7 　高层及多层钢结构房屋的抗震设计

7　高层及多层钢结构房屋的抗震设计 • · 本章要点 • ■ 　掌握：多层钢结构房屋的抗震计算；高 • 　　　　　　　层钢结构的抗震计算。 • ■　理解：钢构件的抗震设计与构造措施；钢 • 　　　　　　　节点及连接的抗震计算与构造措施 • 　　■　了解：钢结构的震害及破坏特点；多层钢 • 　　　　　　　结构房屋的抗震构造措施。高层钢 • 　　　　　　　结构的体系与布置；

7.１　概述 • 1.钢结构的特点： • （１）各向同性的均质材料，强度易于保证，结构的可靠性大；（２）轻质高强，使结构所受地震作用减小； • （３）良好的延性性能，使结构具有较大的变形能力，保证结构的抗震安全性； • 　　若设计与制造不当，可能发生构件的失稳和材料的脆性破坏。 • ２.钢结构的破坏形式 • （１）框架节点区的梁柱焊接连接破坏； • （２）竖向支撑的整体失稳和局部失稳； • （３）柱脚焊缝破坏及锚栓失效； • （４）钢柱脆断； • （５）支撑及其连接的破坏； • （６）梁柱节点的破坏。

７.２　高层钢结构房屋抗震设计 • 7.2.1 高层钢结构的体系与布置 • １.高层钢结构的体系　　 • 　　高层钢结构的结构体系主要有框架体系、框架一支撑（剪力墙板）体系、筒体体系（框筒、筒中筒、桁架筒、束筒等）或巨型框架体系。 • （１）框架体系 • 　　框架体系是沿房屋纵横方向由多榀平面框架构成的结构。这类结构的抗侧力能力主要决定于梁柱构件和节点的强度与延性，故节点常采用刚性连接节点。 • ( 2 ）框架－支撑体系 • 　　框架－支撑体系是在框架体系中沿结构的纵、横两个方向均匀布置一定数量的支撑所形成的结构体系。 • 　　支撑体系的布置由建筑要求及结构功能来确定。

７.２　高层钢结构房屋抗震设计 • ①支撑类型 • 　　支撑类型的选择与是否抗震有关，也与建筑的层高、柱距以及建筑使用要求有关， • Ａ.中心支撑 • 　　中心支撑是指斜杆、横梁及柱汇交于一点的支撑体系，或两根斜杆与横杆汇交于一点，也可与柱子汇交于一点，但汇交时均无偏心距。 • 如右图： • 中心支撑的类型（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

７.２　高层钢结构房屋抗震设计 • Ｂ. 偏心支撑 • 　　偏心支撑是指支撑斜杆的两端，至少有一端与梁相交（不在柱节点处），另一端可在梁与柱交点处连接，或偏离另一根支撑斜杆一段长度与梁连接，并在支撑斜杆杆端与柱子之间构成一耗能梁段，或在两根支撑与杆之间构成一耗能梁段的支撑。 • 偏心支撑类型（偏心支撑框架） • （a）门架式 1；（b）门架式 2 ；（c）单斜杆式；（d）人字形式；（e）V 字形式

７.２　高层钢结构房屋抗震设计 • ( 3）框架－剪力墙板体系 • 　　框架－剪力墙板体系是以钢框架为主体，并配置一定数量的剪力墙板。 • 剪力墙板主要类型： • ① 钢板剪力墙板 • ② 内藏钢板支撑剪力墙墙板 • 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　　　　　　　带竖缝剪力墙板与框架的连接

７.２　高层钢结构房屋抗震设计 • ( 4）筒体体系 • 　　筒体结构体系可分为框架筒、桁架筒、筒中筒及束筒等体系。 • 如右图： • ( a ）框架筒； • ( b ）桁架筒； • ( c ）筒中筒； • ( d ）束筒

７.２　高层钢结构房屋抗震设计 • ( 5）巨型框架体系 • 　　巨型框架体系是由柱距较大的立体桁架梁柱及立体桁架梁构成。 • 巨型框架结构型式 • ( a ）桁架型； ( b ）斜格型； ( c ）框筒型

７.２　高层钢结构房屋抗震设计 • ２.高层钢结构的布置原则 • ( 1 ）高层钢结构适用的最大高度 • 　　房屋高度指室外地面到主要屋面板板顶的高度（不包括局部突出屋顶部分） ; • 　　根据结构类型、烈度不同，则最大高度亦不同。 • 钢结构房屋适用的最大高度（m）

７.２　高层钢结构房屋抗震设计 • ( 2 ）高层钢结构的高宽比限值 • 　　结构的高宽比对结构的整体稳定性和人在建筑中的舒适感等有重要影响，钢结构民用房屋适用的最大高宽比见下表。 • 钢结构房屋的最大高宽比 • ( 3 ）高层钢结构的布置要求 • 　　高层钢结构的布置除应符合建筑概念设计的有关要求外，尚应符合下列规定： • ① 支撑框架在两个方向的布置均宜基本对称，支撑框架之间楼盖的长宽比不宜大于 3 ;

７.２　高层钢结构房屋抗震设计 • ② 钢结构房屋设置地下室时，框架－支撑（抗震墙板）结构中竖向连续布置的支撑（抗震墙板）应延伸至基础，框架柱应至少延伸至地下一层； • ③ 8 、 9 度时，宜采用偏心支撑、带竖缝钢筋混凝土抗震墙板、内藏钢板支撑或其他消能支撑； • ④ 超过 12 层的钢结构采用偏心支撑框架时，顶层可采用中心支撑； • ⑤ 超过 12 层的钢框架－筒体结构，在必要时可设置由筒体外伸臂或外伸臂和周边析架组成的加强层； • ⑥ 楼盖宜采用压型钢板现浇钢筋混凝土组合楼板或非组合楼板。

７.２　高层钢结构房屋抗震设计 • 7.2.2 高层钢结构的抗震计算 • 1.地震作用计算 • 　　结构自振周期，在初步设计时，基本周期可按经验公式估算： • 式中 n ― 建筑物层数（不包括地下部分及屋顶小塔楼）。 • 　　采用底部剪力法计算水平地震作用。 • ２.地震作用下内力与位移计算 • ( 1 ）多遇地震作用下 • 　　结构在第一阶段多遇地震作用下的抗震设计中，其地震作用效应采取弹性方法计算：可根据不同情况，采用底部剪力法、振型分解反应谱法以及时程分析法等方法。 • ( 2 ）罕遇地震作用下 • 　　高层钢结构第二阶段的抗震验算应采用时程分析法对结构进行弹塑性时程分析。

７.２　高层钢结构房屋抗震设计 • ３.构件的内力组合与设计原则 • ( l ）内力组合 • 　　在抗震设计中，一般高层钢结构可不考虑风荷载及竖向地震的作用，对于高度大于60m的高层钢结构须考虑风荷载的作用，在9度区尚须考虑竖向地震作用。 • ( 2 ）设计原则 • 　　框架梁、柱截面按弹性设计。同时，将框架设计成强柱弱梁体系。 • ４.侧移控制 • 　　在小震下（弹性阶段），过大的层间变形会造成非结构构件的破坏，而在大震下（弹塑性阶段），过大的变形会造成结构的破坏或倒塌，因此，应限制结构的侧移，使其不超过一定的数值。

７.３　多层钢结构厂房抗震设计 • 7.3.1 多层钢结构房屋的结构体系与布置 • 多层钢结构房屋的结构体系 • 　　多层钢结构房屋一般多采用框架体系和框架－支撑体系。 • ２.厂房的布置 • 厂房的布置应符合下列要求： • ① 多层钢结构房屋抗震设计时，应尽量使厂房的体型规则、均匀、对称，刚度中心与质量中心尽量重合；厂房的竖向布置要避免质量与刚度沿高度突变，使厂房结构沿竖向变形协调且受力均匀。 • ② 平面形状复杂、各部分构架高度差异大或楼层荷载相差悬殊时，应设防震缝或采取其他措施。 • ③ 料斗等设备穿过楼层且支承在该楼层时，其运行装料后的设备总重心宜接近楼层的支点处。同一设备穿过两个以上楼层时，应选择其中的一层作为支座；必要时可另选一层加设水平支承点。 • ④ 设备自承重时，厂房楼层应与设备分开。

７.３　多层钢结构厂房抗震设计 • 7 . 3 . 2 多层钢结构厂房的抗震计算 • １.地震作用与作用效应 • 　　对多层钢结构进行抗震验算时，一般只需考虑水平地震作用，并在结构的两个主轴方向分别验算，各方向的水平地震作用应全部由该方向的抗震构件承担。 • 　　水平地震作用可采用底部剪力法或振型分解应谱法进行计算。 • 　　多层钢结构房屋荷载效应组合按第 3 章的有关规定进行。 • ２.多层钢结构房屋的内力计算 • 　　平面布置较规则的多层框架，其横向框架的计算宜采用平面计算模型，当平面不规则且楼盖为刚性楼盖时，宜采用空间计算模型；厂房的纵向框架的计算，一般可按柱列法计算，当各柱列纵向刚度差别较大且楼盖为刚性楼盖时，宜采用空间整体计算模型。 • 　　进行地震作用效应计算时，宜采用将质量集中于各楼层的层间计算模型，同时按不同围护结构考虑其自振周期的折减系数。

７.３　多层钢结构厂房抗震设计 • 　　多层框架的横向框架计算一般宜采用专门软件的计算机方法，当对层数不多的框架采用手算方法时，其竖向荷载作用下的内力效应可用近似的分层法计算，水平荷载作用下的内力效应可采用半刚架法、改进反弯点法（Ｄ值法）等近似方法计算。 • 　　计算层间位移时，框架－支撑结构可不计人梁柱节点域剪切变形的影响，但腹板厚度不宜小于梁、柱截面高度之和的 1 / 70 。 • ７.３.３　多层钢结构厂房的抗震构造措施 • １.框架柱、支撑的长细比与构件的板件宽厚比 • ２.厂房楼层的水平支撑 • 　　水平支撑的作用主要是传递水平地震作用和风荷载，控制柱的计算长度和保证结构构件安装时的稳定。 • ３. 厂房纵向柱间支撑 • 　　厂房纵向柱间支撑能有效提高厂房的纵向抗震能力。 • ４.连接节点的要求

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