对多高层钢框架结构抗震设计措施认识

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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