钢结构抗震设计详解

钢结构的优点：

钢结构具有优越的强度、韧性或延性、强度重量比，总体上看抗震性能好、抗震能力强。

在地震作用下，钢结构房屋由于钢材的材质均匀，强度易于保证，因而结构的可靠性大；轻质高强的特点，使钢结构房屋的自重轻，从而结构所受的地震作用减小；良好的延性性能，使钢结构具有很大的变形能力，即使在很大的变形下仍不致倒塌，从而保证结构的抗震安全性。

1震害及其分析

1995年日本阪神地震中，钢结构大量出现局部破坏，日本建筑学会对神户988幢钢结构房屋进行了调查。

一、节点破坏

美国北岭地震节点破坏形式有)：

(a)焊缝-柱交界处完全断开；

(b)焊缝-柱交界处部分断开；

(c)沿柱翼缘向上扩展，完全断开；

(d)沿柱翼缘向上扩展，部分断开；

(e)焊趾处梁翼缘裂通；

(f)柱翼缘层状撕裂；

(g)柱翼缘裂通；

(h)裂缝穿过柱翼缘和部分腹板。

日本阪神地震节点破坏形式有：

(a)从工艺孔下方的翼缘断裂；

(b)焊接热影响区母材断裂；

(c)焊缝金属断裂；

(d)由焊接引弧板至热影响区隔板一侧的开裂；

(e)由引弧板到隔板内部的裂缝。

节点破坏原因有：

(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。

节点破坏的典型破坏形式主要表现为：

焊缝断裂、螺栓破坏、铆接断裂、加劲板断裂、屈曲和腹板断裂等

美国在调查的1000多幢中破坏100多幢。破坏的特点是：

Ø梁下翼缘裂缝(见下图a和下图b)占80%~95%，上翼缘裂缝15%~20%； 

Ø裂缝起源于焊缝的占90%~99%，起源于母材的只占1%~10%； 

Ø不少裂缝向柱子扩展，严重的将柱裂穿(见下图c)，有的向梁扩展(见下图d)，有的沿连接螺栓线扩展。

二、构件破坏

3、基础锚固破坏

钢构件与基础的锚固破坏主要表现为柱脚处的地脚螺栓脱开、混凝土破碎导致锚固失效、连接板断裂等，

例如有一幢11层钢筋混凝土结构柱脚的4根地脚螺栓全部断开，柱脚水平移动25cm，但建筑未倒塌。柱脚破坏的主要原因，可能是设计中未预料到地震时柱将产生相当大的拉力，以及地震开始时会出现竖向振动。

2一般要求

一、结构尺度与抗震等级

结构类型的选择关系到结构的安全性、实用性和经济性。可根据结构总体高度和抗震设防烈度确定结构类型和最大使用高度。

钢结构房屋应根据设防分类、烈度和房屋高度采用不同的抗震等级，并应符合相应的计算和构造措施要求。丙类建筑的抗震等级应按下表确定。

二、结构布置与支撑设计要求

Ø采用框架结构时，高层的框架结构以及甲、乙类建筑的多层框架结构，不应采用单跨框架结构，其余多层框架结构不宜采用单跨框架结构。

Ø多层钢结构的结构平面布置、竖向布置应遵守抗震概念设计中结构布置规则性的原则。 

Ø设计中如出现平面不规则或者竖向不规则的情况，应按规范要求进行水平地震作用计算和内力调整，并对薄弱部位采取有效的抗震构造措施，不应采用严重不规则的设计方案。 

Ø由于钢结构可承受的结构变形比混凝土结构大，一般不宜设防震缝。需要设置防震缝时，缝的宽度应不小于相应钢筋混凝土结构房屋的1.5倍。

Ø在选择结构类型时，除考虑结构总高度和高宽比之外，还要根据各结构类型抗震性能的差异及设计需求加以选择。

①一般情况下，不超过50m的钢结构房屋可采用框架结构、框架-支撑结构或其它结构类型；

②超过50m的钢结构房屋，一、二级抗震结构宜采用偏心支撑、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屈曲约束支撑等消能支撑及筒体结构。

多层钢结构一般采用框架结构、框架-支撑结构。

采用框架-支撑结构时，应符合下列规定：

(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50m的钢结构宜采用中心支撑，必要时也可采用偏心支撑、屈曲约束支撑等消能支撑。

(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；支撑的轴线宜交汇于梁柱构件轴线的交点，若偏离交点，其偏心距不应超过支撑杆件宽度，并应计入由此产生的附加弯矩。当中心支撑采用只能受拉的单斜杆体系时，应同时设置不同倾斜方向的两组斜杆，且每组中不同方向单斜杆的截面面积与在水平方向的投影面积之差不得大于10%。

(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。

偏心支撑具有弹性阶段刚度接近中心支撑框架，弹塑性阶段的延性和消能能力接近于延性框架的特点，是一种良好的抗震结构。常用的偏心支撑形式如下图所示。

偏心支撑框架的设计原则：

强柱、强支撑和弱消能梁段，即在大震时消能梁段屈服形成塑性铰，且具有稳定的滞回性能，即使消能梁段进入应变硬化阶段，支撑斜杆、柱和其余梁段仍保持弹性。

钢结构的楼盖设计：

钢结构的楼盖宜采用压型钢板现浇钢筋混凝土组合楼板或钢筋混凝土楼板。

Ø对不超过50m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盖； 

Ø对超过50m的钢结构，必要时可设置水平支撑。

Ø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。 

Ø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，或采取其它保证楼盖整体性的措施。

钢结构房屋的地下室设计：

Ø设置地下室时，框架-支撑结构中竖向布置的支撑应延伸至基础；框架柱应至少延伸至地下一层。支撑在地下室是否改为混凝土抗震墙形式，与是否设计钢筋混凝土结构层有关。 

Ø设置钢筋混凝土结构层时采用混凝土墙段协调。该抗震墙是否由钢支撑外包混凝土构成还是采用混凝土墙，由设计确定。 

Ø设置地下室的钢结构房屋的基础埋置深度，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。

3钢结构房屋抗震设计

一、一般计算原则

Ø确定多高层钢结构房屋的抗震计算模型时，一般可假定楼板在自身平面内为绝对刚性； 

Ø当结构布置规则、质量及刚度沿高度分布均匀、且不计扭转时，可采用平面结构计算模型； 

Ø当结构平面或立面不规则、体型复杂，无法划分平面抗侧力单元的结构，以及为筒体结构时，应采用空间结构计算模型。

钢结构在多遇地震计算时，阻尼比宜按下列规定采用：

(1) 高度不大于50m时，可取0.04；高度大于50m且小于200m时，可取0.03；高度不小于200m时，宜取0.02。

(2) 当偏心支撑框架部分承担的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%时，其阻尼比可比(1)款相应增加0.005。

(3) 在罕遇地震下的弹塑性分析，阻尼比可取0.05。

钢结构在地震作用下的内力和变形分析，应符合下列规定：

(1) 钢结构应计入重力二阶效应。进行二阶效应的弹性分析时，应按现行国家标准《钢结构设计规范》的有关规定，在每层柱顶附加假想水平力。

(2) 对框架梁，可不按柱轴线处的内力而按梁端内力设计。对工字形截面柱，宜计入梁柱节点域剪切变形对结构侧移的影响；对箱形柱框架、中心支撑框架和不超过50m的钢结构，其层间位移计算可不计入梁柱节点域剪切变形的影响，近似按框架轴线进行分析。

(3) 钢框架-支撑结构的斜杆可按端部铰接杆计算；框架部分按刚度分配计算得到的地震层剪力应乘以增大系数，其值不小于1.15且不小于结构总地震剪力的25%和框架部分计算最大层剪力1.8倍的较小值。

(4) 中心支撑框架的斜杆轴线偏离梁柱轴线交点不超过支撑杆件的宽度时，仍可按中心支撑框架分析，但应计及由此产生的附加弯矩。

(5) 偏心支撑框架中，与消能梁段相连构件的内力设计值，应按下列要求调整：

① 支撑斜杆的轴力设计值，应取与支撑斜杆相连接的消能梁段达到受剪承载力时支撑斜杆轴力与增大系数的乘积；其增大系数，一级不应小于1.4，二级不应小于1.3；

② 位于消能梁段同一跨的框架梁内力设计值，应取消能梁段达到受剪承载力时框架梁内力与增大系数的乘积；其增大系数，一级不应小于1.3，二级不应小于1.2；

③ 框架柱的内力设计值，应取消能梁段达到受剪承载力时柱内力与增大系数的乘积；其增大系数，一级不应小于1.3，二级不应小于1.2。

(6) 内藏钢支撑钢筋混凝土墙板和带竖缝钢筋混凝土墙板应按有关规定计算，带竖缝钢筋混凝土墙板可仅承受水平荷载产生的剪力，不承受竖向荷载产生的压力。

(7) 钢结构转换构件下的钢框架柱，地震内力应乘以增大系数，其值可采用1.5。

二、钢框架构件及节点的抗震承载力验算

钢框架构件及节点的抗震承载力验算，应符合下列规定：

(1) 除下列情况之一外，节点左右梁端和上下柱端的全塑性承载力应符合下式要求：

① 柱所在楼层的受剪承载力比相邻上一层的受剪承载力高出25%；

② 柱轴压比不超过0.4；

③ 柱轴力符合时(为地震作用加倍时的柱地震组合轴力设计值)；

④ 与支撑斜杆相连的节点。

(2) 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。

(3) 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下式的要求：

三、框架钢梁

1、抗弯强度验算

2、抗剪强度验算

3、整体稳定验算

为了避免构件的侧向扭转失稳，除了按一般要求设置侧向支撑外，尚应在塑性铰处设侧向支撑。

《建筑抗震设计规范》提出，梁柱构件在出现塑性铰的截面处，其上下翼缘均应设置侧向支撑。由于地震方向的改变，塑性弯矩的方向也在改变。相邻支撑点间的构件长细比应符合《钢结构设计规范》关于塑性设计的有关规定。

四、钢柱

1、截面强度验算

2、平面内整体稳定验算

3、平面外整体稳定验算

钢柱在轴压比较大时，在反复荷载下强度的折减十分显著，与钢梁的设计相似，在柱可能出现塑性铰的区域内，板件的宽厚比及侧向支承的间距应加以限制。为了保证塑性铰的转动能力，在塑性铰区域内，应按下表来确定板件宽厚比的限值。

五、中心支撑

人字支撑和V形支撑的横梁在支撑连接处应保持连续，该横梁应承受支撑斜杆传来的内力，并按不计入支撑支点作用的梁验算重力荷载和支撑屈曲时不平衡力下的承载力。不平衡力应按受拉支撑的最小屈服承载力和受压支撑最大屈曲承载力的0.3倍计算。必要时，可将人字和V 形支撑沿竖向交替设置或采用拉链柱，以减小支撑横梁的截面。

六、偏心支

u消能梁段的腹板上应设置加劲肋，以防止腹板过早屈曲，使腹板充分发挥抗剪作用，同时减少由于腹板反复屈曲变形而引起的刚度退化。 

u加劲肋应在支撑斜杆连接处的腹板两侧配置，中间加劲肋的间距对于剪切屈服型梁段不得超过30tw-h0/5(为腹板厚度，为腹板计算高度)。

2、支撑斜杆及框架梁、柱设计

在确定支撑轴力设计值时，考虑到耗能梁段上的加劲肋将会提高梁段的极限抗剪强度，为了保证梁段进入非弹性变形阶段而支撑不屈曲，支撑的设计抗轴压能力应大于耗能梁段达屈服强度时支撑轴力，《建筑抗震设计规范》规定，这一增大系数在8度及以下时应不小于1.4，9度时应不小于1.5。

同理，为了使偏心支撑框架仅在消能梁段屈服而非消能梁段及柱保持弹性，梁柱内力的增大系数在8度及以下时应不小于1.5，9度时应不小于1.6。

七、梁与柱的连接

1、梁柱连接强度验算

梁与柱连接时应使梁能充分发挥其强度与延性。当确定梁的抗弯抗剪能力时：

①应考虑钢材强度的变异，即考虑其实际强度可能超过设计强度；

②应考虑应变硬化的影响分别增强20%及30%。

2、节点域强度验算

梁柱节点域的破坏形式有：

①柱腹板在梁受压翼缘的推压下发生局部失稳，或柱翼缘在梁受拉翼缘的拉力下发生过大的弯曲变形，导致柱腹板处连接焊缝的破坏；

②当节点域存在很大的剪力时，该区域将受剪屈服或失稳而破坏；

3、焊接的极限承载力计算

Ø焊缝的极限强度高于母材的抗拉强度，计算时取其等于母材的抗拉强度最小值；

Ø角焊缝的极限抗剪强度也高于母材的极限抗剪强度，梁腹板连接的角焊缝极限受剪承载力取母板的极限抗剪强度乘角焊缝的有效受剪面积。

4、高强度螺栓连接的极限受剪承载力计算

4钢结构抗震构造措施

一、钢框架构造措施

1、框架柱的长细比

2、梁柱板件的宽厚比

如果梁的受压翼缘宽厚比或腹板的高厚比较大，则在受力过程中它们就会出现局部失稳。板件的局部失稳，降低了构件的承载力。防止板件失稳的有效方法是限制它的宽厚比。

3、梁柱构件的侧向支撑应符合下列要求：

(1) 梁柱构件受压翼缘应根据需要设置侧向支撑。

(2) 梁柱构件在出现塑性铰的截面，上下翼缘均应设置侧向支撑。

(3) 相邻两侧向支撑点间的构件长细比，应符合现行国家标准《钢结构设计规范》的有关规定。

4、梁柱连接的构造要求

Ø梁与柱的连接宜采用柱贯通型连接方式；

Ø柱在两个互相垂直的方向都与梁刚接时，宜采用箱形截面。当仅在一个方向刚接时，宜采用工字形截面，并将柱腹板置于刚接框架平面内。 

Ø梁与柱的连接应采用刚性连接，也可根据需要采用半刚性连接。

Ø梁与柱的刚性连接，可将梁与柱翼缘在现场直接连接，也可通过预先焊在柱上的梁悬臂段在现场进行梁的拼接。

Ø工字形截面柱(翼缘)和箱形截面柱与梁刚接时，应符合下列要求。如下图所示，有充分依据时也可采用其他构造形式。

(1) 梁翼缘与柱翼缘间应采用全熔透坡口焊缝；一、二级时，应检验V形切口的冲击韧性，其恰帕冲击韧性在-20℃时不低于27J。

(2) 柱在梁翼缘对应位置设置横向加劲肋(隔板)，且加劲肋(隔板)厚度不应小于翼缘厚度，强度与梁翼缘相同。

(3) 梁腹板宜采用摩擦型高强度螺栓通过连接板与柱连接(经工艺试验合格能确保现场焊接质量时，可用气体保护焊进行焊接)；腹板角部应设置焊接孔，孔形应使其端部与梁翼缘和柱翼缘间的全焊透坡口焊缝完全隔开。

(4) 当梁翼缘的塑性截面模量小于梁全截面塑性截面模量的70%时梁腹板与柱的连接螺栓不得小于两列；当计算仅需一列时，仍应布置两列，且此时螺栓总数不得小于计算值的1.5倍。

(5) 一级和二级时，宜采用能将塑性铰自梁端外移的骨形连接。

Ø梁与柱刚性连接时，柱在梁翼缘上下各500mm的节点范围内，柱翼缘与柱腹板间或箱形柱壁板间的连接焊接缝，应采用全熔透坡口焊接。

Ø框架梁采用悬臂梁段与柱刚性连接时，悬臂梁段与柱应预先采用全焊接连接，此时上下翼缘焊接孔的形式宜相同；梁的现场拼接可采用翼缘焊接腹板螺栓连接，如下图(a)所示，或全部螺栓连接，如下图(b)所示。

Ø箱形截面柱在与梁翼缘对应位置设置的隔板，应采用全熔透对接焊缝与壁板相连。工字形截面柱的横向加劲肋与柱翼缘应采用全熔透对接焊缝连接，与腹板可采用角焊缝连接。

5、节点域补强及节点附近构造措施

Ø当节点域的体积不满足稳定要求时，应采取加厚节点域或贴焊补强板的措施。 

Ø对于焊接组合柱，宜加厚节点板，将柱腹板在节点域范围更换为较厚板件；

Ø对轧制H型柱，可贴焊补强板加强。补强板的厚度及其焊缝应按传递补强板所分担剪力的要求设计。

6、柱与柱的连接

Ø框架柱接头距框架梁上方的距离，可取1.3m和柱净高一半两者的较小值； 

Ø上下柱的对接接头应采用全熔透焊缝，柱拼接接头上下各100mm范围内， 

Ø工字形截面柱翼缘与腹板间及箱形截面柱角部壁板间的焊缝，应采用全熔透焊缝。

7、刚接脚柱

Ø钢结构的柱脚主要有埋入式、外包式和外露式三种。 

Ø钢结构的刚接柱脚宜采用埋入式，也可采用外包式； 

Ø6、7度且高度不超过50m时也可采用外露式。

二、钢框架-中心支撑结构抗震构造措施

1、受拉斜杆布置

当中心支撑采用只能受拉力的斜杆体系时，应同时设置不同倾斜方向的两组斜杆，且每组中不同方向单斜杆的截面面积与在水平方向的投影面积之差不得大于10%。

2、中心支撑构件长细比、板件宽厚比

(1) 支撑杆件的长细比

支撑杆件的长细比，按压杆设计时，不应大于

；一、二、三级中心支撑不得采用拉杆设计，四级采用拉杆设计时，其长细比不应大于180。

(2) 支撑杆件板件的宽厚比

板件宽厚比是影响局部屈曲的重要因素，直接影响支撑杆件的承载力和耗能能力。在反复荷载作用下比单向静载作用下更容易发生失稳。采用节点板连接时，应注意节点板的强度和稳定。

3、中心支撑节点构造要求

(1) 一、二、三级，支撑宜采用轧制H形钢制作，两端与框架可采用刚接构造，梁柱与支撑连接处应设置加劲肋；一级和二级采用焊接工字形截面的支撑时，其翼缘与腹板的连接宜采用全熔透连续焊缝。

(2) 支撑与框架连接处，支撑杆端宜做成圆弧。

(3) 在梁与V形支撑或人字支撑相交处，应设置侧向支撑；该支撑点与梁端支撑点间的侧向长细比()以及支撑力，应符合国家标准《钢结构设计规范》关于塑性设计的规定。

(4) 若支撑和框架采用节点板连接，应符合现行国家标准《钢结构设计规范》关于节点板在连接杆件每侧有不小于30°夹角的规定；一、二级时，支撑端部至节点板最近嵌固点(节点板与框架构件连接焊缝的端部)垂直于支撑杆件轴线方向的直线，不应小于节点板厚度的2倍。

4、框架部分的结构抗震措施

框架-中心支撑结构的框架部分，当房屋高度不高于100m且框架部分承担的地震作用不大于结构底部总地震剪力的25%时，一级、二级的抗震构造措施可按框架结构降低一度的相应要求采用。

三、 钢框架-偏心支撑结构抗震构造措施

偏心支撑框架消能梁段的钢材屈服强度不应大于345MPa。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规定的限值。

1、支撑杆件的构造要求

2、消能梁段构造要求

3、侧向稳定性要求

（1）消能梁段两端上下翼缘应设置侧向支撑，支撑的轴力设计值不得小于消能梁段翼缘轴向承载力设计值(翼缘宽度、厚度和钢材抗压强度设计值的乘积)的6%，即0.06bftff。

（2）偏心支撑框架梁的非消能梁段上下翼缘，应设置侧向支撑，支撑的轴力设计值不得小于梁翼缘轴向承载力的2%，即0.02bftff。

4、框架的构造要求

框架-偏心支撑结构的框架部分，当房屋高度不高于l00m且框架部分承担的地震作用不大于结构底部总地震剪力的25%时，一级、二级的抗震构造措施可按框架结构降低一度的相应要求采用，其他抗震构造措施，应符合上文对框架结构抗震构造措施的规定。