3 4 第十三讲多层和高层钢结构房屋抗震设计新规定 2010年10月15日 yuyq 13901290516 多层和高层钢结构房屋抗震设计 是在2001规范首次列入的 本次修订 主要做了如下改进 1 调整了适用范围 增加7度 0 15g 和8度 0 3g 的适用高度要求 2 新增抗震等级规定 将2001规范的内力调整和长细比 宽厚比等构造要求 按抗震等级做了划分和局部调整 3 适度放宽了钢结构阻尼比和层间位移角的规定 4 改进了 强柱弱梁 和 强节点弱构件 的设计方法 并相应调整了构件承载力抗震调整系数 RE的取值 5 改进了钢结构构件的连接构造 6 新增钢支撑 混凝土框架和钢框架 混凝土核心筒结构抗震设计的原则规定 附录G 总体上 修订后的钢结构 地震作用有所降低 承载力抗震调整系数有所减小 长细比和宽厚比的构造要求更加体现延性的特点 可比2001规范更加经济些 一 结构体系和最大适用高度修订 高层民用建筑钢结构不同结构体系在各设防烈度时的合理高度取值 与2001年规范的规定大体一致 1 钢结构房屋的最大适用高度 m 一 结构体系和最大适用高度修订 2 框架 支撑结构分中心支撑与偏心支撑两类 有混凝土剪力墙的钢结构另列入了附录G 3 将7度的适用高度按设计基本加速度0 1g和0 15g区分 关于0 15g和0 30g的规定 分别在7 8度和8 9度之间内插 4 各类筒体的使用高度未做变化 二 钢结构的抗震等级概念引入 1 钢结构房屋的抗震等级 注 1高度接近或等于高度分界时 应允许结合房屋不规则程度和场地 地基条件确定抗震等级 2一般情况 构件的抗震等级应与结构相同 当某个部位各构件的承载力均满足2倍地震作用组合下的内力要求时 7 9度的构件抗震等级应允许按降低一度确定 二 钢结构的抗震等级概念引入 2 对不同类别 不同烈度 不同高度的抗震措施 用抗震等级的不同来描述 使规定更简洁明了 并具体化 3 有助于熟悉混凝土结构设计的设计者进行钢结构的抗震设计 4 引进抗震等级 使钢结构能用不同的抗震等级体现不同的延性要求 5 依据抗震性能化设计的方法 当按提高一度的地震内力进行构件抗震承载力 包括强度和稳定 验算时 则可以按降低了的抗震等级检查该构件的延性构造要求 三 内力变形分析有关规定的修订 1 重力二阶效应的考虑本次修订中 明确提出要计入重力二阶效应 进行二阶效应的弹性分析时 应按GB50017的有关规定 在每层柱顶附加假想水平力 假想水平力是反映了几何缺陷和其它因素对柱稳定性的不利影响 当结构的高宽比较大以及柱的长细比较大时 此情况可能发生 三 内力变形分析有关规定的修订 2 节点域剪切变形的影响节点域屈服承载力验算 只考虑了弯矩的影响 忽略轴力和剪力对节点域变形的影响 当竖向荷载很大 承载力接近由强度控制时 应考虑轴力影响 考虑节点剪切变形影响的方法是将未计入节点域变形的层间位移角与由节点域在相应楼层设计弯矩下的剪切变形角的平均值相加求得总位移角 节点域剪切剪切变形角的楼层平均值 三 内力变形分析有关规定的修订 3 框架 支撑结构的框架剪力分担率框架 支撑体系中 支撑框架是第一道防线 纯框架是第二道防线 框架 支撑结构中 框架部分承担的地震剪力如何确定 有许多不同意见 争论焦点有二 其一 按照底部总剪力还是楼层剪力调整 其二 调整值的大小 经过反复协商和讨论 以底部总剪力为基础进行调整 取总地震剪力的25 和框架部分按刚度分配的地震剪力最大值1 8倍二者的较小值 今后 对有关问题还需要继续研究和探讨 三 内力变形分析有关规定的修订 4 支撑杆件内力调整中心支撑中 参考AISC 2005的有关规定 取消了2001规范单斜杆支撑和交叉支撑系数1 3 人字形和V形支撑的系数1 5也取消 偏心支撑中 斜杆轴力与消能梁段相连的框架梁 框架柱的内力调整系数 本次修订略有减小 并按抗震等级做了调整 框架斜杆轴力增大系数 一 二 三级分别取1 4 1 3和1 2 相连框架梁 框架柱内力增大系数 一 二 三级分别取1 3 1 2和1 1 三 内力变形分析有关规定的修订 5 钢结构的阻尼比修改2001规范的阻尼比按12层划分 12层以下0 035 12层以上0 02 本次修订 反映了随房屋高度增大 阻尼比减小的规律 并考虑了设计上的需要 高度不大于50m时可取0 04 高度大于50m且小于200m时可取0 03 高度不小于200m时保持0 02 偏心支撑框架部分承担的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50 以上时 其阻尼比相应增加0 005 屈曲约束支撑的钢结构 其阻尼比应按消能减震设计的要求处理 注意 按本规范第5章的修订 阻尼比小于0 05的结构 其地震作用比2001规范有所减小 阻尼比0 02时 最大降低幅度可达18 四 钢结构抗震验算 1 强柱弱梁的验算对不需要进行强柱弱梁验算的条件进行修改 2001规范 作为轴心受压构件在2倍地震力下稳定性得到保证时 可不验算强柱弱梁 修改为 2倍地震作用下的地震组合轴力设计值 即还要考虑重力荷载代表值引起的柱轴力 使该项要求能发挥应有的控制作用 强柱弱梁验算公式等截面梁与柱连接时端部翼缘变截面梁 该公式为新增加的 四 钢结构抗震验算 1 强柱弱梁的验算S值与梁截面具体形式有关 建议取净跨的1 10和梁高二者的较大值 强柱系数 本次修订 基本保持2001规范的系数 一 二 三级分别取1 15 1 10和1 05 实际隐含了1 15系数 实际强柱系数可分别达到 1 32 1 27和1 21 均大于1 2 强柱弱梁条件 验算公式略去1 15 可将 值取小一些 四 钢结构抗震验算 2 节点域验算节点域屈服承载力是检验节点域的屈服性能 本次未变仅增加了圆管柱的Vp 节点域柱腹板的最小厚度 关于 折减系数 三 四级取0 6 一 二级取 我国有广大地区 JGJ99 98考虑此情况 规定7度可用0 6 现在8度50m以下为三级 将0 6推广到8度的多层房屋 设计对此应考虑具体情况合理应用 四 钢结构抗震验算 3 构件连接验算钢结构构件的连接 应遵守 强连接 弱构件 的概念设计原则 保证结构大震不倒 采用二次设计法 取构件的承载力设计值进行连接承载力的验算 然后按连接的极限承载力进行二次验算 分别给出梁柱刚接 支撑与框架连接以及梁 柱 支撑的拼接的极限承载力验算公式 四 钢结构抗震验算 4 构件承载力抗震验算本次修订中 配合连接系数的引入 修改了 RE 2001规范系数 RE为 梁 柱0 75 支撑0 80 栓接0 85 焊接0 90 本次修订在构件连接计算方法中 采用更合理的系数 j予以体现 RE按强度验算时均取0 75 按稳定验算时均取0 80 这样修改 使用方便 较符合钢结构构件设计的习惯 验算的结果 用钢量有所减小 四 钢结构抗震验算 引入连接系数 连接系数的影响因素有 钢材类别 屈服强度 超强系数 应变硬化系数 连接类别 焊接 螺栓连接 连接的部位 对塑性发展的要求等 钢结构抗震设计的连接系数 四 钢结构抗震验算 连接系数对梁柱连接要求最高 对支撑连接 构件拼接相对低些 随钢材冶炼方法的改进和强度的增高而降低 与超强系数降低有关 高强螺栓连接的连接系数高于焊接连接 因螺栓的强屈比较低 我国过去对连接系数偏于笼统 对梁柱连接要求过高 这次作了修订 四 钢结构抗震验算 5 梁与柱刚性连接的极限承载力公式变化2001规范规定采用腹板全截面屈服时的剪力过于保守 2001规范用1 3代替了1 2考虑重力荷载代表值影响往往偏小 式中连接系数取1 2 是考虑框架梁一般为弯矩控制 梁腹板的塑性变形小于翼缘的变形要求较多 当梁截面受剪力控制时 该系数宜适当加大 四 钢结构抗震验算 6 高强螺栓群连接计算美国 日本在震后进行了重要补充 过去只考虑螺栓受剪和构件承压两种破坏模式 是单个螺栓连接的破坏模式 补充整块剪坏 blocksheer 的模式 包括板边撕脱 连接中部的板件撕脱和单列螺栓沿中心线挤穿 钢结构设计规范 GB50017 2003涉及板边撕脱破坏形式 高钢规程 JGJ99修订稿列入了这些破坏模式及其简化计算方法 将使我国高强螺栓连接的设计更符合实际情况 也更加安全 四 钢结构抗震验算 四 钢结构抗震验算 7 层间位移角限值修改本次修订将层间位移角的限值由2001规范的1 300改为1 250 后者是在JGJ99 98规范程中采用 参考了当时美 日有关规定 为了不使柱截面过大 采用1 250 这次修订 从经济合理的设计要求考虑 仍改用层间位移角限值1 250 五 主要构造措施 1 钢构件的长细比1 框架柱长细比框架柱最大长细比是为了保证结构在计算中未考虑的作用力 特别是大震时的竖向地震作用下的安全是至关重要的 是强条 本次修订中 改为按抗震等级区分 框架柱的长细比 一级不应大于 二级不应大于 三级不应大于 四级时不应大于 框架柱抗震设计还包括应满足强柱弱梁要求等 在很多情况下 根据强柱弱梁要求 高层框架柱按长细比限制确定的柱截面可能不够 此时必须增大柱截面 对于多层框架柱 一般可能由长细比控制决定截面 此时 可采用强度相对低一些的钢材 如Q235等 五 主要构造措施 2 中心支撑的长细比2001规范 对超过12层的中心支撑长细比限值 6 7度不大于 8度不大于 9度不大于 本次修订中 改为按抗震等级区分 一至三级应按压杆设计 均不大于 四级时采用压杆时仍为 也可采用拉杆 其长细比不应大于180 哈工大试验研究表明 较大长细比支撑在地震作用下有较好性能 编制组采纳了AISC 2005对强震区采用统一值120的建议 五 主要构造措施 2 钢构件的板件宽厚比1 框架柱板件宽厚比框架结构的板件宽厚比 是以结构符合强柱弱梁为前提的 强震区 梁的板件宽厚比要求满足塑性设计的要求 而柱的规定则可适当放宽 强柱弱梁不能保证时 对柱子应适当从严 五 主要构造措施 五 主要构造措施 2 中心支撑板件宽厚比本次修订 中心支撑板件的宽厚比要求 也按照抗震等级划分 高度50m以下大体上与2001规范相当 高度50m以上局部有所放宽 五 主要构造措施 3 框架梁的侧向支撑框架梁的端部负弯矩区下翼缘受压 在构造上设置侧向支撑是必要的 固端梁下翼缘在梁端0 15倍梁跨附近设置隅撑 梁端采用骨形连接或梁端扩大时 应在塑性区外设置竖向加劲肋 隅撑与偏置的竖向加劲肋相连 梁侧向支撑示意图如下 五 主要构造措施 4 框架梁柱连接焊接孔的修改美 日发生的钢结构震害 框架梁柱连接孔的断裂破坏 原因是孔与梁柱连接处存在应力集中 衬板与柱的界面存在实际人工缝 孔端与构件的夹角较大引起垂直于板边的应力分量 2001规范对框架梁的上翼缘规定了用复合圆弧形的焊接孔型 下翼缘用角焊缝封闭衬板边缘 五 主要构造措施 四条关键性的连接焊接 梁翼缘与柱 梁腹板与柱 剪力板与柱 框架柱拼接 要求梁与柱连接焊接采用气体保护焊 对梁下翼缘焊接孔孔形作了修改 对梁上翼缘连接强调可采用无焊接孔工法 五 主要构造措施 5 框架梁柱连接节点形式我国主要采用柱贯通型 在梁翼缘的对应位置设加劲肋 连续板 或内隔板 箱型柱设内隔板采用电渣焊 五 主要构造措施 采用冷成型柱和梁贯通型连接 采用电渣焊内隔板的箱形柱壁板厚度不得小于16mm 五 主要构造措施 6 强震区框架梁柱连接形式翼缘加宽式 盖板式 翼缘板式 骨式 dog bone 五 主要构造措施 翼缘加宽式 盖板式 翼缘板式 骨式 dog bone 对减轻或避免地震作用下的梁柱连接损坏有明显作用 今后在高烈度区将推广应用 五 主要构造措施 7 钢框架梁柱连接计算方法的改进国际上长期未能解决梁腹板与箱形柱壁板连接的受弯计算难题 框架梁柱连接设计沿用弯矩由翼缘连接承受和剪力由腹板连接承受的常规设计法 翼缘连接不能承受全部弯矩时 箱形柱和梁的受弯连接难以定量计算 只能依靠腹板连接的构造措施 多用螺栓或添加焊缝 横隔板附近的柱壁板在一定高度范围内可以承受弯矩 将梁腹板的连接划分为受弯区和受剪区 使箱形柱腹板连接的受弯计算得到完善