建筑结构抗震第六章.ppt
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建筑结构抗震第六章.ppt
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第六章多高层建筑钢结构抗震设计专业必修课专业必修课专业必修课专业必修课ZK506002ZK506002ZK506002ZK506002建筑工程系课程建筑工程系课程建筑工程系课程建筑工程系课程2016201620162016年年年年02020202月月月月24242424日日日日主讲主讲主讲主讲:
张张张张毅毅毅毅教授教授教授教授o6.1多高层钢结构的主要震害特征多高层钢结构的主要震害特征o6.2多高层钢结构的选型与结构布置多高层钢结构的选型与结构布置o6.3多高层钢结构的抗震概念设计多高层钢结构的抗震概念设计o6.4多高层钢结构的抗震计算要求多高层钢结构的抗震计算要求o6.5多高层钢结构抗震构造要求多高层钢结构抗震构造要求主要内容66.11多高层钢结构的主要震害特征多高层钢结构的主要震害特征强度高、延性好、重量轻、抗震性能好强度高、延性好、重量轻、抗震性能好钢结构特性:
钢结构特性:
总体来说,在同等场地、烈度条件下,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震害举例及比较19851985年墨西哥城地震中钢结构和钢筋混凝土结构的破坏情况年墨西哥城地震中钢结构和钢筋混凝土结构的破坏情况建造年份建造年份钢结构构钢筋混凝土筋混凝土结构构倒塌倒塌严重重破坏破坏倒塌倒塌严重重破坏破坏1957年以前年以前71271619571976年年3151231976年以后年以后0046多高层钢结构在地震中的破坏形式有三种多高层钢结构在地震中的破坏形式有三种节点连接破坏节点连接破坏;构件破坏构件破坏;结构倒塌结构倒塌一、一、节点连接破坏节点连接破坏1.1.支撑连接破坏支撑连接破坏图图圆钢支撑连接的破坏圆钢支撑连接的破坏图图角钢支撑连接的破坏角钢支撑连接的破坏2.2.梁柱连接破坏梁柱连接破坏图图美国美国NorthridgeNorthridge地震地震日本阪神地震日本阪神地震19781978年日本宫城县远海地震(里氏年日本宫城县远海地震(里氏7.47.4级)级)19781978年日本宫城县远海地震年日本宫城县远海地震钢结构建筑钢结构建筑破坏类型统计破坏类型统计结构构数数量量破破坏坏类型型破破坏坏等等级*统计总数数百分比百分比(%)过度弯曲度弯曲柱柱22117.4梁梁1梁、柱局部梁、柱局部屈曲屈曲2112连接破坏接破坏支撑支撑连接接613256311980.4梁柱梁柱连接接21柱脚柱脚连接接421其它其它连接接11基基础失效失效不均匀沉降不均匀沉降24121812.2总计8233483148100支撑连接更易遭受地震破坏支撑连接更易遭受地震破坏级:
支撑连接出现裂级:
支撑连接出现裂纹,但没有不可纹,但没有不可恢复的屈曲变形恢复的屈曲变形级:
出现小于级:
出现小于1/301/30层高的永久层高的永久层间变形层间变形级:
出现大于级:
出现大于1/301/30层高的永久层高的永久层间变形层间变形级:
倒塌或无法级:
倒塌或无法继续使用继续使用震害调查发现,梁柱连接的破坏大多数发生在梁的震害调查发现,梁柱连接的破坏大多数发生在梁的下翼缘下翼缘处,处,而上翼缘的破坏要少得多而上翼缘的破坏要少得多可能的原因:
可能的原因:
1.1.楼板与梁共同变形导致下翼缘应力增大楼板与梁共同变形导致下翼缘应力增大2.2.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震后观察到的在梁柱焊缝连接处的失效模式1.1.美国美国NorthridgeNorthridge地震地震2.2.日本阪神地震日本阪神地震模式模式11翼缘断裂翼缘断裂模式模式22,33热影响区断裂热影响区断裂模式模式44横膈板断裂横膈板断裂梁柱刚性连接裂缝或断裂破坏的原因(梁柱刚性连接裂缝或断裂破坏的原因(44点):
点):
1.1.焊缝缺陷焊缝缺陷2.2.三轴应力三轴应力这些缺陷将成为裂缝开展直至断裂的起源这些缺陷将成为裂缝开展直至断裂的起源梁柱连接的焊缝变形由于受到梁和柱约束,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,使材料变脆施焊后焊缝残存三轴拉应力,使材料变脆如裂纹、欠焊、夹渣和气孔等如裂纹、欠焊、夹渣和气孔等3.3.构造缺陷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形成一条“人工人工”裂缝,成为连接裂缝发展的起源。
裂缝,成为连接裂缝发展的起源。
4.4.焊缝金属冲击韧性焊缝金属冲击韧性低的冲击韧性使低的冲击韧性使得连接很易产生脆性得连接很易产生脆性破坏,成为引发节点破坏,成为引发节点破坏的重要因素破坏的重要因素图图“人工人工”裂缝裂缝二、二、构件破坏构件破坏多高层建筑钢结构构件破坏的主要形式有多高层建筑钢结构构件破坏的主要形式有1.1.支撑压屈支撑压屈支撑在地震中所受的压力超过其屈支撑在地震中所受的压力超过其屈曲临界力时,即曲临界力时,即压屈破坏压屈破坏梁或柱在地震作用下反复受弯,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可能发生翼缘局部失稳破坏2.2.梁柱局部失梁柱局部失稳稳支撑压曲支撑压曲梁柱局部失稳梁柱局部失稳母材的断裂母材的断裂支撑处的断裂支撑处的断裂77根钢柱在与支撑连接处断裂,根钢柱在与支撑连接处断裂,3737根钢柱在拼接焊缝处断裂根钢柱在拼接焊缝处断裂位于阪神地震区芦屋市海滨城的位于阪神地震区芦屋市海滨城的5252栋高层钢结构住栋高层钢结构住其中其中1313根钢柱为母材断裂,根钢柱为母材断裂,3.3.柱水平裂缝或断裂破坏柱水平裂缝或断裂破坏19951995年日本阪神地震年日本阪神地震宅,有宅,有5757根钢柱发生断裂,根钢柱发生断裂,建造建造年份年份严重破重破坏或倒坏或倒塌塌中等中等破坏破坏轻微微破坏破坏完完好好19711971年年以前以前550022001971-1971-19821982年年0000335519821982年年以后以后0000117719951995年日本阪神地震中年日本阪神地震中ChouWardChouWard地震钢结构房屋震害情况地震钢结构房屋震害情况钢结构房屋在地震中钢结构房屋在地震中严重破坏或倒塌严重破坏或倒塌与与结构抗震设计水平结构抗震设计水平关系很大关系很大19711971年,日本钢结构设计规范修订;年,日本钢结构设计规范修订;19821982年,日本建筑标准法实施年,日本建筑标准法实施返回目录返回目录三、结构倒塌三、结构倒塌结构倒塌结构倒塌是地震中结构破坏是地震中结构破坏最严重最严重的形式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。
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。
66.22多高层钢结构的选型与结构布置多高层钢结构的选型与结构布置一、结构选型一、结构选型在结构选型上,多层和高层钢结构无严格界限在结构选型上,多层和高层钢结构无严格界限将超过将超过1212层的建筑归为层的建筑归为高层高层钢结构建筑钢结构建筑为区分结构的重要性对结构抗震构造措施的要求不同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(我国建筑抗震设计规范(GB50011GB5001120012001)规定:
规定:
将不超过将不超过1212层的建筑归为层的建筑归为多层多层钢结构建筑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:
有抗震要求的多高层建筑钢结构可采用以下结构体系:
1.1.纯框架结构纯框架结构延性好,但抗侧力刚度较差延性好,但抗侧力刚度较差2.2.框架框架中心支撑结构体系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,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支撑屈曲将导致原结构承载力降低3.3.框架框架偏心支撑结构体系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纯框架和中心支撑框架之间4.4.框筒结构体系框筒结构体系(22)框架结构的梁柱节点宜采用刚接框架结构的梁柱节点宜采用刚接(11)实际上是密柱框架结构)实际上是密柱框架结构(33)由于梁跨小,刚度大,使周圈柱)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近似构成一个整体受弯的薄壁筒体(44)具有较大的抗侧刚度和承载力)具有较大的抗侧刚度和承载力因而框筒结构多用于因而框筒结构多用于高层建筑高层建筑各种钢结构体系建筑的适用高度各种钢结构体系建筑的适用高度结构构体体系系设防防烈烈度度66、778899框框架架11011090905050框架框架支撑(剪力支撑(剪力墙板)板)220220200200140140筒体(框筒、筒中筒、束筒体(框筒、筒中筒、束筒)和巨型框架筒)和巨型框架300300260260180180适用的钢结构房屋最大高度(适用的钢结构房屋最大高度(mm)各种钢结构体系建筑的适用各种钢结构体系建筑的适用高宽比高宽比适用的钢结构房屋最大高宽比适用的钢结构房屋最大高宽比烈烈度度66、778899最大高最大高宽比比6.56.56.06.05.55.5二、结构平面布置二、结构平面布置多高层钢结构的平面布置应尽量满足下列要求:
多高层钢结构的平面布置应尽量满足下列要求:
1.1.建筑平面宜简单规则,并使结构各层的抗侧力刚度中心建筑平面宜简单规则,并使结构各层的抗侧力刚度中心与质量中心接近或重合,同时各层刚心与质心接近在同与质量中心接近或重合,同时各层刚心与质心接近在同一竖直线上一竖直线上L,l,l,B的限值的限值L/BL/Bmaxl/bl/BmaxB/Bmax541.510.52.2.建筑的开间、进深宜统一,其常用平面的尺寸关系应建筑的开间、进深宜统一,其常用平面的尺寸关系应符合下表和图的要求符合下表和图的要求3.3.宜避免结构平面不规则布置宜避免结构平面不规则布置如在平面布置上具有下列情况之一者,为平面不规则结构:
如在平面布置上具有下列情况之一者,为平面不规则结构:
1)1)任意层的偏心率大于任意层的偏心率大于0.150.15应计算结构扭转影响应计算结构扭转影响偏心率可按下列公式计算:
偏心率可按下列公式计算:
所计算楼层在所计算楼层在xx和和yy方向的偏心率方向的偏心率:
结构结构xx方向的弹性半径方向的弹性半径结构结构yy方向的弹性半径方向的弹性半径、分分别为x和和y方向楼方向楼层质心到心到结构构刚心的距离心的距离、分分别为所所计算楼算楼层各各抗抗侧力构件在力构件在x和和y方向方向的的侧向向刚度之和度之和其中:
其中:
其中:
其中:
2)2)结构平面形状有凹角结构平面形状有凹角3)3)楼面不连续或刚度突变楼面不连续或刚度突变4)4)抗水平力构件既不平行于又不对称于抗侧力体系的抗水平力构件既不平行于又不对称于抗侧力体系的两个互相垂直的主轴两个互相垂直的主轴应在凹角出采用加强措施应在凹角出采用加强措施应采用相应的计算模型应采用相应的计算模型应计算结构扭转影响应计算结构扭转影响凹角凹角的伸出部分在一个方向的长度,超过该方向建筑总尺寸的的伸出部分在一个方向的长度,超过该方向建筑总尺寸的25%25%包括开洞面积超过该层楼面面积的包括开洞面积超过该层楼面面积的50%50%4.4.高层建筑钢结构不宜设置防震缝,但薄
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