建筑結構抗震設計第7章多高層鋼結構房屋抗震設計建筑結構抗震設計第7章多高層鋼結構房屋抗震設計1世界上第一個多層鋼結構建筑（1872年建于巴黎）著名鋼結構建筑世界上第一個多層鋼結構建筑（1872年建于巴黎）著名鋼結構建2美國紐約世貿大廈美國紐約世貿大廈3§7.1多層和高層鋼結構房屋

抗震特性及震害分析

鋼結構的特點：（１）各向同性的均質材料，強度易于保證，結構的可靠性大；（２）輕質高強，使結構所受地震作用減小；（３）良好的延性性能，使結構具有較大的變形能力，保證結構的抗震

安全性；若設計與制造不當，可能發生構件的失穩和材料的脆性破壞。震害舉例及比較1976年唐山大地震后對唐山鋼鐵廠震害調查結果統計參數結構形式總建筑面積(萬m2)倒塌和嚴重破壞比例中等破壞比例鋼結構3.6709.3%鋼筋混凝土結構4.0623.2%47.9%砌體結構3.0941.2%20.9%表7.1

唐山鋼鐵廠震害調查資料§7.1多層和高層鋼結構房屋抗震特性及震害分析4鋼結構房屋受地震作用的破壞形式主要有：

結構倒塌；節點破壞；構件破壞；基礎錨固破壞1）結構倒塌結構倒塌是地震中結構破壞最嚴重的形式主要原因：存在結構薄弱層2）節點破壞節點破壞是地震中發生最多的一種破壞形式主要原因：節點的設計和施工中，構造及焊縫存在缺陷；節點區域出現應力集中、受力不均鋼結構房屋在地震中嚴重破壞或倒塌與結構抗震設計水平關系很大鋼結構房屋受地震作用的破壞形式主要有：1）結構倒塌結構倒塌是5節點破壞(螺栓破壞)節點破壞(螺栓破壞)6節點破壞(焊縫破壞)節點破壞(焊縫破壞)73）構件破壞多高層建筑鋼結構構件破壞的主要形式有：

1.支撐的破壞與失穩

支撐在地震中所受的壓力超過其屈曲臨界力時，即出現破壞或失穩

構件破壞（支撐破壞）3）構件破壞多高層建筑鋼結構構件破壞的主要形式有：構件破壞82.梁柱局部破壞對于框架柱：主要表現為翼緣屈曲、翼緣撕裂，甚至會出現水平裂縫或斷裂破壞對于框架梁：主要表現為翼緣屈曲、腹板屈曲和開裂、扭轉屈曲等構件破壞（柱剪斷）2.梁柱局部破壞對于框架柱：對于框架梁：構件破壞（柱剪斷）94)基礎錨固破壞主要表現：柱腳處的地腳螺栓脫開、混凝土破碎導致錨固失效、連接板斷裂等主要原因：設計中未預料到地震時柱將產生相當大的拉力，以及地震開始時出現豎向振動

基礎錨固破壞4)基礎錨固破壞主要表現：柱腳處的地腳螺栓脫開、混凝土破碎10§7.2多層和高層鋼結構房屋抗震設計的一般規定

房屋高度烈度6789≤50m

四三二>50m四三二一7.2.1鋼結構房屋的抗震等級

鋼結構房屋應根據設防分類、烈度和房屋高度采用不同的抗震等級表7.2鋼結構房屋的抗震等級§7.2多層和高層鋼結構房屋抗震設計的一般規定11§7.2多層和高層鋼結構房屋抗震設計的一般規定

7.2.2

結構選型１.多、高層鋼結構的體系多、高層鋼結構的結構體系主要有框架體系、框架一支撐（抗震墻板）體系、筒體體系（框筒、筒中筒、桁架筒、束筒等）和巨型框架體系。（1）框架體系

框架體系是沿房屋縱橫方向由多榀平面框架構成的結構。這類結構的抗側力能力主要決定于梁柱構件和節點的強度與延性，故節點常采用剛性連接節點。（2）框架－支撐體系

框架－支撐體系是在框架體系中沿結構的縱、橫兩個方向均勻布置一定數量的支撐所形成的結構體系。支撐體系的布置由建筑要求及結構功能來確定§7.2多層和高層鋼結構房屋抗震設計的一般規定12①支撐類型

支撐類型的選擇與是否抗震有關，也與建筑的層高、柱距以及建筑使用要求有關Ａ.中心支撐

中心支撐是指斜桿、橫梁及柱匯交于一點的支撐體系，或兩根斜桿與橫桿匯交于一點，也可與柱子匯交于一點，但匯交時均無偏心距如右圖：(a)X形支撐；(b）單斜支撐；(c）人字形支撐；(d)K形支撐；(e)V形支撐①支撐類型支撐類型的選擇與是否抗震有關，也與建13中心支撐的利弊：有利：具有較大的側向剛度，對減小結構的水平位移和改善結構的內力分布是有效的。不利：在往復的水平地震作用下，會產生下列后果：(a)支撐斜桿重復壓曲后，其抗壓承載力急劇降低；(b)支撐的兩側柱子產生壓縮變形和拉伸變形時，由于支撐的端節點實際構造做法并非鉸接，引發支撐產生很大的內力和應力；(c)斜桿從受壓的壓曲狀態變為受拉伸狀態，將對結構產生沖擊作用力，使支撐及其節點和相鄰的結構產生很大的附加應力；(d)同一層支撐框架內的斜桿輪流壓曲又不能恢復(拉直)，樓層的受剪承載力迅速降低。中心支撐的利弊：有利：具有較大的側向剛度，對減小結構的水平位14Ｂ.偏心支撐

偏心支撐是指支撐斜桿的兩端，至少有一端與梁相交（不在柱節點處），另一端可在梁與柱交點處連接，或偏離另一根支撐斜桿一段長度與梁連接，并在支撐斜桿桿端與柱子之間構成一耗能梁段，或在兩根支撐與桿之間構成一耗能梁段的支撐。

偏心支撐與中心支撐相比具有較大的延性，它是適宜用于高烈度地區的一種新型支撐體系偏心支撐類型：（a）門架式1；（b）門架式2；（c）單斜桿式；（d）人字形式；（e）V字形式Ｂ.偏心支撐偏心支撐是指支撐斜桿的兩端，至15

3）框架－抗震墻板體系

框架－抗震墻板體系是以鋼框架為主體，并配置一定數量的抗震墻板。抗震墻板主要類型：

①鋼板抗震墻板

②內藏鋼板支撐抗震墻墻板

③帶豎縫鋼筋混凝土抗震墻板內藏鋼板剪力墻板與框架的連接帶豎縫剪力墻板與框架的連接3）框架－抗震墻板體系抗震墻板主要類型：16(4）筒體體系筒體結構體系可分為框架筒、桁架筒、筒中筒及束筒等體系。如右圖：(a）框架筒；(b）桁架筒；(c）筒中筒；(d）束筒(4）筒體體系如右圖：17（5）巨型框架體系巨型框架體系是由柱距較大的立體桁架梁柱及立體桁架梁構成。巨型框架結構型式(a）桁架型；(b）斜格型；(c）框筒型（5）巨型框架體系巨型框架結構型式182)結構選型結構類型的選擇關系到結構的安全性、實用性和經濟性《抗震規范》規定，鋼結構民用房屋的結構類型和最大高度應符合表7.3的要求。表7.3鋼結構房屋適用的最大高度(m)結構類型6、7度（0.1g）7度（0.15g）8度9度（0.40g）（0.20g）（0.30g）框架11090907050框架-中心支撐220200180150120框架-偏心支撐（延性墻板）240220200180160筒體（框筒、筒中筒、桁架筒，束筒）和巨型框架3002802602401802)結構選型表7.3鋼結構房屋適用的最大高度(m)結構19

結構的高寬比對結構的整體穩定性和人在建筑中的舒適感等有重要影響，鋼結構民用房屋適用的最大高寬比見下表。表7.4

鋼結構民用房屋適用的最大高寬比烈度6度、7度8度9度最大高寬比6.56.05.5

根據抗震概念設計的思想，多層鋼結構要根據安全性和經濟性的原則按多道防線設計。框架結構：梁是這種結構的第一道抗震防線；框架-支撐體系：支撐或者延性墻板作為第一道抗震防線；偏心支撐體系：梁的耗能段作為第一道抗震防線結構的高寬比對結構的整體穩定性和人在建筑中的舒適感等20§7.2多層和高層鋼結構房屋抗震設計的一般規定

7.2.3

結構平面布置

1)結構平、立面布置以及防震縫的設置結構平面布置應遵守抗震概念設計中結構布置規則性的原則。建筑平面宜簡單規則，并使結構各層的抗側力剛度中心與質量中心接近或重合，同時各層剛心與質心接近在同一豎直線上

鋼結構一般不宜設防震縫，需要設置防震縫時，縫的寬度應不小于相應鋼筋混凝土結構房屋的1.5倍。2)支撐的設置要求采用框架-支撐結構的鋼結構房屋應符合下列規定：

①支撐框架的兩個方向的布置均宜基本對稱，支撐框架之間樓蓋的長寬比不宜大于3。§7.2多層和高層鋼結構房屋抗震設計的一般規定21

②三、四級且高度不大于50m的鋼結構房屋宜采用中心支撐，也可采用偏心支撐、屈曲約束支撐等消能支撐。

③中心支撐框架宜采用交叉支撐，也可采用人字支撐或單斜桿支撐，不宜采用K形支撐；

④偏心支撐框架的每根支撐應至少有一端與框架梁連接，并在支撐與梁交點和柱之間或同一跨內另一支撐與梁交點之間形成消能梁段。

⑤采用屈曲約束支撐時，宜采用人字支撐、成對布置的單斜桿支撐等形式，不應采用K形或X形，支撐與柱的夾角宜在35°～55°之間。②三、四級且高度不大于50m的鋼結構房屋宜采用中心支223)鋼結構房屋的樓蓋主要形式:壓型鋼板組合樓板1.組合樓板（見下圖）2.非組合樓板3.裝配整體式鋼筋混凝土樓板4.裝配式樓板3)鋼結構房屋的樓蓋主要形式:壓型鋼板組合樓板1.234)

鋼結構房屋的地下室

鋼結構房屋設置地下室時，框架－支撐（抗震墻板）結構中豎向連續布置的支撐（抗震墻板）應延伸至基礎，框架柱應至少延伸至地下一層4)鋼結構房屋的地下室鋼結構房屋設置地下室時24§7.3多層和高層鋼結構房屋抗震計算

7.3.1一般計算原則采用兩階段設計方法：第一階段設計應按多遇地震計算地震作用第二階段設計應按罕遇地震計算地震作用

當進行結構彈性分析時，宜考慮現澆鋼筋混凝土樓板與鋼梁的共同工作；當進行結構彈塑性分析時，可不考慮樓板與梁的共同工作。

對于框架彈性分析，計算壓型鋼板組合樓蓋中梁的截面慣性矩時，對兩側有樓板的梁宜取1.5Ib，對僅一側有樓板的梁宜取1.2Ib注意：§7.3多層和高層鋼結構房屋抗震計算7.3.25§7.2多層和高層鋼結構房屋抗震設計的一般規定

7.3.2水平地震作用下鋼結構的內力計算與變形驗算1)地震作用下的內力計算（1）多遇地震作用下

結構在第一階段多遇地震作用下的抗震設計中，其地震作用效應采取彈性方法計算：可根據不同情況，采用底部剪力法、振型分解反應譜法以及時程分析法等方法。（2）罕遇地震作用下

高層鋼結構第二階段的抗震驗算應采用時程分析法對結構進行彈塑性時程分析。§7.2多層和高層鋼結構房屋抗震設計的一般規定26阻尼比取值：多高層鋼結構的阻尼比鋼筋混凝土結構小，具體取值見下表

高度阻尼比不大于50m50到200m大于200m多遇地震作用0.04(0.045)0.03(0.035)0.02(0.025)罕遇地震作用0.050.050.05括號內數值為心支撐框架部分承擔的地震傾覆力矩大于結構總地震傾覆力矩的50%時的阻尼比數值多高層鋼結構的阻尼比值阻尼比取值：多高層鋼結構的阻尼比鋼筋混凝土結構小，具體取值見27構件的內力調整各主要構件內力調整如下：

1.對于框架梁，可不按柱軸線處的內力而按梁端截面的內力設計。2.對工字形截面柱，宜計入梁柱節點域剪切變形對結構側移的影響；對箱形柱框架、中心支撐框架和不超過50m的鋼結構，其層間位移計算可不計入梁柱節點域剪切變形的影響，近似按框架軸線進行分析。3.對于鋼框架-支撐結構的斜桿可按端部鉸接桿計算；其框架部分按剛

度分配計算得到的地震層剪力應乘以調整系數，達到不小于結構底部總地震剪力的25%和框架部分計算最大地震層剪力1.8倍二者的較小值。4.中心支撐框架的斜桿軸線偏離梁柱軸線交點不超過支撐桿件的寬度時，仍可按中心支撐框架分析，但應計及由此產生的附加彎矩。構件的內力調整各主要構件內力調整如下：1.對于框架梁，28對于偏心支撐框架結構，應按下列要求調整：①支撐斜桿的軸力設計值，應取與支撐斜桿相連接的消能梁段達到受剪承載力時支撐斜桿軸力與增大系數的乘積；其增大系數，一級不應小于1.4，二級不應小于1.3，三級不應小于1.2。②位于消能梁段同一跨的框架梁內力設計值，應取消能梁段達到受剪承載力時框架梁內力與增大系數的乘積；其增大系數，一級不應小于1.3，二級不應小于1.2，三級不應小于1.1。

③框架柱的內力設計值，應取消能段達到受剪承載力時柱內力

與增大系數的乘積；其增大系數，一級不應小于1.3，二級不應小于1.2，三級不應小于1.1。對于內藏鋼支撐鋼筋混凝土墻板和帶豎縫鋼筋混凝土墻板結構：帶豎縫鋼筋混凝土墻板可僅承受水平荷載產生的剪力，不承受豎向荷載產生的壓力。鋼結構轉換構件下的鋼框架柱，地震內力應乘以1.5的增大系數。對于偏心支撐框架結構，應按下列要求調整：①支撐斜桿的軸力設計29鋼結構的整體穩定高層鋼結構的穩定傾覆穩定壓曲穩定——通過限制高寬比來滿足整體穩定局部穩定鋼結構的整體穩定高層鋼結構的穩定傾覆穩定壓曲穩定——通過限制30§7.3多層和高層鋼結構房屋抗震設計的一般規定

7.3.3鋼結構構件抗震承載力驗算

結構設計要體現“強柱弱梁”的原則，保證節點可靠性，實現合理的耗能機制。為此，需要進行構件、節點承載力和穩定性驗算。（a）強柱弱梁型框架（b）強柱弱梁型框架塑性鉸分布圖§7.3多層和高層鋼結構房屋抗震設計的一般規定311)

鋼框架節點處的抗震承載力驗算

“強柱弱梁”是抗震設計的基本要求。為此，柱端應比梁端有更大的承載能力儲備。強柱弱梁型框架屈服時產生塑性變形而耗能的構件比強梁弱柱型框架多

強柱弱梁型框架屈服時產生塑性變形而耗能的構件比強梁弱柱型框架多強柱弱梁型框架的抗震性能較強梁弱柱型框架優越

1)鋼框架節點處的抗震承載力驗算“強柱弱梁”是抗震32為保證鋼框架為強柱弱梁型，框架的任一梁柱節點處需滿足：等截面梁：端部翼緣變截面的梁：(7.1a)(7.1b)為保證鋼框架為強柱弱梁型，框架的任一梁柱節點處需滿足：等截33

為了保證在大震作用下，使柱和梁連接的節點域腹板不致局部失穩，以利于吸收和耗散地震能量，在柱與梁連接處，柱應設置與梁上下翼緣位置對應的加勁肋，使之與柱翼緣相包圍處形成梁柱節點域。節點域的屈服承載力應滿足下式要求：（7.2）對工字形截面柱（7.3）箱形截面柱（7.4）圓管形截面柱

（7.5）為了保證在大震作用下，使柱和梁連接的節點域腹34

為保證工字形截面柱和箱形截面柱的節點域的穩定，節點域腹板的厚度應滿足：

節點域的受剪承載力：（7.6）（7.7）2)

中心支撐框架構件的抗震承載力驗算

在反復荷載作用下，支撐斜桿容易出現彈塑性屈曲后承載力退化現象

多遇地震作用效應組合下，支撐斜桿的受壓承載力應按下式進行：（7.8）為保證工字形截面柱和箱形截面柱的節點域的穩定35（7.9）（7.10）3)

偏心支撐框架構件的抗震承載力驗算偏心支撐框架的設計原則：強柱、強支撐和弱消能梁段消能梁段的受剪承載力驗算：當時，(7.11a)當時，(7.11b)（7.9）（7.10）3)偏心支撐框架構件的抗震承載力驗算364）鋼結構構件連接的抗震承載力驗算鋼結構連接的設計原則:強連接弱桿件梁與柱剛性連接的極限受彎、受剪承載力，應符合下列要求：(7.12)(7.13)(1)梁與柱剛性連接的極限承載力驗算4）鋼結構構件連接的抗震承載力驗算鋼結構連接的設計原則:強連37(2)支撐與框架的連接及梁、柱、支撐的拼接極限承載力驗算螺栓連接在支撐軸線方向的極限承載力：支撐連接和拼接：

(7.14a)梁的拼接：(7.14b)柱的拼接：(7.14c)(3)柱腳與基礎的連接極限承載力驗算柱腳與基礎的連接極限承載力：(7.15)(2)支撐與框架的連接及梁、柱、支撐的拼接極限承載力驗算螺38§7.4多層和高層鋼結構房屋的抗震構造措施

7.4.1鋼框架結構的抗震構造措施框架柱的長細比柱的變形能力與長細比的關系

由于幾何非線性（P-δ效應）的影響，柱的彎曲變形能力與柱的長細比有關柱的長細比越大彎曲變形能力越小§7.4多層和高層鋼結構房屋的抗震構造措施7.439框架梁、柱板件的寬厚比一組梁柱試件，研究其在反復加載下的受力變形情況

框架梁、柱板件的寬厚比一組梁柱試件，研究其在反復加載下的受力40梁柱試件在反復加載下的受力變形情況：b/t=16隨著構件板件寬厚比的增大構件反復受載的承載能力與耗能能力將降低b/t=8b/t=11

原因：寬厚比較大，則在受力過程中它們容易出現局部失穩梁柱試件在反復加載下的受力變形情況：b/t=16隨著構件板41框架柱的轉動變形能力要求比框架梁的轉動變形要求低框架柱的板件寬厚比限值可比框架梁的板件寬厚比限值大寬厚比限值要求：板件名稱一級二級三級四級柱工字形截面翼緣外伸部分工字形截面腹板箱形截面壁板104333114536124838135240梁工字形截面和箱形截面翼緣外伸部分991011箱形截面翼緣在兩腹板之間部分30303236工字形截面和箱形截面腹板

≤60≤65≤70≤75表7.6框架梁、柱板件寬厚比限值框架柱的轉動變形能力要求比框架梁的轉動變形要求低框架柱的板件42梁與柱的連接構造梁柱的連接構造，應符合下列要求：

（1）梁與柱的連宜采用柱貫通型

（2）柱在兩個互相垂直的方向都與梁剛接時，宜采用箱形截面；當僅在一個方向與梁剛接時，宜采用工字型截面，并將柱腹板

置于剛接框架平面內（3）梁翼緣與柱翼緣應采用全熔透坡口焊縫

（4）柱在梁翼緣對應位置應設置橫向加勁肋，且加勁肋厚度不應小于梁翼緣厚度（5）梁腹板宜采用摩擦型高強度螺栓與柱連接板連接（6）腹板連接板與柱的焊接，當板厚不大于16mm時應采用雙面角焊縫；板厚大于16mm時采用K形坡口對接焊縫（7）一級和二級時，宜采用能將塑性鉸自梁端外移的端部擴大形連接、梁端加蓋板或骨形連接梁與柱的連接構造梁柱的連接構造，應符合下列要求：（1）43節點域補強及節點附近構造措施

節點域的腹板厚度不滿足式(7.2)和式(7.6)、(7.7)的穩定要求時，應采取加厚柱腹板或采取貼焊補強板的措施為了保證結構在塑性區的整體性，梁與柱剛性連接時，柱在梁翼緣上下各500mm的范圍內，柱翼緣與柱腹板間或箱形柱壁板間的連接焊縫應采用全熔透坡口焊縫。剛接柱腳

鋼結構的剛接柱腳宜采用埋入式；在6度、7度抗震時可采用外包式柱腳：對于6、7度且高度不超過50m的情況也可采用外露式柱腳。節點域補強及節點附近構造措施節點域的腹板厚度44§7.4多層和高層鋼結構房屋的抗震構造措施

7.4.2鋼框架-中心支撐結構的抗震構造措施框架部分的構造措施

當房屋高度不高于100m且框架部分按計算分配的地震剪力不大于結構底部總地震剪力的25%時，一、二、三級的抗震構造措施可按框架結構降低一級的相應要求采用中心支撐桿件的構造措施1.布置原則

當中心支撐采用只能受拉的單斜桿體系時，應同時設置不同傾斜方向的兩組斜桿，且每組中不同方向單斜桿的截面面積在水平方向的投影面積之差不得大于10%。§7.4多層和高層鋼結構房屋的抗震構造措施7.445長細比按壓桿設計時：不大于四級采用拉桿設計時：不大于180板件寬厚比

為限值支撐壓曲造成的支撐板件的局部屈曲對支撐承載力及耗能能力的影響，對支撐板件的寬厚比需限值更嚴，應不大于下表規定的限值：板件名稱一級二級三級四級翼緣外伸部分891013工字形截面腹板25262733箱形截面腹板18202530圓管外徑與壁厚比38404042表7.7

鋼結構中心支撐板件寬厚比限值長細比按壓桿設計時：不大于四級采用拉桿設計時：不大于180板46節點的構造要求當結構超過12層時，支撐宜采用H型鋼制作，兩端與框架可采用剛接構造H型鋼支撐連接節點示例

節點的構造要求當結構超過12層時，支撐宜采用H型鋼制作47當結構不超過12層時，若支撐與框架采用節點板連接，支撐端部至節點板嵌固點在支撐桿件方向的距離，不應小于節點板厚度的2倍支撐端部節點板構造示意圖當結構不超過12層時，若支撐與框架采用節點板連接，48§7.4多層和高層鋼結構房屋的抗震構造措施

7.4.3鋼框架-偏心支撐結構的抗震構造措施偏心支撐框架的抗震設計應保證罕遇地震下結構屈服發生消能梁段上消能梁段的構造措施消能梁的屈服形式有兩種剪切屈服型彎曲屈服型這種消能梁段的偏心支撐框架的剛度和承載力較大，延性和耗能性能較好§7.4多層和高層鋼結構房屋的抗震構造措施7.4491.基