再詳細不過的鋼結構抗震設計詳解，不看準吃虧！

來源：築龍論壇

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鋼結構的優點：

鋼結構具有優越的強度、韌性或延性、強度重量比，總體上看抗震性能好、抗震能力強。

在地震作用下，鋼結構房屋由於鋼材的材質均勻，強度易於保證，因而結構的可靠性大；輕質高強的特點，使鋼結構房屋的自重輕，從而結構所受的地震作用減小；良好的延性性能，使鋼結構具有很大的變形能力，即使在很大的變形下仍不致倒塌，從而保證結構的抗震安全性。

1震害及其分析

1995年日本阪神地震中，鋼結構大量出現局部破壞，日本建築學會對神戶988幢鋼結構房屋進行了調查。

一、節點破壞

美國北嶺地震節點破壞形式有(見下圖)：

(a)焊縫-柱交界處完全斷開；

(b)焊縫-柱交界處部分斷開；

(c)沿柱翼緣向上擴展，完全斷開；

(d)沿柱翼緣向上擴展，部分斷開；

(e)焊趾處梁翼緣裂通；

(f)柱翼緣層狀撕裂；

(g)柱翼緣裂通；

(h)裂縫穿過柱翼緣和部分腹板。

日本阪神地震節點破壞形式有(見下圖)：

(a)從工藝孔下方的翼緣斷裂；

(b)焊接熱影響區母材斷裂；

(c)焊縫金屬斷裂；

(d)由焊接引弧板至熱影響區隔板一側的開裂；

(e)由引弧板到隔板內部的裂縫。

節點破壞原因有：

(1) 焊縫金屬衝擊韌性低。

(2) 焊縫存在缺陷，特別是下翼緣梁端現場焊縫中部，因腹板妨礙焊接和檢查，出現不連續。

(3) 梁翼緣端部全熔透坡口焊的襯板邊緣形成人工縫，在彎矩作用下擴大。

(4) 梁端焊縫通過孔邊緣出現應力集中，引發裂縫，向平材擴展。

(5) 裂縫主要出現在下翼緣，是因為樑上翼緣有樓板加強，且上翼緣焊縫無腹板妨礙施焊。

節點破壞的典型破壞形式主要表現為：

焊縫斷裂、螺栓破壞、鉚接斷裂、加勁板斷裂、屈曲和腹板斷裂等。

美國在調查的1000多幢中破壞100多幢。破壞的特點是：

梁下翼緣裂縫(見下圖a和下圖b)佔80%~95%，上翼緣裂縫15%~20%；

裂縫起源於焊縫的佔90%~99%，起源於母材的只佔1%~10%；

不少裂縫向柱子擴展，嚴重的將柱裂穿(見下圖c)，有的向梁擴展(見下圖d)，有的沿連接螺栓線擴展。

二、構件破壞

3、基礎錨固破壞

鋼構件與基礎的錨固破壞主要表現為柱腳處的地腳螺栓脫開、混凝土破碎導致錨固失效、連接板斷裂等，

例如有一幢11層鋼筋混凝土結構柱腳的4根地腳螺栓全部斷開，柱腳水平移動25cm，但建築未倒塌。柱腳破壞的主要原因，可能是設計中未預料到地震時柱將產生相當大的拉力，以及地震開始時會出現豎向振動。

一、結構尺度與抗震等級

結構類型的選擇關係到結構的安全性、實用性和經濟性。可根據結構總體高度和抗震設防烈度確定結構類型和最大使用高度。

鋼結構房屋應根據設防分類、烈度和房屋高度採用不同的抗震等級，並應符合相應的計算和構造措施要求。丙類建築的抗震等級應按下表確定。

二、結構布置與支撐設計要求

採用框架結構時，高層的框架結構以及甲、乙類建築的多層框架結構，不應採用單跨框架結構，其餘多層框架結構不宜採用單跨框架結構。

多層鋼結構的結構平面布置、豎向布置應遵守抗震概念設計中結構布置規則性的原則。

設計中如出現平面不規則或者豎向不規則的情況，應按規範要求進行水平地震作用計算和內力調整，並對薄弱部位採取有效的抗震構造措施，不應採用嚴重不規則的設計方案。

由於鋼結構可承受的結構變形比混凝土結構大，一般不宜設防震縫。需要設置防震縫時，縫的寬度應不小於相應鋼筋混凝土結構房屋的1.5倍。

在選擇結構類型時，除考慮結構總高度和高寬比之外，還要根據各結構類型抗震性能的差異及設計需求加以選擇。

①一般情況下，不超過50m的鋼結構房屋可採用框架結構、框架-支撐結構或其它結構類型；

②超過50m的鋼結構房屋，一、二級抗震結構宜採用偏心支撐、帶豎縫鋼筋混凝土抗震牆板、內藏鋼支撐鋼筋混凝土牆板或屈曲約束支撐等消能支撐及筒體結構。

多層鋼結構一般採用框架結構、框架-支撐結構。

採用框架-支撐結構時，應符合下列規定：

(1) 支撐框架在兩個方向的布置均宜基本對稱，支撐框架之間樓蓋的長寬比不宜大於3。

(2) 不超過50m的鋼結構宜採用中心支撐，必要時也可採用偏心支撐、屈曲約束支撐等消能支撐。

(3) 中心支撐框架宜採用交叉支撐，也可採用人字支撐或單斜桿支撐，不宜採用K 形支撐；支撐的軸線宜交匯於樑柱構件軸線的交點，若偏離交點，其偏心距不應超過支撐桿件寬度，並應計入由此產生的附加彎矩。當中心支撐採用只能受拉的單斜桿體系時，應同時設置不同傾斜方向的兩組斜桿，且每組中不同方向單斜桿的截面面積與在水平方向的投影面積之差不得大於10%。

(4) 偏心支撐框架的每根支撐應至少有一端與框架梁連接，並在支撐與梁交點和柱之間或同一跨內另一支撐與梁交點之間形成消能梁段。

偏心支撐具有彈性階段剛度接近中心支撐框架，彈塑性階段的延性和消能能力接近於延性框架的特點，是一種良好的抗震結構。常用的偏心支撐形式如下圖所示。

偏心支撐框架的設計原則：

強柱、強支撐和弱消能梁段，即在大震時消能梁段屈服形成塑性鉸，且具有穩定的滯回性能，即使消能梁段進入應變硬化階段，支撐斜桿、柱和其餘梁段仍保持彈性。

鋼結構的樓蓋設計：

鋼結構的樓蓋宜採用壓型鋼板現澆鋼筋混凝土組合樓板或鋼筋混凝土樓板。

對不超過50m的鋼結構尚可採用裝配整體式鋼筋混凝土樓板，亦可採用裝配式樓板或其它輕型樓蓋；

對超過50m的鋼結構，必要時可設置水平支撐。

採用壓型鋼板鋼筋混凝土組合樓板和現澆鋼筋混凝土樓板時，應與鋼樑有可靠連接。

採用裝配式、裝配整體式或輕型樓板時，應將樓板預埋件與鋼樑焊接，或採取其它保證樓蓋整體性的措施。

鋼結構房屋的地下室設計：

設置地下室時，框架-支撐結構中豎向布置的支撐應延伸至基礎；框架柱應至少延伸至地下一層。支撐在地下室是否改為混凝土抗震牆形式，與是否設計鋼筋混凝土結構層有關。

設置鋼筋混凝土結構層時採用混凝土牆段協調。該抗震牆是否由鋼支撐外包混凝土構成還是採用混凝土牆，由設計確定。

設置地下室的鋼結構房屋的基礎埋置深度，當採用天然地基時不宜小於房屋總高度的1/15；當採用樁基時，樁承台埋深不宜小於房屋總高度的1/20。

一、一般計算原則

確定多高層鋼結構房屋的抗震計算模型時，一般可假定樓板在自身平面內為絕對剛性；

當結構布置規則、質量及剛度沿高度分布均勻、且不計扭轉時，可採用平面結構計算模型；

當結構平面或立面不規則、體型複雜，無法劃分平面抗側力單元的結構，以及為筒體結構時，應採用空間結構計算模型。

鋼結構在多遇地震計算時，阻尼比宜按下列規定採用：

(1) 高度不大於50m時，可取0.04；高度大於50m且小於200m時，可取0.03；高度不小於200m時，宜取0.02。

(2) 當偏心支撐框架部分承擔的地震傾覆力矩大於結構總地震傾覆力矩的50%時，其阻尼比可比(1)款相應增加0.005。

(3) 在罕遇地震下的彈塑性分析，阻尼比可取0.05。

鋼結構在地震作用下的內力和變形分析，應符合下列規定：

(1) 鋼結構應計入重力二階效應。進行二階效應的彈性分析時，應按現行國家標準《鋼結構設計規範》的有關規定，在每層柱頂附加假想水平力。

(2) 對框架梁，可不按柱軸線處的內力而按梁端內力設計。對工字形截面柱，宜計入樑柱節點域剪切變形對結構側移的影響；對箱形柱框架、中心支撐框架和不超過50m的鋼結構，其層間位移計算可不計入樑柱節點域剪切變形的影響，近似按框架軸線進行分析。

(3) 鋼框架-支撐結構的斜桿可按端部鉸接桿計算；框架部分按剛度分配計算得到的地震層剪力應乘以增大係數，其值不小於1.15且不小於結構總地震剪力的25%和框架部分計算最大層剪力1.8倍的較小值。

(4) 中心支撐框架的斜桿軸線偏離樑柱軸線交點不超過支撐桿件的寬度時，仍可按中心支撐框架分析，但應計及由此產生的附加彎矩。

(5) 偏心支撐框架中，與消能梁段相連構件的內力設計值，應按下列要求調整：

① 支撐斜桿的軸力設計值，應取與支撐斜桿相連接的消能梁段達到受剪承載力時支撐斜桿軸力與增大係數的乘積；其增大係數，一級不應小於1.4，二級不應小於1.3；

② 位於消能梁段同一跨的框架梁內力設計值，應取消能梁段達到受剪承載力時框架梁內力與增大係數的乘積；其增大係數，一級不應小於1.3，二級不應小於1.2；

③ 框架柱的內力設計值，應取消能梁段達到受剪承載力時柱內力與增大係數的乘積；其增大係數，一級不應小於1.3，二級不應小於1.2。

(6) 內藏鋼支撐鋼筋混凝土牆板和帶豎縫鋼筋混凝土牆板應按有關規定計算，帶豎縫鋼筋混凝土牆板可僅承受水平荷載產生的剪力，不承受豎向荷載產生的壓力。

(7) 鋼結構轉換構件下的鋼框架柱，地震內力應乘以增大係數，其值可採用1.5。

二、鋼框架構件及節點的抗震承載力驗算

鋼框架構件及節點的抗震承載力驗算，應符合下列規定：

(1) 除下列情況之一外，節點左右梁端和上下柱端的全塑性承載力應符合下式要求：

① 柱所在樓層的受剪承載力比相鄰上一層的受剪承載力高出25%；

② 柱軸壓比不超過0.4；

③ 柱軸力符合時(為地震作用加倍時的柱地震組合軸力設計值)；

④ 與支撐斜桿相連的節點。

(2) 為了保證在大地震作用下，使柱和梁連接的節點域腹板不致局部失穩，以利於吸收和耗散地震能量，在柱與梁連接處，柱應設置與樑上下翼緣位置對應的加勁肋，使之與柱翼緣相包圍處形成樑柱節點域。

節點域既不能太厚，也不能太薄，太厚了使節點域不能發揮耗能作用，太薄了將使框架的側向位移太大。

(3) 為保證工字形截面柱和箱形截面柱的節點域的穩定，節點域腹板的厚度應滿足下式的要求：

三、框架鋼樑

1、抗彎強度驗算

2、抗剪強度驗算

3、整體穩定驗算

為了避免構件的側向扭轉失穩，除了按一般要求設置側向支撐外，尚應在塑性鉸處設側向支撐。

《建築抗震設計規範》提出，樑柱構件在出現塑性鉸的截面處，其上下翼緣均應設置側向支撐。由於地震方向的改變，塑性彎矩的方向也在改變。相鄰支撐點間的構件長細比應符合《鋼結構設計規範》關於塑性設計的有關規定。

四、鋼柱

1、截面強度驗算

2、平面內整體穩定驗算

3、平面外整體穩定驗算

鋼柱在軸壓比較大時，在反覆荷載下強度的折減十分顯著，與鋼樑的設計相似，在柱可能出現塑性鉸的區域內，板件的寬厚比及側向支承的間距應加以限制。為了保證塑性鉸的轉動能力，在塑性鉸區域內，應按下表來確定板件寬厚比的限值。

五、中心支撐

人字支撐和V形支撐的橫樑在支撐連接處應保持連續，該橫樑應承受支撐斜桿傳來的內力，並按不計入支撐支點作用的梁驗算重力荷載和支撐屈曲時不平衡力下的承載力。不平衡力應按受拉支撐的最小屈服承載力和受壓支撐最大屈曲承載力的0.3倍計算。必要時，可將人字和V 形支撐沿豎向交替設置或採用拉鏈柱，以減小支撐橫樑的截面。

六、偏心支撐

u消能梁段的腹板上應設置加勁肋，以防止腹板過早屈曲，使腹板充分發揮抗剪作用，同時減少由於腹板反覆屈曲變形而引起的剛度退化。

u加勁肋應在支撐斜桿連接處的腹板兩側配置，中間加勁肋的間距對於剪切屈服型梁段不得超過30tw-h0/5(為腹板厚度，為腹板計算高度)。

2、支撐斜桿及框架梁、柱設計

在確定支撐軸力設計值時，考慮到耗能梁段上的加勁肋將會提高梁段的極限抗剪強度，為了保證梁段進入非彈性變形階段而支撐不屈曲，支撐的設計抗軸壓能力應大於耗能梁段達屈服強度時支撐軸力，《建築抗震設計規範》規定，這一增大係數在8度及以下時應不小於1.4，9度時應不小於1.5。

同理，為了使偏心支撐框架僅在消能梁段屈服而非消能梁段及柱保持彈性，樑柱內力的增大係數在8度及以下時應不小於1.5，9度時應不小於1.6。

七、梁與柱的連接

1、樑柱連接強度驗算

梁與柱連接時應使梁能充分發揮其強度與延性。當確定梁的抗彎抗剪能力時：

①應考慮鋼材強度的變異，即考慮其實際強度可能超過設計強度；

②應考慮應變硬化的影響分別增強20%及30%。

2、節點域強度驗算

樑柱節點域的破壞形式有：

①柱腹板在梁受壓翼緣的推壓下發生局部失穩，或柱翼緣在梁受拉翼緣的拉力下發生過大的彎曲變形，導致柱腹板處連接焊縫的破壞；

②當節點域存在很大的剪力時，該區域將受剪屈服或失穩而破壞；

3、焊接的極限承載力計算

焊縫的極限強度高於母材的抗拉強度，計算時取其等於母材的抗拉強度最小值；

角焊縫的極限抗剪強度也高於母材的極限抗剪強度，梁腹板連接的角焊縫極限受剪承載力取母板的極限抗剪強度乘角焊縫的有效受剪面積。

4、高強度螺栓連接的極限受剪承載力計算

4鋼結構抗震構造措施

一、鋼框架構造措施

1、框架柱的長細比

2、樑柱板件的寬厚比

如果梁的受壓翼緣寬厚比或腹板的高厚比較大，則在受力過程中它們就會出現局部失穩。板件的局部失穩，降低了構件的承載力。防止板件失穩的有效方法是限制它的寬厚比。

3、樑柱構件的側向支撐應符合下列要求：

(1) 樑柱構件受壓翼緣應根據需要設置側向支撐。

(2) 樑柱構件在出現塑性鉸的截面，上下翼緣均應設置側向支撐。

(3) 相鄰兩側向支撐點間的構件長細比，應符合現行國家標準《鋼結構設計規範》的有關規定。

4、樑柱連接的構造要求

梁與柱的連接宜採用柱貫通型連接方式；

柱在兩個互相垂直的方向都與梁剛接時，宜採用箱形截面。當僅在一個方向剛接時，宜採用工字形截面，並將柱腹板置於剛接框架平面內。

梁與柱的連接應採用剛性連接，也可根據需要採用半剛性連接。

梁與柱的剛性連接，可將梁與柱翼緣在現場直接連接，也可通過預先焊在柱上的梁懸臂段在現場進行梁的拼接。

工字形截面柱(翼緣)和箱形截面柱與梁剛接時，應符合下列要求。如下圖所示，有充分依據時也可採用其他構造形式。

(1) 梁翼緣與柱翼緣間應採用全熔透坡口焊縫；一、二級時，應檢驗V形切口的衝擊韌性，其恰帕衝擊韌性在-20℃時不低於27J。

(2) 柱在梁翼緣對應位置設置橫向加勁肋(隔板)，且加勁肋(隔板)厚度不應小於翼緣厚度，強度與梁翼緣相同。

(3) 梁腹板宜採用摩擦型高強度螺栓通過連接板與柱連接(經工藝試驗合格能確保現場焊接質量時，可用氣體保護焊進行焊接)；腹板角部應設置焊接孔，孔形應使其端部與梁翼緣和柱翼緣間的全焊透坡口焊縫完全隔開。

(4) 當梁翼緣的塑性截面模量小於梁全截麵塑性截面模量的70%時梁腹板與柱的連接螺栓不得小於兩列；當計算僅需一列時，仍應布置兩列，且此時螺栓總數不得小於計算值的1.5倍。

(5) 一級和二級時，宜採用能將塑性鉸自梁端外移的骨形連接。

梁與柱剛性連接時，柱在梁翼緣上下各500mm的節點範圍內，柱翼緣與柱腹板間或箱形柱壁板間的連接焊接縫，應採用全熔透坡口焊接。

框架梁採用懸臂樑段與柱剛性連接時，懸臂樑段與柱應預先採用全焊接連接，此時上下翼緣焊接孔的形式宜相同；梁的現場拼接可採用翼緣焊接腹板螺栓連接，如下圖(a)所示，或全部螺栓連接，如下圖(b)所示。

箱形截面柱在與梁翼緣對應位置設置的隔板，應採用全熔透對接焊縫與壁板相連。工字形截面柱的橫向加勁肋與柱翼緣應採用全熔透對接焊縫連接，與腹板可採用角焊縫連接。

5、節點域補強及節點附近構造措施

當節點域的體積不滿足穩定要求時，應採取加厚節點域或貼焊補強板的措施。

對於焊接組合柱，宜加厚節點板，將柱腹板在節點域範圍更換為較厚板件；

對軋制H型柱，可貼焊補強板加強。補強板的厚度及其焊縫應按傳遞補強板所分擔剪力的要求設計。

6、柱與柱的連接

框架柱接頭距框架樑上方的距離，可取1.3m和柱凈高一半兩者的較小值；

上下柱的對接接頭應採用全熔透焊縫，柱拼接接頭上下各100mm範圍內，

工字形截面柱翼緣與腹板間及箱形截面柱角部壁板間的焊縫，應採用全熔透焊縫。

7、剛接腳柱

鋼結構的柱腳主要有埋入式、外包式和外露式三種。

鋼結構的剛接柱腳宜採用埋入式，也可採用外包式；

6、7度且高度不超過50m時也可採用外露式。

二、鋼框架-中心支撐結構抗震構造措施

1、受拉斜桿布置

當中心支撐採用只能受拉力的斜桿體系時，應同時設置不同傾斜方向的兩組斜桿，且每組中不同方向單斜桿的截面面積與在水平方向的投影面積之差不得大於10%。

2、中心支撐構件長細比、板件寬厚比

(1) 支撐桿件的長細比

支撐桿件的長細比，按壓桿設計時，不應大於

；一、二、三級中心支撐不得採用拉杆設計，四級採用拉杆設計時，其長細比不應大於180。

(2) 支撐桿件板件的寬厚比

板件寬厚比是影響局部屈曲的重要因素，直接影響支撐桿件的承載力和耗能能力。在反覆荷載作用下比單向靜載作用下更容易發生失穩。採用節點板連接時，應注意節點板的強度和穩定。

3、中心支撐節點構造要求

(1) 一、二、三級，支撐宜採用軋制H形鋼製作，兩端與框架可採用剛接構造，樑柱與支撐連接處應設置加勁肋；一級和二級採用焊接工字形截面的支撐時，其翼緣與腹板的連接宜採用全熔透連續焊縫。

(2) 支撐與框架連接處，支撐桿端宜做成圓弧。

(3) 在梁與V形支撐或人字支撐相交處，應設置側向支撐；該支撐點與梁端支撐點間的側向長細比()以及支撐力，應符合國家標準《鋼結構設計規範》關於塑性設計的規定。

(4) 若支撐和框架採用節點板連接，應符合現行國家標準《鋼結構設計規範》關於節點板在連接桿件每側有不小於30°夾角的規定；一、二級時，支撐端部至節點板最近嵌固點(節點板與框架構件連接焊縫的端部)垂直於支撐桿件軸線方向的直線，不應小於節點板厚度的2倍。

4、框架部分的結構抗震措施

框架-中心支撐結構的框架部分，當房屋高度不高於100m且框架部分承擔的地震作用不大於結構底部總地震剪力的25%時，一級、二級的抗震構造措施可按框架結構降低一度的相應要求採用。

三、 鋼框架-偏心支撐結構抗震構造措施

偏心支撐框架消能梁段的鋼材屈服強度不應大於345MPa。消能梁段及與消能梁段同一跨內的非消能梁段，其板件的寬厚比不應大於下表規定的限值。

1、支撐桿件的構造要求

2、消能梁段構造要求

3、側向穩定性要求

（1）消能梁段兩端上下翼緣應設置側向支撐，支撐的軸力設計值不得小於消能梁段翼緣軸向承載力設計值(翼緣寬度、厚度和鋼材抗壓強度設計值的乘積)的6%，即0.06bftff。

（2）偏心支撐框架梁的非消能梁段上下翼緣，應設置側向支撐，支撐的軸力設計值不得小於梁翼緣軸向承載力的2%，即0.02bftff。

4、框架的構造要求

框架-偏心支撐結構的框架部分，當房屋高度不高於l00m且框架部分承擔的地震作用不大於結構底部總地震剪力的25%時，一級、二級的抗震構造措施可按框架結構降低一度的相應要求採用，其他抗震構造措施，應符合上文對框架結構抗震構造措施的規定。

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