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时间:2017-12-07
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1、对多高层钢框架结构抗震设计措施认识 摘要:钢结构由于其材料的优越性,使得其抗震性能要优于混凝土结构,具有良好的延性与耗能性能,在地震作用下,不能具有较强的变形能力,还能很好的消耗地震能量,基于钢结构建筑的突出优点,以《建筑抗震设计规范》GB50010-2010为依据,主要阐述了多高层钢结构框架的抗震设计措施。关键词:钢结构框架,抗震设计措施,延性,耗能中图分类号:TU391文献标识码:A在建筑结构中,钢结构由于其材料的优越性,使得其抗震性能要优于混凝土结构,具有良好的延性与耗能性能,在地震作用下,不能具有较强的变形能力,还能很好的消耗地震能量,基于钢
2、结构建筑的突出优点,美国、韩国等国的钢结构建筑已占到总量的50%左右。日本是多地震的国家,钢结构建筑在日本的占有率更是达到了65%左右。据日本阪神地震后资料显示,钢结构建筑在地震中的受损率远低于混凝土结构建筑,本文以《建筑抗震设计规范》GB50010-2010(以下简称《抗规》)[1]为依据,主要阐述了多高层钢结构框架的抗震设计措施,并与混凝土框架结构进行相应的对比。1钢结构抗震结构体系总体指标7同钢筋混凝土结构一致,房屋的高度是抗震措施中的一项重要的规定,故《抗规》8.1.1条分别给出了框架、框架-中心支撑、筒体结构的最大适用高度,并同时对房屋高度比
3、进行了规定,因为单纯地从结构工程领域来看,高宽比越大的房屋其侧向稳定性越低,故《抗规》8.1.2中规定烈度越大的地区,其高宽比限制越严。抗震设计中一个重要的概念是保证结构构件的延性,以实现延性耗能的目标。《抗规》8.1.3中对钢结构在不同高度、不同烈度下的结构延性进行规定,并取烈度越高,高度越高,要求延性耗能越大,也即抗震等级越高,但同时应注意的是《抗规》8.1.3注-2的规定,此处之所以做此规定,是根据R-U-T准侧[2]。当结构的承载力高时,可合理降低其延性,故规范做此规定。与混凝土结构不同的是,此处未对不同的结构体系分别规定其抗震等级,对此《抗规
4、》8.4.3、8.5.7条中分别针对框架-中心支撑、框架-偏心支撑中的框架做出相应的规定,当支撑为主要抗侧力构件时,可对框架部分的构造措施降低一级采用,之所以做此规定,原因同混凝土结构中的框架-剪力墙结构类似,对于双重抗侧力结构体系,对框架部分的地震需求可适当降低。2钢框架结构的主要抗震措施7钢框架的设计思路基本上与混凝土框架一致,例如防止发生层间侧移机构,以形成以梁较为主的塑性耗能体系,防止节点区发生提前破坏的强节点弱构件措施,由于钢结构相对于混凝土来说其剪切耗能能力较好,故没有像混凝土一样采取防止塑性铰出现之前的剪切破坏,而是允许其发生剪切耗能[3
5、]。以上是对钢框架的基本调控思路。2.1计算措施1)强柱弱梁措施(《抗规》8.2.5-1条)与混凝土框架不同的是,钢结构没有采用柱内力调整系数,而是引入“强柱系数”对节点区的梁、柱的塑性转动承载力进行相应的验算,例如等截面梁的基本公式:上式中由于涉及到的为保证中震、大震下的屈服机制,故采用的材料强度为标准值fy而非设计值f。上式中对于节点两侧梁的塑性弯矩很容易理解,而对左侧柱的塑性弯矩可由下式推导得出。根据文献[4],压弯构件在出现塑性铰时有的关系式,故可得:,且Mp=Wpcfyc;Np=Acfyc,可得:,也即左侧公式。但对于某些特殊情况,例如轴压比
6、较小(同混凝土框架)因其延性很好,故允许柱出铰。还有与支撑斜杆相连的节点,因无论柱还是梁出铰均会无斜杆形成稳定的抗侧力体系,故不再调整。2)节点域的验算(《抗规》8.2.5条)7节点域的验算同混凝土框架节点核心区的原理是较为一致的,都是防止节点域提前破坏,使结构的抗侧向刚度以及结构的整体性降低,影响结构的抗震性能,不同的是混凝土节点一般是核心区混凝土的剪切强度破坏,而钢框架节点处一般多为节点域腹板的失稳破坏。从《抗规》8.2.5-2条可以看出,公式保证了梁端出铰后节点板不发生剪切失稳,从而形成了强节点的抗震措施,公式的具体推导可参照文献[4]第381、
7、382页。另外还需注意的是《抗规》8.2.5-3条中所示的公式为多遇水准下的节点板验算,并非保证中震、大震下的调整措施,故采用的为设计值,而非8.2.5-2条中的标准值。3)构件之间的连接(《抗规》8.2.8条)混凝土结构中的梁柱的连接主要是采用钢筋的锚固与搭接,使梁柱形成整体,故规范中通过大量的试验得到相应的锚固长度等连接形式。对于钢框架主要是通过焊缝与螺栓连接,为此采取相应的措施,保证连接不在中震与大震下发生破坏,例如《抗规》8.2.8条规定,采用大于1.0的连接系数来保证其中震、大震下的连接性能。2.1构造措施前面我们已经从计算层次上确定了钢框架
8、的抗震设计思路,即:强柱弱梁-强节点-强连接,以形成梁较为主的侧移机构,故应采取相应的构造措施
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