板剪力墙板

② 内藏钢板支撑剪力墙板

③ 带竖缝钢筋混凝土剪力墙板

内藏钢板剪力墙板与框架的连接

垂直剪力墙板与框架的连接

4. 框架结构体系

气缸结构系统是一种经济有效的超高层建筑结构形式,因为它具有较大的刚度和较强的抗侧力能力,可以形成较大的使用空间。根据气缸的布置、组成和数量,气缸结构系统可分为框架气缸、桁架气缸、气缸中气缸和束筒。

(1)实际上是密柱框架结构

(2)框架结构的梁柱节点应刚接

(3)由于梁跨小,刚度大,周圈柱几乎形成一个整体弯曲的薄壁筒

(4)抗侧刚度和承载力大

因此,框架结构主要用于高层建筑

二、高层钢结构布局原则

1.各种钢结构体系建筑的适用高度

适用于最大高度的钢结构房屋(m)

2.适用于各种钢结构体系建筑的高宽比

适用钢结构房屋最大高宽比

3.高层钢结构的布置要求

除一般规定外,高层钢结构房屋还应符合要求

①两个方向的支撑框架布置应基本对称,支撑框架之间楼盖的长宽比不得大于3

②设置地下室时,框架支撑(抗震墙板)结构中垂直连续布置的支撑(抗震墙板)应延伸至基础;钢框架柱应至少延伸至地下一层,垂直荷载应直接传递至基础;

③8、9度时,应采用偏心支撑、竖缝钢筋混凝土抗震板墙、内藏钢板支撑或其它消能支撑;

④一般情况下,不超过12 层的钢结构房屋可采用框架结构、框架-支撑结构或其他结构类型;

⑤当钢结构房屋超过12 层时,应采用偏心支撑、垂直钢筋混凝土抗震墙板、内置钢筋混凝土墙板或其他能源消耗支撑和气缸结构,顶层可采用中心支撑;

⑥钢框架-筒体结构12层以上,必要时可设置由筒体向外臂及周围桁架组成的加固层;

⑦现浇钢筋混凝土组合楼或非组合楼板应采用压型钢板。

钢构件的抗震设计和结构措施

钢构件的设计包括以下内容

(1)构件强度验算;

(2)构件的稳定承载力验算;

(3)为了保证构件截面的塑性变形能够充分发展,满足构件的局部要求

不稳定不先于构件整体不稳定,应严格限制构件宽度比;

(4)检查压缩构件的长度比和塑性铰链的侧向支撑点与相邻侧向支撑点之间构件的最大侧向长度比。

1.钢梁

钢梁的抗震损伤主要表现在梁的侧向整体不稳定和局部不稳定。钢梁的强度和变形可根据板的宽度比、侧支撑长度、弯曲梯度和节点的连续结构而有很大差异。为了满足抗震设计中的抗震要求,钢梁必须具有良好的延展性能,因此必须正确设计横截面尺寸,合理布置横向支撑,注意连接结构,确保其能充分发挥变形能力。

(1)梁的强度

钢梁在重复荷载下的极限荷载将小于单调荷载时,但考虑到地板的约束,梁的承载力将显著提高。因此,钢梁的承载力计算与静载荷下的一般钢结构相同。在计算过程中,取截面塑性开发系数 和承载力抗震调整系数。在多次地震下计算构件承载力时,支撑梁的内力乘以不小于1.5.增加系数。

(2)梁的整体稳定性

钢梁的整体稳定性验算公式一般与静载荷下的钢结构相同,承载力抗震调整系数 。当梁具有侧支撑,满足规范规定的压力翼缘自身长度与宽度比的限制时,不计算整体稳定性。根据7度以上抗震设防的高层钢结构,梁受压翼缘侧支撑点与梁翼缘宽度之间的距离应符合塑性设计的长度比要求。

(3)

日本制作的一组梁柱试件研究了反复加载下的应力变形

梁柱试件在反复加载下的应力变形:

框架柱的转动变形能力要求低于框架梁

框架柱的板宽比限值大于框架梁的板宽比限值

宽厚比限值要求:

梁柱板宽度比限值不超过12层框架

2.钢柱

(1)钢柱的计算长度

   在框架柱的抗震设计中,当计算柱在多次地震组合下稳定时,柱的计算长度系数 ,根据钢结构设计规范,纯框架系统(GB50017)侧移时取 ;当层间位移不超过层高的1/250时50时,支撑或剪力墙系统取用。对于纯框架系统、支撑或剪力墙系统,如果层间位移不超过层高的1/1万,则按照《钢结构设计规范》(GB50017)无侧移时取用。

(2)强柱弱梁设计

强柱弱梁是抗震设计的基本要求。在地震作用下,塑性效应在梁端形成,而不是在柱端形成。此时,框架具有较大的内力重分布和消除能力。因此,柱端应比梁端有更大的承载能力储备。对于框架任何节点的抗震设防框架柱,柱截面的塑性抗矩和梁截面的塑性抗矩应满足以下要求:

符合下列情况时,不能按上式计算

(3)节点域设计

①屈服于节点域的承载力

研究表明,节点域既不能太厚也不能太薄,太厚使节点域不能发挥能耗作用,太薄会使框架的侧向位移太大。节点域的屈服承载力应满足型(8-14)的要求:

②节点域的稳定性和剪切承载力的验算

为保证柱与梁连接的节点域腹板在大地震作用下不会局部失稳,有利于吸收和消耗地震能量,柱与梁连接处应设置与梁上下翼缘相对应的加强肋,形成与柱翼缘包围的梁柱节点域。节点域腹板的厚度一方面要满足腹板局部稳定性的要求,另一方面要满足节点域的抗剪要求。为保证工字截面柱和箱截面柱节点域的稳定性,应满足节点域腹板的厚度。

3.中心支撑框架抗震结构措施

(1) 拉伸支撑的布置要求

(2) 受压支撑杆的要求

支撑板的局部屈曲对支撑承载力和能耗的影响,支撑板的宽度比下表规定的限值更严格:

中心支撑杆的长度比不得大于下表的限值,以使支撑杆具有一定的最低能耗性能:

此外,当支撑为填板连接的肢体组合构件时,填板间肢体构件的长度比不得大于构件最大长度比的1/2,也不得大于40

(3) 支撑节点要求

当结构超过12层时,应使用支撑H型钢制造,两端和框架可采用刚性结构

当结构不超过12层时,如果支撑与框架采用节点板连接,支撑杆方向的支撑端与节点板之间的距离不得小于节点板厚度的两倍。

4.偏心支撑框架抗震结构措施

(1) 消能梁段长度

净长a剪切屈服型消能梁段符合下列公式要求:

(2) 消能梁段材料及板材宽度比要求

偏心支撑框架主要依靠消能梁的 塑性变形 消能地震能量,因此对消能梁的塑性变形能力要求较高。一般钢的塑性变形能力与其屈服强度成反比。消能梁所用钢的屈服强度不宜过高,不得为345MPa。

为保证消能梁具有稳定的反复受力塑性变形能力:

1)消能梁腹板不得加焊贴板提高承载力

2)腹板上不得开洞

3)消能梁段和与消能梁段跨度相同的非消能梁段的板宽比不得大于下表限值

(3)设置 消能梁段加劲肋

为保证消能梁段腹板在塑性变形过程中不发生局部屈曲,梁腹板两侧设置加劲肋

3) 消能梁段中部应设置加劲肋,加劲肋间距c根据消能梁段的长度a确定:

4) 消能梁段加劲肋

5 .强节点弱构件要求

结构各节点的极限承载力大于相应节点构件的极限承载力,保证节点不先于构件损坏,防止构件发挥作用。

多高层钢结构的所有节点连接:弹性设计应根据地震组合内力进行验算;在强节点弱构件的原则下,应进行极限承载力验算。

(1) 梁与柱的连接要求

(2) 支撑连接要求

(3) 梁柱构件的拼接要求

(4)计算连接极限承载力的计算

6.强柱弱梁要求

为保证钢框架为强柱弱梁型,框架的任一梁柱节点处需满足下列要求:

不需要满足上述强柱弱梁的要求:

当柱所在楼层的剪切承载力高于上一层的剪切承载力25%时,或柱轴向力设计值与柱全截面积与钢抗拉强度设计值之比不超过0.4.或保证轴向受压构件在2倍地震力下的稳定性。

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