多高层建筑钢结构的主要震害特征

钢结构特性：

强度高、延性好、重量轻、抗震性能好

总体来说，在同等场地、烈度条件下，

钢结构房屋的震害较钢筋混凝土结构房屋的震害要小

震害举例及比较

1985年墨西哥城地震中钢结构和钢筋混凝土结构的破坏情况

多高层钢结构在地震中的破坏形式有三种：节点连接破坏；构件破坏；结构倒塌

一、节点连接破坏

1978年日本宫城县远海地震（里氏7.4级）

1978年日本宫城县远海地震钢结构建筑破坏类型统计

震害调查发现，梁柱连接的破坏大多数发生在梁的下翼缘处，而上翼缘的破坏要少得多

可能的原因：1.楼板与梁共同变形导致下翼缘应力增大；2.下翼缘在腹板位置焊接的中断是一个显著的焊缝缺陷的来源

震后观察到的在梁柱焊缝连接处的失效模式

1.美国Northridge(北岭)地震

2.日本阪神地震

模式1--翼缘断裂 模式2.3--热影响区断裂 模式4--横隔板断裂

梁柱刚性连接裂缝或断裂破坏的原因（4点）：

1. 焊缝缺陷：如裂纹、欠焊、夹渣和气孔等，这些缺陷将成为裂缝开展直至断裂的起源

2. 三轴应力：梁柱连接的焊缝变形由于受到梁和柱约束，施焊后焊缝残存三轴拉应力，使材料变脆

3. 构造缺陷：出于焊接工艺的要求，梁翼缘与柱连接处设有衬板，实际工程中衬板在焊接后就留在结构上，这样衬板与柱翼缘之间就形成一条“人工”裂缝，成为连接裂缝发展的起源。

4. 焊缝金属冲击韧性：低的冲击韧性使得连接很易产生脆性

破坏，成为引发节点破坏的重要因素。

图 “人工”裂缝

二、构件破坏

多高层建筑钢结构构件破坏的主要形式有

1. 支撑压屈：支撑在地震中所受的压力超过其屈曲临界力时，即压屈破坏 ；

2.梁柱局部失稳：梁或柱在地震作用下反复受弯，在弯矩最大截面处附近由于过度弯曲可能发生翼缘局部失稳破坏。

支撑压曲

梁柱局部失稳

3. 柱水平裂缝或断裂破坏

1995年日本阪神地震,位于阪神地震区芦屋市海滨城的52栋高层钢结构住宅，有57根钢柱发生断裂，7根钢柱在与支撑连接处断裂，其中13根钢柱为母材断裂， 37根钢柱在拼接焊缝处断裂.

钢柱的断裂是出人意料的，分析原因认为：竖向地震使柱中出现动拉力，由于应变速率高，使材料变脆；加上地震时为日本严冬时期，钢柱位于室外，钢材温度低于0oC；以及焊缝和弯矩与剪力的不利影响，造成柱水平断裂。

三、结构倒塌

结构倒塌是地震中结构破坏最严重的形式

钢结构建筑尽管抗震性能好，但在地震中也有倒塌事例发生。

1995年日本阪神地震中Chou Ward地震钢结构房屋震害情况。

多高层钢结构的选型与结构布置

一、结构选型

在结构选型上，多层和高层钢结构无严格界限，为区分结构的重要性对结构抗震构造措施的要求不同。

我国建筑抗震设计规范（GB50011—2001）规定：将超过12层的建筑归为高层钢结构建筑，将不超过12层的建筑归为多层钢结构建筑。

有抗震要求的多高层建筑钢结构可采用以下结构体系：

1. 纯框架结构：

框架体系是沿纵横向方向由多榀平面框架构成及承担水平荷载的抗侧力结构，它也是承担竖向荷载的结构。延性好，但抗侧力刚度较差。

2. 框架—支撑结构体系

框架-支撑体系是在框架体系中沿结构的纵、横两个方向均匀布置一定数量的支撑所形成的结构体系。在框架-支撑体系中，框架是剪切型结构，底部层间位移大；支撑为弯曲型结构，底部层间位移小，两者并联，可以明显减少建筑物下部的层间位移，因此在相同的侧移限值标准的情况下，框架-支撑体系可以用于比框架体系更高的房屋。

①支撑类型

支撑类型的选择与是否抗震有关，也与建筑的层高、柱距以及建筑使用要求有关，

Ａ.中心支撑

中心支撑是指斜杆、横梁及柱汇交于一点的支撑体系，或两根斜杆与横杆汇交于一点，也可与柱子汇交于一点，但汇交时均无偏心距。

如右图：

中心支撑的类型（支撑框架）

( a ) X 形支撑；

( b ）单斜支撑；

( c ）人字形支撑；

( d ) K 形支撑；

( e ) V 形支撑

b. 偏心支撑

偏心支撑是指支撑斜杆的两端，至少有一端与梁相交（不在柱节点处），另

一端可在梁与柱交点处连接，或偏离另一根支撑斜杆一段长度与梁连接，并

在支撑斜杆杆端与柱子之间构成一耗能梁段，或在两根支撑与杆之间构成一

耗能梁段的支撑。

偏心支撑类型（偏心支撑框架）（a）门架式 1；（b）门架式 2 ；（c）单斜杆式；（d）人字形式；

a. 框架—中心支撑结构体系

通过支撑提高框架的刚度，但支撑受压会屈曲，支撑屈曲将导致原结构承载力降低。

b. 框架—偏心支撑结构体系

可通过偏心梁段剪切屈服限制支撑受压屈曲，使结构具有稳定的承载能力和良好的耗能性能，抗侧力刚度介于纯框架和中心支撑框架之间。

3.框架－剪力墙板体系

框架－剪力墙板体系是以钢框架为主体，并配置一定数量的剪力墙板。

剪力墙板主要类型：

① 钢板剪力墙板

② 内藏钢板支撑剪力墙墙板

③ 带竖缝钢筋混凝土剪力墙板

内藏钢板剪力墙板与框架的连接　

带竖缝剪力墙板与框架的连接

4. 框筒结构体系

筒体结构体系因其具有较大刚度，有较强的抗侧力能力，能形成较大的使用空间，对于超高层建筑是一种经济有效的结构形式。根据筒体的布置、组成、数量的不同，筒体结构体系可分为框架筒、桁架筒、筒中筒及束筒等体系。

（1）实际上是密柱框架结构

（2）框架结构的梁柱节点宜采用刚接

（3）由于梁跨小，刚度大，使周圈柱近似构成一个整体受弯的薄壁筒体

（4）具有较大的抗侧刚度和承载力

因而框筒结构多用于高层建筑

二、高层钢结构的布置原则

1.各种钢结构体系建筑的适用高度

适用的钢结构房屋最大高度（m）

2.各种钢结构体系建筑的适用高宽比

适用的钢结构房屋最大高宽比

3.高层钢结构的布置要求

高层钢结构房屋除了满足一般的规定外，尚应符合

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；钢框架柱应至少延伸至地下一层，其竖向荷载应直接传至基础；

③8、9度时，宜采用偏心支撑、带竖缝钢筋混凝土抗震板墙、内藏钢板支撑或其他消能支撑；

④一般情况下，对不超过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；

⑤超过12 层的钢结构房屋，8 度、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，此时顶层可采用中心支撑；

⑥超过12层的钢框架-筒体结构，在必要时可设置由筒体向外臂和周边桁架组成的加强层；

⑦楼盖宜采用压型钢板现浇钢筋混凝土组合楼或非组合楼板。

钢构件的抗震设计与构造措施

钢构件的设计包括以下内容

(1)构件的强度验算；

(2)构件的稳定承载力验算；

(3)为保证构件截面的塑性变形能充分开展，同时满足构件的局部

失稳不先于构件的整体失稳，应对构件宽厚比做出严格的限制；

(4)受压构件的长细比和受弯构件塑性铰处侧向支承点与相邻侧向支承点间构件最大侧向长细比的验算。

1.钢梁

钢梁的抗震破坏主要表现在梁的侧向整体失稳和局部失稳，钢梁的强度及变形能根据其板件宽厚比、侧向支承长度及弯距梯度、节点的连续构造等的不同而有很大差别。在抗震设计中为了满足抗震要求，钢梁必须具有良好的延性性能，因此必须正确设计截面尺寸、合理布置侧向支撑，注意连接构造，保证其能充分发挥变形能力。

(1)梁的强度

钢梁在反复荷载下的极限荷载将比单调荷载时小，但考虑到楼板的约束作用又将使梁的承载能力有明显提高，因此钢梁承载力计算与一般在静力荷载作用下的钢结构相同，计算时取截面塑性发展系数 ，承载力抗震调整系数。在进行多遇地震作用下构件承载力计算时，托柱梁的内力乘以不小于1.5的增大系数。

(2)梁的整体稳定

钢梁的整体稳定验算公式一般与静力荷载作用下的钢结构相同，承载力抗震调整系数 。当梁设有侧向支撑，并满足规范规定的受压翼缘自有长度与其宽度之比的限制时，可不计算整体稳定。按7度及以上抗震设防的高层钢结构，梁受压翼缘侧向支承点间的距离与梁翼缘宽度之比，应符合规范关于塑性设计的长细比要求。

(3) 梁、柱板件宽厚比

日本所做的一组梁柱试件，研究其在反复加载下的受力变形情况

梁柱试件在反复加载下的受力变形情况：

框架柱的转动变形能力要求比框架梁的的转动变形能力要求低

框架柱的板件宽厚比限值可比框架梁的板件宽厚比限值大

宽厚比限值要求：

不超过12层框架的梁柱板件宽厚比限值

2.钢柱

(1)钢柱的计算长度

在框架柱的抗震设计中，当计算柱在多遇地震作用组合下的稳定时，柱的计算长度系数 ，纯框架体系按《钢结构设计规范》(GB50017)中有侧移时的 取用；有支撑或剪力墙的体系在层间位移不超过层高的1/250时取。对于纯框架体系及支撑或剪力墙体系，若层间位移不超过层高的1/10000时，按《钢结构设计规范》(GB50017)中无侧移时的取用。

(2)强柱弱梁设计

强柱弱梁是抗震设计的基本要求，在地震作用下，塑性效应在梁端形成而不应在柱端形成，此时框架具有较大的内力重分布和消能能力。为此柱端应比梁端有更大的承载能力储备。对于抗震设防框架柱在框架的任一节点处，柱截面的塑性抵抗矩和梁截面的塑性抵抗矩应满足下式的要求：

当符合下列情况，可不按上式计算

(3)节点域设计

①节点域的屈服承载力

研究表明，节点域既不能太厚，也不能太薄，太厚了使节点域不能发挥耗能作用，太薄了将使框架的侧向位移太大。节点域的屈服承载力应满足式(8-14)的要求：

②节点域的稳定及受剪承载力验算

为了保证在大地震作用下，使柱和梁连接的节点域腹板不致局部失稳，以利于吸收和耗散地震能量，在柱与梁连接处，柱应设置与梁上下翼缘位置对应的加劲肋，使之与柱翼缘相包围处形成梁柱节点域。节点域柱腹板的厚度，一方面要满足腹板局部稳定要求，另一方面还应满足节点域的抗剪要求。为保证工字形截面柱和箱形截面柱的节点域的稳定，节点域腹板的厚度应满足。

3.中心支撑框架抗震构造措施

（1） 受拉支撑的布置要求

（2） 受压支撑杆件的要求

为限值支撑压曲造成的支撑板件的局部屈曲对支撑承载力及耗能能力的影响，对支撑板件的宽厚比需限值更严，应不大于下表规定的限值：

为使支撑杆件最低具有一定的耗能性能，中心支撑杆件的长细比不宜大于下表的限值：

此外，当支撑为填板连接的双肢组合构件时，肢件在填板间的长细比不应大于构件最大长细比的1/2，且不应大于40

（3） 支撑节点要求

当结构超过12层时，支撑宜采用H型钢制作，两端与框架可采用刚接构造

当结构不超过12层时，若支撑与框架采用节点板连接，支撑端部至节点板嵌固点在支撑杆件方向的距离，不应小于节点板厚度的2倍。

4.偏心支撑框架抗震构造措施

（1） 消能梁段的长度

净长a满足下列公式要求者为剪切屈服型消能梁段:

（2） 消能梁段的材料及板件宽厚比要求

偏心支撑框架主要依靠消能梁段的 塑性变形 消能地震能量，故对消能梁段的塑性变形能力要求较高，一般钢材的塑性变形能力与其屈服强度成反比，消能梁段所采用的钢材的屈服强度不能太高，应不345MPa。

为保障消能梁段具有稳定的反复受力的塑性变形能力：

1）消能梁段腹板不得加焊贴板提高其承载力

2）不得在腹板上开洞

3）消能梁段及与消能梁段同一跨内的非消能梁段，其板件的宽厚比不应大于下表的限值

（3） 消能梁段加劲肋的设置

为保证塑性变形过程中消能梁段的腹板不发生局部屈曲， 按下列规定在梁腹板两侧设置加劲肋 ：

3) 在消能梁段中部应设加劲肋，加劲肋间距c应根据消能梁段长度a确定:

4) 消能梁段加劲肋的

5 .强节点弱构件要求

要求结构所有节点的极限承载力大于构件在相应节点的极限承载力，保证节点不先于构件破坏，防止构件不能充分发挥作用。

对于多高层钢结构的所有节点连接：应按地震组合内力进行弹性设计验算；且应进行“强节点弱构件”原则下的极限承载力验算。

（1） 梁与柱的连接要求

（2） 支撑连接要求

（3） 梁、柱构件的拼接要求

（4）连接极限承载力的计算

6.强柱弱梁要求

为保证钢框架为强柱弱梁型，框架的任一梁柱节点处需满足下列要求：

无需满足上式的强柱弱梁要求的情况：

当柱所在楼层的受剪承载力比上一层的受剪承载力高出25%，或柱轴向力设计值与柱全截面面积和钢材抗拉强度设计值乘积的比值不超过0.4，或作为轴心受压构件在2倍地震力下稳定性得到保证时