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13-1第十三讲钢结构房屋抗震设计规定蔡益燕一、多层和高层钢结构房屋1．前言我国89年版抗震规范，除单层钢结构厂房外，没有其它钢结构内容。我国过去钢材产量有限，钢结构在工程中应用很少。随着钢材产量的增加，国家要求积极发展钢结构，新规范除保留单层钢结构房屋外，还增加了第八章“多层与高层钢结构房屋”，使钢结构抗震设计的内容大大充实，以适应钢结构发展的需要。我国《钢结构设计规范》GBJ17不包含抗震内容。因此，地震区的房屋钢结构设计，除应符合钢结构设计规范外，还应符合抗震规范的有关规定。与行业标准《高层民用建筑钢结构技术规程》（以下简称《高钢规程》）相比，新的抗震规范第八章对高层钢结构的设计与施工作出了不少新规定。今后，凡是《高钢规程》中与抗震规范不一致之处，应按抗震规范的规定执行，且不应比其低。但抗震规范中未列入而《高钢规程》中已列入的，在该规程修订前仍可执行。本章在适用的高层钢结构体系中未列入钢框架－混凝土剪力墙（核心筒），是考虑到对这种体系的性能尚未进行系统研究。1994年的美国北岭(Northridge)地震和1995年的日本阪神地震是两次震害特别严重的地震，尤其是钢结构焊接刚架连接的破坏十分严重。美国该地区的钢框架房屋破坏达100多幢，日本破坏的也不少，震后两国都进行了大量研究，对破坏原因进行了分析，采取了相应措施，制订了新标准。由于美、日是钢结构应用最多的国家，它们的新标准引起了各国钢结构设计、施工和研究人员的关注，在这次我国抗震规范修订中也有若干反映。本介绍对于行业标准《高层民用建筑钢结构技术规程》中已有规定而这次变更不大的内容只作一般介绍，着重说明这次修订中的新内容。多层工业建筑钢结构的抗震设计另有规定，列入本章附录，这里不拟作介绍。2．材料对抗震钢结构钢材的基本要求,是参考AISC钢结构房屋抗震规定提出的。这些要求是:⑴强屈比大于1.2;⑵有明显的屈服台阶;⑶伸长率大于20%(标距50mm);⑷有良好可焊性。AISC的这些要求，在它的历次规范版本中都是如此，94年地震后也无变化。我国对抗震钢结构钢材的规定，与美国规定是一致的。规定的前三条都是关于塑性的要求，它是抗震钢结构对钢材的最主要要求。可焊性当然是钢结构制作所必需的。高层钢结构要用厚钢板，而厚板的可焊性一般较差。当硫13-2的含量较高就会出现焊接裂缝,引起层状撕裂,所以厚钢板要控制硫含量,满足国家标准《厚度方向性能钢板》的要求。《高钢规程》规定50mm以上的钢板要满足上述标准的要求，本规范考虑我国钢材的实际情况，将50mm以上改为40mm以上。现在国家冶金工业局已经制订了《高层建筑结构用钢板》YB4104－2000标准，它是参考日本JISG3136－1994建筑结构用钢材标准结合国内实际情况制订的，与我国现在采用的结构钢相比，降低了硫、磷含量和焊接碳当量，提高了屈服点和冲击功，可保证厚度方向性能Z15至Z35级。今后可以按该标准选用适合的国产钢材。3.高层钢结构体系和最大适用高度3.1结构体系本节给出了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限值,与行业标准《高层民用建筑钢结构技术规程》中的规定大体一致,补充了目前已在我国采用的巨型框架体系。筒体结构中列入了框架筒、筒中筒、束筒和桁架筒等已在实际工程中采用的各种筒体结构形式。混凝土核心筒-钢框架等混合结构暂不列入。钢框架－混凝土核心筒（剪力墙）混合结构，1964年阿拉斯加地震曾出现倒塌事故，美国在地震区不采用，并认为当高度超过150m（45层）时是很不经济的。日本的第一幢高层钢结构霞关大厦是1968年建成的，日本地震烈度高，也不采用这种体系。为了降低人工费，1992年建造了两幢砼核心筒－钢框架混合结构，其高度分别为78m和107m，结合这两幢工程展开了一些研究，将其列为特种结构，采用要经日本建筑中心评定和建设大臣批准。据报导，至今尚未出现第三幢。我国自80年代在不设防的上海希尔顿大酒店采用混合结构以来，应用较多。由于这种体系主要由混凝土核心筒承担地震作用，国内对其抗震性能和合理高度尚缺乏系统的研究，故本次修订暂不列入。（目前可按《高钢规程》规定的高度限值执行，并遵守双重抗侧力体系的有关抗震设计规定。）为了促进多层钢结构的发展，使小高层钢结构设计较方便，又不违背防火规范关于层高划分的规定，本章对不超过12层的建筑的抗震设计适当放宽要求。为了表达方便，在条文中采用了12层以下和超过12层的用语。在结构体系上，8.1.5条对不超过12层的钢结构房屋作了较灵活规定，即可采用框架结构、框架－支撑结构或其它类型的结构。3.2适用的最大高度8.1.1条将不同结构体系适用的最大高度列于表8.1.1。表8.1.1适用的钢结构房屋最大高度(m)结构体系6、7度8度9度框架1109050框架-支撑（剪力墙板）220200140筒体（框筒、筒中筒、桁架筒、束筒）和巨型框架30020018013-3注:适用高度指规则结构的高度,为室外地坪至檐口的高度钢框架体系的经济高度是30m，这在很多文献中都有说明。若取高层建筑平均层高为3.6m,则为110m。考虑到框架体系抗震性能很好,对6、7度设防和非抗震设防的结构均规定不超过110m,8、9度设防时高限适当减小。框架-支撑(剪力墙板)体系是高层钢结构的常用体系,剪力墙板有与支撑类似的性能，在抗震建筑中可采用延性好的带竖缝墙板、内藏钢支撑混凝土墙板和钢抗震墙板等。参考我国已建成这种体系的建筑,北京京城大厦(地上52层,高183.5m),京广中心(地上53层,高208m),现规定8度地区高限为200m,对6、7度地区和非抗震设防地区适当放宽,9度地区适当减小。各类筒体在超高层建筑中应用较多,世界一批最高的建筑大多采用筒体结构,其中著名的如纽约世界贸易中心(框筒,110层,高411m／413m),芝加哥西尔斯大厦(束筒,110层,443m),芝加哥约翰·汉考克大厦(桁架筒,100层,344m)等。巨形框架适用于大开间要求,典型的如东京市政府大厦(地上48层,243m),高雄国际广场大厦(65层,342.37m)。考虑到我国对超高层建筑经验不多,故本条规定筒体结构和巨型框架的最大适用高度为6、7度地区为300,高烈度区适当减小。以上高度限值规定，与《高钢规程》中的规定相同。超过上述高限时，按建设部规定应进行超限审查。3.3适用的最大高宽比关于高层钢结构的高宽比，早期的著名建筑中纽约世界贸易中心6.5是高宽比较大的,也有一定代表性，超过此值的不多。考虑到高宽比太大会使高层钢结构在大风中的位移过大，舒适度难以满足要求，一般不宜放得过宽，特殊情况尚可专门研究。另一方面，在确定合理高宽比方面，随结构体系不同如何确定尚缺少根据，考虑我国实际情况，8.1.2条暂按抗震设防烈度大致划分，不同结构体系采用统一值，即高宽比限值6、7度取6.5,8度取6.0,9度取5.5。若执行中有不妥，下次修订时再改。与《高钢规程》相比作了简化和放宽。4．层间位移角限值加州规范规定,基本自振周期大于0.7s的结构,弹性阶段的位移限值为层高的1／250或0.03／Rw(Rw为结构的延性指标)。纯框架结构Rw最大可达12,即限值可为层高的1／400。《高钢规程》参考美国规定采用了上限层高的1／250,是因为该规程反应谱的地震影响系数下限较高,为了避免钢材用量过多，层间位移角限值取了较大值。考虑到长周期建筑的水平地震作用在本规范中已作了调整,有所降低,第5章5.5节将多、高层钢结构弹性层间位移角限值改为层高的1／300。罕遇地震作用下层间位移限值,在美国ATC3-06中规定为层高1/67,《高钢规程》取层高的1／70,考虑到我国规定的小震与罕遇地震在7度时相差约6倍,位移角限值也须与此相应,该章将弹塑性层间位移角限值调整为1／50。5.结构布置的一般规定与《高钢规程》相比，主要有以下变更：13-41）.关于楼板，8.1.7条规定了超过12层的钢结构房屋，宜采用压型钢板组合楼板和现浇或整体式钢筋混凝土楼板，并与钢梁有可靠连接；必要时可设置水平支撑。不超过12层的钢结构房屋，除上述形式外，尚可采用装配整体式钢筋混凝土楼板、装配式楼板或其它轻型楼盖，但强调了应将楼板预埋件与钢梁焊接，或采取其它保证楼盖整体性的措施。2）.地下室设置，8.1.9和8.1.10条规定了超过12层的钢结构房屋应设置地下室，对12层以下的则不作限定。另外，钢结构房屋设置地下室时，规定框架柱至少伸至地下一层；框架-支撑(抗震墙板)结构中,竖向连续布置的支撑或抗震墙板应延伸至基础。与《高钢规程》的规定相比，对于高层钢结构设置地下室时是否用钢骨混凝土结构层不作限定,允许对不同情况作不同处理。3）.关于基础埋深,8.1.10条规定了采用天然地基时不宜小于房屋高度的1/15,采用桩基时承台埋深不宜小于房屋总高度的1/20,后者与《高钢规程》的1／18相比略有放松,是考虑了某些软地基的工程现实。6．主要计算规定6.1一般规定8.2.1条规定,构件截面和连接的抗震验算时,凡本章未规定者,应符合现行有关结构设计规范的要求。由于钢结构的非抗震设计应符合《钢结构设计规范》，而高层钢结构构件和连接抗震设计的很多方法都在《高钢规程》中有规定，本章不再重复，故设计时应与这两本标准同时使用。抗震设计时的地震作用效应，考虑到它的短时间作用,除以小于1的承载力抗震调整系数。第5章表5.4.2对钢结构的承载力抗震调整系数作了调整，对不同类型钢结构采用统一数值，介于89抗震规范和《高钢规程》规定值之间。6.2结构阻尼比钢结构在多遇地震下的阻尼比，对超过12层的仍采用0.02,不超过12层的拟采用0.35。钢结构房屋阻尼比,实测表明小于混凝土结构。根据ISO规定，低层建筑阻尼比大于高层建筑，据此作了适当规定。在罕遇地震下的分析，仍采用0.05。6.3弹塑性位移增大系数对钢框架和框架-支撑结构弹塑性位移增大系数,在大量算例的基础上编制成表,对10～20层规则结构的层间位移可查表得出,简化了弹塑性位移计算。6.4节点域剪切形的影响高层钢框架的特点,是节点域剪切变形对框架位移影响较大,可达10～20%,通常不能忽略。8.2.3条1款规定工字形截面柱宜计入腹板剪切变形对框架位移的影响,但对箱型柱不作规定。这是因为,箱形柱有两个腹板,而且每个腹板的厚度一般均较工字形截面柱的腹板为厚,其对框架位移的影响相对较小。为了适应小高层钢结构住宅的发展，考虑到层高较少时影响不大，还规定了对不超过12层的建筑可不计入。计算方法可参见《高层民用建筑钢结构技术规程》,此处不再赘述。节点域剪切变形对框架-支撑体系影响较小，研究表明可忽略不计。13-56.5双重体系中钢框架的剪力分担率在多遇地震作用下的结构分析,规定了双重抗侧力体系中框架承担的总地震力不小于结构底部剪力的25%,是参考了美国UBC的规定。UBC的原规定是:”框架应设计成能独立承担至少25%的底部设计剪力”。该规定的目的是发挥框架部分的二道防线作用。但是在设计中在与抗侧力构件组合的情况下,符合该规定很困难。抗震规范审查组建议参照混凝土结构的规定采用双重标准，将8.2.3条2款改为“框架部分按计算得到的地震剪力应乘以调整系数，达到不小于结构底部总地震剪力的25％和框架部分地震剪力最大值1.8倍二者的较小者”。混凝土结构对双重抗侧力体系的规定，相应为不小于地震剪力的20%和框架部分地震剪力最大值的1.5倍,鉴于钢结构要求25%,故规定不大于地震剪力的1.8倍。美国设计单位的做法,是在进行内力分析后,进行二次分析,此时忽略抗侧力构件,只考虑框架,检验它是否能承受25%的底部设计剪力。据悉这样计算时,符合上述要求并不困难。6.6强柱弱梁验算。8.2.5条1款对强柱弱梁要求作了规定。通常认为，框架柱屈服后在地震下出现大位移时，柱可能失去侧向抗力，从而导致结构倒塌。AISC规范指出，这并不是说框架中不能出现任何柱子屈服。过去的设计中，有很多框架柱的塑性铰是首先出现在柱上的,事实表明仍能发挥承载力。而且在设计中要完全消除“强梁弱柱”很难办到。但柱出现