3.4 钢结构房屋抗震设计.pdf
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1、第三章建筑结构抗震设计第三章建筑结构抗震设计3.1 结构抗震概念设计结构抗震概念设计3.4 钢结构房屋抗震设计钢结构房屋抗震设计3.3 砌体结构房屋抗震设计砌体结构房屋抗震设计3.2 混凝土结构房屋抗震设计混凝土结构房屋抗震设计一、钢结构房屋的震害在地震作用下极少整体倒塌,但常发生局部破坏;如梁、柱的局部失稳与整体失稳,交叉支撑的破坏,结点的破坏等。图3-4-1 圆钢支撑的破坏图3-4-2 支撑杆失稳图3-4-3 角钢支撑连接破坏二、高层钢结构房屋抗震设计1、高层钢结构体系:(1)纯框架体系:平面布置及窗户开设等有较大的灵活性,其抗侧力能力依靠梁柱构件及其节点承载力与延性,故节点必须做成刚接,
2、节点制作的复杂化。(2)框架一支撑体系:为提高结构的侧向刚度,经济的办法是在框架的一部分开间中设置支撑,它与梁、柱组成一竖向的支撑桁架体系,它们通过楼板体系可以与无支撑框架共同抵抗侧力,以减小侧向位移。支撑布置的位置:端框架中、电梯井周围等处;支撑的形式:图3-4-8及图3-4-9常采用。图3-4-8 支撑架腹杆形式图3-4-9常用支撑布置形式支撑桁架腹杆的形式:交叉式和K式(图3-4-8)华伦式(图3-4-9b)偏心支撑(图3-4-10):e段是梁上的薄弱部位,可以避免支撑的屈曲,具有较大的延性图3-4-10 偏心支撑(3)框架一剪力墙板体系在钢框架中嵌入剪力墙板(可用钢板或钢砼板)。墙板对
3、提高框架结构的承载能力和刚度,以及在吸能方面均有重要作用。普通整块钢砼墙板初期刚度过高,地震时它们将发生脆性破坏因此提出延性剪力墙板,如带竖缝的剪力墙板(图3-4-12)。图3-4-12 带竖缝的钢筋混凝土剪力墙(4)筒体体系超高层建筑是一种经济有效的结构形式,它既能满足结构刚度的要求又能形成较大的使用空间。图3-4-13 筒体体系2、高层钢结构抗震设计:两阶段设计:多遇地震作用下的弹性分析,验算构件的承载力和稳定性以及结构的层间位移;罕遇地震作用下的弹塑性分析,验算结构的层间侧移和层间侧移延性比。(1)地震作用计算1)结构自振周期:顶点位移法:TT=017.1=niiT1=DVGii/(3-
4、4-1)(3-4-2)(3-4-3)在初步设计时,基本周期可按下列经验公式nT1.01=(3-74)式中:n为建筑物层数(不包括地下部分及屋顶塔屋)2)设计反应谱:高层钢结构在弹性阶段的为0.02,小于一般结构的为0.05,其地震比时提高约34,故抗震设计时应为规范表中的1.34倍。高层钢结构在弹塑性阶段的可采用0.05 maxmaxmax0.05=3)底部剪力底部剪力法计算水平地震作用同其它结构不同之处:顶层附加水平集中力系数当结构高度在40m以下时,可采用“规范”中的方法但对于高层钢结构:05.0811+=Tnn0.15时,取n0.15 限制:采用底部剪力法计算时,其高度应不超过60m且结
5、构的平面及竖向布置应较规则。(3-75)4)双向地震作用高层钢结构高度较大,对设计要求应较严,对于设防烈度较高的重要建筑,当其平面明显不规则时,应考虑双向水平地震作用下的扭转效应进行抗震计算。根据强震观测记录的统计分析,二个方向水平地震加速度的最大值之比约为1:0.85,最大值不一定发生在同一时刻,因此规范采用平方和开方计算二个方向地震作用效应的组合。()220.85EKxySSS=+()220.85EKyxSSS=+或Sx和Sy分别为单向水平地震作用的扭转效应(2)地震作用下内力与位移计算1)多遇地震作用下:采用弹性方法计算其地震作用效应,并计入重力二阶效应。根据不同情况,可采用底部剪力法、
6、反应谱振型分解法以及时程分析法等方法。在预估杆件截面时:框架结构采用D值法进行简化框架支撑结构可简化为平面抗侧力体系。2)罕遇地震作用采用时程分析法进行弹塑性时程分析。不超过20层且层刚度无突变的钢框架结构和支撑钢框架结构,可采用:即:ppeuu=?ppyyyuuu=?或:屈服强度系数y(3)构件设计1)内力组合:抗震设计中,一般建筑结构可不考虑风荷载及竖向地震的作用,但对于高度大于60m的高层建筑须考虑风荷载的作用,在9度区时尚须考虑竖向地震的作用。GGEEhEhkEVEVKWWWKSSSSS=+(3-76)2)设计原则:框架梁、柱截面按弹性设计,设计时应考虑到在罕遇地震作用下框架将转入塑性
7、工作,必须保证这一阶段的延性,使其不致倒塌。a)特别要注意防止梁、柱发生整体和局部失稳,故梁、柱板件的宽厚比应不超过其在塑性设计时的限值。b)应将框架设计成强柱弱梁体系。c)要考虑到塑性铰出现在柱端的可能性而采取措施,以保证其承载力。(4)侧移控制目的:(1)小震下(弹性阶段)由于层间变形过大而造成非结构构件的破坏,限值1/300(2)大震下(弹塑性阶段)造成结构的倒塌,限值1/50采取的措施:减少梁的变形,但必须注意,一旦增加梁的承载力,塑性铰可能由梁上转移至柱上;减少节点区的变形,改用腹板较厚的重型柱或局部加固节点区来达到;增加柱子数量;三、钢构件与连结的性能及其抗震设计梁、柱、支撑构件及
8、其节点的合理设计,包括以下方面:、对于会形成塑性铰的截面,应避免其在未达到塑性弯矩时发生局部失稳或破坏,同时塑性铰应具有足够的转动能力,以保证体系能形成塑性倒塌机构;、避免梁、柱构件在塑性铰之间发生局部失稳或整体失稳;、构件之间的连接要设计成能传递剪力与弯矩、并能允许框架构件充分发挥塑性性能的形式。1、钢梁的抗震设计破坏形式:侧向整体失稳和局部失稳钢梁在反复荷载下的极限荷载比单调荷载小,但楼板的约束作用又将使其承载力有明显提高钢梁承载力计算与一般静力荷载作用下的钢梁相同,计算时取截面塑性发展系数,承载力抗震调整系数。为使梁在塑性铰转动过程中始终保持极限抗弯能力避免板件的局部失稳及构件的侧向扭转
9、失稳。1x=0.75RE=板件的局部失稳:限制板件的宽厚比,查下表72-100Nb/Af72-100Nb/Af80-110Nb/Af85120Nb/Af工字形梁和箱形梁腹板30303236箱形梁翼缘在两腹板间的部分991011工字形梁和箱形梁翼缘外伸部分9度8度7度6度板件表3-4-1 框架梁板件宽厚比限值构件的侧向扭转失稳:除按一般要求设置侧向支承外,尚应在塑性铰处设侧向支承:设防烈度7度时,在这两支承点间弯矩作用平面外的构件长细比y应符合下列要求:5.0/11pMMaypyfMM/235)/4060(10.1/5.01pMMaypyfMM/235)/1045(1=时:时:(3-77a)(3
10、-77b)其中:M1:为塑性铰相距为l1的侧向支撑点处的弯距,当长度l1内为同向曲率时,M1/Mp为正,反向曲率时,M1/Mp为负。Mp:MpWpxf其中Wpx为对中性轴x的毛截面抵抗矩在罕遇地震下可能出现塑性铰处,梁上、下翼缘均应设有支撑点。2、钢柱的抗震设计(1)钢柱的强度与延性:钢柱的工作性能取决于下列因素:柱两端约束;柱轴向压力的大小;柱的长细比;截面尺寸;抗扭刚度。研究表明:柱的强度与延性随着轴压比的上升而下降;相同轴压比下,柱长细比愈大,其弯曲变形能力愈小,易失稳。满足下列直线公式可避免框架发生弹塑性整体失稳:3号钢16Mn钢)1(120)1(100(3-78a)(3-78b)式(
11、3-78)可作为偏心受压柱长细比和轴压比的综合限制公式。上述公式适用于0.15;当0.15时,由于轴压比对框架的弹塑性失稳影响已较小,只需对柱的最大长细比加以限定,使其不超过150。(2)钢柱的抗震设计柱的计算长度系数:纯框架体系,可按钢结构设计规范中有侧移时的值取用;对于有支撑或剪力墙体系,如层间位移不超过限值(1300层高),可取1.0。为了实现“强柱弱梁”的设计原则,柱截面的塑性抵抗矩应满足下列关系:式中:Wpc、Wpb为交汇于节点的柱和梁的截面塑性抵抗矩;fyc、fyb为柱和梁钢材的屈服强度;aNAc为轴力N引起的柱平均轴向应力,其中N 按多遇地震作用的荷载组合计算;Ac为柱毛截面面积
12、;为强柱系数,6度类场地和7度时可取1.0,8度时取1.05,9度时取1.15。ybpbaycpcfWfW)(3-78)轴压比限值:轴压比较大时,反复荷载下承载力的折减十分显著,故其轴压比不宜超过0.6。板件宽厚比的限值:保证塑性铰的转动能力,应按表3-4-2来确定表3-4-2 框架柱板件宽厚比限值33353739箱形柱壁板43434343工字形柱腹板9101113工字形柱翼缘外伸部分9度8度7度6度板件注:表列数值适用于Q235钢,其他钢号应乘以ayf/235长细比限值:对8度和9度抗震设防的结构,其长细比限制在60 以下,7度时为80 ,6度时则为120 。长细比与轴压比均较大的柱,延性较
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