第6章钢结构房屋震害与设计对策

66钢结构房屋震害与设钢结构房屋震害与设计对策计对策钢结构抗震性能优异钢结构抗震性能优异„1995年日本阪神地震„绝大部分钢结构房屋没有破坏，左图是在极震区(日本烈度Ⅶ度，相当于我国Ⅹ度)中，按日本新规范设计的高层或超高层建筑安然无恙，玻璃都没坏一块。阪神地震钢结构住宅小区阪神地震钢结构住宅小区汶川地震汶川地震某车间某车间((ⅦⅦ度度))，，门式刚架门式刚架轻钢结构完好轻钢结构完好汶川地震某电工厂房汶川地震某电工厂房((ⅦⅦ度度))，门式，门式刚架轻钢结构完好刚架轻钢结构完好汶川地震某体育馆空间结构完好汶川地震某体育馆空间结构完好汶川地震简易轻钢格构式拱架汶川地震简易轻钢格构式拱架„某体育馆(Ⅶ度)，轻钢格构式拱架玻璃钢瓦屋面。体育馆完好，用作灾民的避难场所。目目录录6.1钢结构房屋的震害6.2多、高层钢结构房屋结构布置6.3多、高层钢结构房屋计算要点6.4框架结构抗震构造措施6.5框架--支撑结构抗震构造措施……6.16.1钢结构房屋的震害钢结构房屋的震害„钢结构房屋的主要震害为：连接破坏、构件破坏和结构倒塌。6.1.1梁柱节点破坏6.1.2梁、柱、支撑等构件破坏6.1.3节点域破坏6.1.4柱脚锚栓破坏6.1.5非结构构件破坏国外梁柱节点构造主要形式国外梁柱节点构造主要形式H型钢柱箱形钢柱H型钢梁H型钢梁梁柱节点构造主要差别梁柱节点构造主要差别„1美国习惯采用工字形柱，日本主要采用箱形柱。„2美国在梁翼缘对应位置的柱加劲肋厚度按传递设计内力的需要确定，一般为梁翼缘厚度之半,并认为节点域弱一点，有利于调整地震内力；而日本取梁翼缘厚度加一个等级，认为在这里多用一点钢材是值得的。„3两国梁端腹板焊缝通过孔形状不同，它与焊接是否方便以及受力性能有一定关系。„4美国对梁腹板与连接板的连接的抗剪用焊缝加强，日本规定腹板螺栓不少于2～3列，用增加螺栓数量来加强；以上构造差异特别是前三项，与破坏情况有明显关系。北岭地震节点破坏形式北岭地震节点破坏形式北岭地震节点破坏模式北岭地震节点破坏模式„特点：下翼缘焊缝根部裂缝多向柱段范围扩展阪神地震节点破坏形式阪神地震节点破坏形式阪神地震节点破坏模式阪神地震节点破坏模式„特点：裂缝从扇形角部向梁段内发展下翼缘焊缝与柱翼缘完全脱离下翼缘焊缝与柱翼缘完全脱离„典型破坏形式钢梁腹板钢梁下翼缘下翼缘的裂缝扩展到柱翼缘中下翼缘的裂缝扩展到柱翼缘中钢柱腹板钢梁下翼缘垫板钢柱翼缘撕开的柱翼缘母材裂纹扩展至柱或梁腹板内裂纹扩展至柱或梁腹板内裂纹扩展至梁腹板内裂纹扩展至柱腹板内梁柱节点震害柱焊缝断裂梁柱节点震害柱焊缝断裂„日本阪神地震梁柱节点震害梁焊缝断裂梁柱节点震害梁焊缝断裂„日本阪神地震梁柱节点震害梁螺栓破坏梁柱节点震害梁螺栓破坏„日本阪神地震节点破坏原因节点破坏原因„1焊缝金属冲击韧性低。„2焊缝存在缺陷，特别是下翼缘梁端现场焊缝中部，因腹板妨碍焊接和检查，出现不连续。„3梁翼缘端部全熔透坡口焊的衬板边缘形成人工缝，在弯矩作用下扩大。„4梁端焊缝通过孔边缘出现应力集中，引发裂缝，向平材扩展。„5裂缝主要出现在下翼缘，是因为梁上翼缘有楼板加强，且上翼缘焊缝无腹板妨碍施焊。焊接衬板边缘缺陷焊接衬板边缘缺陷梁上翼缘和楼板共同工作梁上翼缘和楼板共同工作节点节点检查检查修复费用昂贵修复费用昂贵„钢框架梁柱节点遭受广泛和严重的破坏。美国在调查的1000多幢中破坏100多幢。破坏的特点是梁下翼缘裂缝占80％～95％，上翼缘裂缝15％～20％；裂缝起源于焊缝的占90％～99％，起源于母材的只占1％～10％；不少裂缝向柱子扩展，严重的将柱裂穿，有的向梁扩展，有的沿连接螺栓线扩展。虽然没有人身伤亡，但检查修复费用昂贵。检查费用不需挪动石棉时为每个节点800～1000美元、需挪动石棉时为每个节点1000～2000美元、对于有石膏抹灰和吊顶的高级住宅为每个节点2000～5000美元。修复费用更大。框架柱主要破坏形式框架柱主要破坏形式1翼缘屈曲2拼接处裂缝3翼缘层状撕裂4脆性断裂1243柱拉弯断裂柱拉弯断裂„日本阪神地震住宅小区„53根立柱全部脆断(锈蚀发生在断裂后)柱的断裂通向斜撑柱的断裂通向斜撑„日本阪神地震框架梁主要破坏形式框架梁主要破坏形式1翼缘屈曲2腹板屈曲3腹板裂缝4截面扭转屈曲1243某轻钢门式刚架梁腹板屈曲某轻钢门式刚架梁腹板屈曲„汶川地震斜撑主要破坏形式斜撑主要破坏形式1受拉断裂2受压屈曲3节点板拉断4节点板压屈斜撑在节点处受拉断裂斜撑在节点处受拉断裂„日本阪神地震斜撑受压屈曲斜撑受压屈曲„日本阪神地震斜撑受压屈曲斜撑受压屈曲„1987年美国Whittier地震某厂房柱间支撑屈曲某厂房柱间支撑屈曲„汶川地震某厂房柱间支撑屈曲某厂房柱间支撑屈曲„汶川地震某厂房柱间支撑受压屈曲细部某厂房柱间支撑受压屈曲细部„汶川地震厂房柱间支撑节点板破坏厂房柱间支撑节点板破坏„汶川地震某厂房屋架支撑严重破坏某厂房屋架支撑严重破坏„汶川地震某成品库车间屋架支撑严重破坏某成品库车间屋架支撑严重破坏„汶川地震某门式刚架轻钢厂房屋盖交叉系某门式刚架轻钢厂房屋盖交叉系杆破坏杆破坏„汶川地震某餐厅轻钢门式刚架柱间交叉系某餐厅轻钢门式刚架柱间交叉系杆花篮螺丝破坏杆花篮螺丝破坏„汶川地震汶川地震某水疗中心两跨螺栓球汶川地震某水疗中心两跨螺栓球节点网架节点网架„低跨网架基本完好(上左、上右)，高跨外檐支座处斜杆破坏(下右)。某某综综艺楼外檐下弦杆断裂艺楼外檐下弦杆断裂„汶川地震节点域主要破坏形式节点域主要破坏形式1加劲板屈曲2加劲板开裂3腹板屈曲4腹板开裂2143某某轻钢厂房梁柱节点区屈服轻钢厂房梁柱节点区屈服„汶川地震柱脚锚栓破坏柱脚锚栓破坏„日本阪神地震某某礼堂网架完好仅吊顶破坏礼堂网架完好仅吊顶破坏„汶川地震某体育馆单曲面双层网架结构某体育馆单曲面双层网架结构„汶川地震„檐口墙受损室内吊灯破坏某试验车间围护墙倒塌某试验车间围护墙倒塌„汶川地震钢结构震害启示钢结构震害启示„1梁柱节点构造„2焊缝设计以及焊缝施工质量„3构件截面尺寸和局部构造(长细比、板件宽厚比等)，特别是柱间、屋架支撑„4节点域„5柱脚做法„6非结构构件等6.26.2多、高层钢结构房屋结构布置多、高层钢结构房屋结构布置6.2.1钢结构房屋适用的最大高度6.2.2钢结构民用房屋的最大高宽比6.2.3钢结构选型原则6.2.4框架-支撑结构的支撑布置原则6.2.5多、高层钢结构房屋楼盖要求6.2.6多、高层钢结构房屋地下室设置钢结构房屋适用的最大高度钢结构房屋适用的最大高度钢结构房屋适用的最大高度(m)结构类型6、7度8度9度框架1109050框架--支撑(中心支撑、偏心支撑)框架--抗震墙板(带竖缝墙、内藏钢板支撑墙、钢板抗震墙)220200140框筒(钢框架--钢核心筒)，筒中筒，桁架筒，束筒，巨型框架300260180注：1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)；2平面和竖向均不规则或建造于Ⅳ类场地的钢结构，适用的最大高度应适当降低；3超过表内高度的房屋，应进行专门研究和论证，采取有效的加强措施。框架框架----核心筒结构最大高度核心筒结构最大高度结构类型6度7度8度9度钢框架--钢核心筒300300260180钢框架--钢筋混凝土核心筒20016012070钢骨混凝土框架--钢筋混凝土核心筒22019015070钢筋混凝土框架--钢筋混凝土核心筒15013010070说明：1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。2在日本1992年建了两幢，高度分别为78m和107m，但并未推广至今尚未出现第三幢。3我国第一幢混合结构是上海希尔顿酒店，于1988年建成，自此以后混合结构在我国应用较多。钢结构民用房屋的最大高宽比钢结构民用房屋的最大高宽比钢结构构民用房屋适用的最大高宽比烈度6、7度8度9度最大高宽比6.56.05.5注：计算高宽比的高度从室外地面算起。钢结构选型参考钢结构选型参考„钢框架体系的经济高度是30层(6、7度110m)。„框架--支撑(剪力墙板)体系是高层钢结构的常用体系。北京京城大厦(地上52层,高183.5m)，京广中心(地上53层,高208m)等。„各类筒体在超高层建筑中应用较多。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。东京市政府大厦(地上48层,243m)，高雄国际广场大厦(65层,342.37m)等。钢结构选型原则钢结构选型原则„不超过12层的钢结构房屋可采用框架结构、框架--支撑结构或其他结构类型。„超过12层的钢结构房屋、8、9度时，宜采用偏心支撑、带竖缝钢筋混凝土抗震墙板、内藏钢支撑钢筋混凝土墙板或其他消能支撑及筒体结构。„其他消能支撑：屈曲约束支撑(UBB)、安装阻尼器的支撑等。UNBONDEDBRACESUNBONDEDBRACES屈曲约束支撑屈曲约束支撑(UBB)(UBB)屈曲约束支撑装置图屈曲约束支撑安装实例粘滞阻尼墙粘滞阻尼墙框架框架----支撑结构的支撑布置原则支撑结构的支撑布置原则„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。„2不超过12层的钢结构宜采用中心支撑，有条件时也可采用偏心支撑等消能支撑。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。„3中心支撑框架宜采用交叉支撑，也可采用人字支撑或单斜杆支撑，不宜采用K形支撑；支撑的轴线应交汇于梁柱构件轴线的交点，确有困难时偏离中心不应超过支撑杆件宽度并应计入由此产生的附加弯矩。„4偏心支撑框架的每根支撑应至少有一端与框架梁连接，并在支撑与梁交点和柱之间或同一跨内另一支撑与梁交点之间形成消能梁段。中心支撑的类型中心支撑的类型抗震设计中不宜采用K型支撑交叉支撑单斜杆支撑人字支撑K型支撑偏心支撑的类型偏心支撑的类型设计原则是强柱、强支撑和弱消能梁段，在大震时消能梁段屈服形成塑性铰，支撑斜杆、柱和其余梁段仍保持弹性。D型偏心支撑K型偏心支撑V型偏心支撑消能梁段多、高层钢结构房屋楼盖要求多、高层钢结构房屋楼盖要求„多高层钢结构宜采用压型钢板现浇钢筋混凝土组合楼板。对于不超过12层的钢结构尚可采用装配整体式钢筋混凝土楼板，亦可采用装配式楼板或其它轻型楼板；对于超过12层的钢结构，当楼盖不能形成一个刚性的水平隔板以传递水平力时，须加设水平支撑。„采用压型钢板钢筋混凝土组合楼板和现浇钢筋混凝土楼板时，应与钢梁有可靠连接。采用装配式、装配整体式或轻型楼板时，应将楼板预埋件与钢梁焊接,或采取其他保证楼盖整体性的措施。多、高层钢结构房屋地下室设置多、高层钢结构房屋地下室设置„超过12层的钢结构应设置地下室。其基础埋深，当采用天然地基时，不宜小于房屋总高度的1/15；当采用桩基时，桩承台埋深不宜小于房屋总高度的1/20。„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。6.36.3多、高层钢结构房屋计算要点多、高层钢结构房屋计算要点6.3.1结构阻尼比6.3.2抗侧力构件模型6.3.3重力二阶效应6.3.4节点域剪切变形……多、高层钢结构房屋计算要点多、高层钢结构房屋计算要点„结构阻尼比„在多遇地震作用下的阻尼比，超过12层的钢结构可取0.02，不超过12层的钢结构取0.035，单层钢结构取0.05；在罕遇地震作用下，不同层数的钢结构阻尼比都取0.05。„抗侧力构件模型„支撑斜杆的两端节点通常按刚接设计，但计算时可采用两端铰接模型。内藏钢板支撑墙可按支撑构件处理。带竖缝抗震墙和钢板抗震墙，可按只承受水平荷载、不承受重力荷载的构件来模拟。带竖缝混凝土剪力墙带竖缝混凝土剪力墙内藏钢板支撑墙内藏钢板支撑墙钢板剪力墙钢板剪力墙多、高层钢结构房屋计算要点多、高层钢结构房屋计算要点„重力二阶效应„当结构在地震作用下的