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17，鋼結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計17，1 一般規(guī)定。近年來.隨著國家經(jīng)濟形勢的變化.鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用急劇增加，結(jié)構(gòu)形式日益豐富.不同結(jié)構(gòu)體系和截面特性的鋼結(jié)構(gòu)，彼此間結(jié)構(gòu)延性差異較大，為貫徹國家提出的，鼓勵用鋼、合理用鋼,的經(jīng)濟政策，根據(jù)現(xiàn)行國家標準。建筑抗震設(shè)計規(guī)范 GB。50011及，構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范,GB.50191規(guī)定的抗震設(shè)計原則、針對鋼結(jié)構(gòu)特點。增加了鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點的抗震性能化設(shè)計內(nèi)容，根據(jù)性能化設(shè)計的鋼結(jié)構(gòu)，其抗震設(shè)計準則如下，驗算本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的多遇地震作用的構(gòu)件承載力和結(jié)構(gòu)彈性變形，小震不壞 根據(jù)其延性驗算設(shè)防地震作用的承載力 中震可修，驗算其罕遇地震作用的彈塑性變形。大震不倒.本章所有規(guī)定均針對結(jié)構(gòu)體系中承受地震作用的結(jié)構(gòu)部分.雖然結(jié)構(gòu)真正的設(shè)防目標為設(shè)防地震 但由于結(jié)構(gòu)具有一定的延性 因此無需采用中震彈性的設(shè)計。在滿足一定強度要求的前提下，讓結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震強度最強的時段到來之前，結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件先行屈服、削減剛度,增大結(jié)構(gòu)的周期.使結(jié)構(gòu)的周期與地震波強度最大時段的特征周期避開 從而使結(jié)構(gòu)對地震具有一定程度的免疫功能 這種利用某些構(gòu)件的塑性變形削減地震輸入的抗震設(shè)計方法可降低假想彈性結(jié)構(gòu)的受震承載力要求，基于這樣的觀點。結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計均允許結(jié)構(gòu)在地震過程中發(fā)生一定程度的塑性變形，但塑性變形必須控制在對結(jié)構(gòu)整體危害較小的部位.如梁端形成塑性鉸是可以接受的。因為軸力較小、塑性轉(zhuǎn)動能力很強。能夠適應(yīng)較大的塑性變形，因此結(jié)構(gòu)的延性較好，而當柱子截面內(nèi)出現(xiàn)塑性變形時、其后果就不易預(yù)料、因為柱子內(nèi)出現(xiàn)塑性鉸后.需要抵抗隨后伴隨側(cè)移增加而出現(xiàn)的新增彎矩、而柱子內(nèi)的軸力由豎向重力荷載產(chǎn)生的部分無法卸載,這樣結(jié)構(gòu)整體內(nèi)將會發(fā)生較難把握的內(nèi)力重分配,因此抗震設(shè)防的鋼結(jié)構(gòu)除應(yīng)滿足基本性能目標的承載力要求外.尚應(yīng)采用能力設(shè)計法進行塑性機構(gòu)控制、無法達成預(yù)想的破壞機構(gòu)時。應(yīng)采取補償措施、另外，對于很多結(jié)構(gòu)。地震作用并不是結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要控制因素,其構(gòu)件實際具有的受震承載力很高 因此抗震構(gòu)造可適當降低 從而降低能耗 節(jié)省造價,眾所周知,抗震設(shè)計的本質(zhì)是控制地震施加給建筑物的能量 彈性變形與塑性變形，延性.均可消耗能量，在能量輸入相同的條件下.結(jié)構(gòu)延性越好、彈性承載力要求越低、反之 結(jié)構(gòu)延性差。則彈性承載力要求高,本標準簡稱為 高延性,低承載力,和.低延性 高承載力 兩種抗震設(shè)計思路、均可達成大致相同的設(shè)防目標 結(jié)構(gòu)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的延性等級確定對應(yīng)的地震作用的設(shè)計方法。本標準稱為。性能化設(shè)計方法,采用低延性。高承載力思路設(shè)計的鋼結(jié)構(gòu)、在本標準中特指在規(guī)定的設(shè)防類別下延性要求最低的鋼結(jié)構(gòu) 17、1 1，我國是一個多地震國家、性能化設(shè)計的適用面廣，只要提出合適的性能目標。基本可適用于所有的結(jié)構(gòu)，由于目前相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗不多、本章的適用范圍暫時壓縮在較小的范圍內(nèi)。在有可靠的設(shè)計經(jīng)驗和理論依據(jù)后、適用范圍可放寬，由于現(xiàn)行國家標準 構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范、GB。50191的抗震設(shè)計原則與現(xiàn)行國家標準。建筑抗震設(shè)計規(guī)范 GB 50011。致 因此本章既適用于建筑物.又適用于構(gòu)筑物 結(jié)構(gòu)遵循現(xiàn)有抗震規(guī)范的規(guī)定,采用的也是某種性能化設(shè)計的手段.不同點僅在于地震作用按小震設(shè)計意味著延性僅有一種選擇 由于設(shè)計條件及要求的多樣化。實際工程按照某類特定延性的要求實施。有時將導(dǎo)致設(shè)計不合理,甚至難以實現(xiàn),大部分鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件由薄壁板件構(gòu)成.因此針對結(jié)構(gòu)體系的多樣性及其不同的設(shè)防要求、采用合理的抗震設(shè)計思路才能在保證抗震設(shè)防目標的前提下減少結(jié)構(gòu)的用鋼量 如雖然大部分多高層鋼結(jié)構(gòu)適合采用高延性.低承載力設(shè)計思路、但對于多層鋼框架結(jié)構(gòu).在低烈度區(qū).采用低延性、高承載力的抗震思路可能更為合理。單層工業(yè)廠房也更適合采用低延性,高承載力的抗震思路.本章可為工程師的選擇提供依據(jù) 滿足本章規(guī)定的鋼結(jié)構(gòu)無需滿足現(xiàn)行國家標準.建筑抗震設(shè)計規(guī)范,GB 50011及，構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范,GB,50191中針對特定結(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求和規(guī)定,應(yīng)用本章規(guī)定時尚應(yīng)根據(jù)各類建筑的實際情況選擇合適的抗震策略.如高烈度區(qū)民用高層建筑不應(yīng)采用低延性結(jié)構(gòu)、17。1，2 本章條文主要針對標準設(shè)防類鋼結(jié)構(gòu)，本標準采用延性等級反映構(gòu)件延性。承載性能等級反映構(gòu)件承載力,延性等級和承載性能等級的合理匹配實現(xiàn)、高延性。低承載力.低延性，高承載力,的設(shè)計思路。對于不同設(shè)防類別的設(shè)防標準，本標準按現(xiàn)行國家標準,建筑工程抗震設(shè)防分類標準，GB、50223規(guī)定的原則 在其他要求一致的情況下。相對于標準設(shè)防類鋼結(jié)構(gòu)。重點設(shè)防類鋼結(jié)構(gòu)擬采用承載性能等級保持不變、延性等級提高一級或延性等級保持不變，承載性能等級提高一級的設(shè)計手法、特殊設(shè)防類鋼結(jié)構(gòu)采用承載性能等級保持不變 延性等級提高兩級或延性等級保持不變、承載性能等級提高兩級的設(shè)計手法 在延性等級保持不變的情況下 重點設(shè)防類鋼結(jié)構(gòu)承載力約提高25、特殊設(shè)防類鋼結(jié)構(gòu)承載力約提高55,17,1、3。本條為現(xiàn)行國家標準。建筑抗震設(shè)計規(guī)范.GB。50011性能化設(shè)計指標要求的具體化，本章鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計思路是進行塑性機構(gòu)控制。由于非塑性耗能區(qū)構(gòu)件和節(jié)點的承載力設(shè)計要求取決于結(jié)構(gòu)體系及構(gòu)件塑性耗能區(qū)的性能,因此本條僅規(guī)定了構(gòu)件塑性耗能區(qū)的抗震性能目標,對于框架結(jié)構(gòu)，除單層和頂層框架外，塑性耗能區(qū)宜為框架梁端 對于支撐結(jié)構(gòu)，塑性耗能區(qū)宜為成對設(shè)置的支撐、對于框架.中心支撐結(jié)構(gòu)，塑性耗能區(qū)宜為成對設(shè)置的支撐、框架梁端,對于框架,偏心支撐結(jié)構(gòu).塑性耗能區(qū)宜為耗能梁段、框架梁端,完好指承載力設(shè)計值滿足彈性計算內(nèi)力設(shè)計值的要求、基本完好指承載力設(shè)計值滿足剛度適當折減后的內(nèi)力設(shè)計值要求或承載力標準值滿足要求、輕微變形指層間側(cè)移約1、200時塑性耗能區(qū)的變形。顯著變形指層間側(cè)移為1.50.1,40時塑性耗能區(qū)的變形.多遇地震不壞，即允許耗能構(gòu)件的損壞處于日常維修范圍內(nèi)。此時可采用耗能構(gòu)件剛度適當折減的計算模型進行彈性分析并滿足承載力設(shè)計值的要求.故稱之為,基本完好、17。1 4.為引導(dǎo)合理設(shè)計,避免不必要的抗震構(gòu)造、本條對標準設(shè)防類的建筑根據(jù)設(shè)防烈度和結(jié)構(gòu)高度提出了構(gòu)件塑性耗能區(qū)不同的抗震性能要求范圍,由于地震的復(fù)雜性.表17 1 4、1僅作為參考 不需嚴格執(zhí)行,抗震設(shè)計僅是利用有限的財力 使地震造成的損失控制在合理的范圍內(nèi)，設(shè)計者應(yīng)根據(jù)國家制定的安全度標準。權(quán)衡承載力和延性。采用合理的承載性能等級、需要特別指出的是本條第1款、結(jié)構(gòu)滿足多遇地震下承載力要求.并不是要求結(jié)構(gòu)所有構(gòu)件滿足小震承載力設(shè)計要求，比如偏心支撐的耗能梁段在多遇地震作用下即可進入塑性狀態(tài).另外，進行小震計算時，僅塑性耗能區(qū)屈服的結(jié)構(gòu)可考慮剛度折減、實際上按照本章通過能力設(shè)計后,滿足設(shè)防地震作用下考慮性能系數(shù)的承載力要求后、在多遇地震作用下、除塑性耗能區(qū)外 通常其余構(gòu)件與節(jié)點可處于彈性狀態(tài)并滿足設(shè)計承載力要求，因此側(cè)移限值要求和現(xiàn)行國家標準,建筑抗震設(shè)計規(guī)范。GB。50011一致即能保證當遭受低于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的多遇地震影響時，主體結(jié)構(gòu)不受損壞或不需修理可繼續(xù)使用,鋼結(jié)構(gòu)的性能化抗震設(shè)計可通過以下四個方面實現(xiàn)。1，根據(jù)結(jié)構(gòu)要求的不同,選用不同的性能系數(shù) 見表17，2，2。1。一般來說 由于地震作用的不確定性,對于結(jié)構(gòu)來說 延性比承載力更為重要。因此、對于多高層民用鋼結(jié)構(gòu)。首先必須保證必要的延性 一般應(yīng)采用高延性，低承載力的設(shè)計思路.而對于工業(yè)建筑.為降低造價,宜采用低延性、高承載力的設(shè)計思路,2、按高延性.低承載力思路進行的設(shè)計 采用下列措施進行延性開展機構(gòu)的控制,1 采用能力設(shè)計法，進行塑性開展機構(gòu)的控制.2，引入非塑性耗能區(qū)內(nèi)力調(diào)整系數(shù) 引導(dǎo)構(gòu)件相對強弱符合延性開展的要求.3、引入相鄰構(gòu)件材料相對強弱系數(shù).確保延性開展機構(gòu)的實現(xiàn) 3,根據(jù)不同的性能要求、采用不同的抗震構(gòu)造,4 通過對承載力和延性間權(quán)衡，使得結(jié)構(gòu)在相同的安全度下。更具經(jīng)濟性。為避免結(jié)構(gòu)在罕遇地震下倒塌，除單層鋼結(jié)構(gòu)外.當結(jié)構(gòu)延性較差時，宜提高側(cè)移要求、即層間位移角限值要求適當加嚴 本條表17,1.4,2為實現(xiàn)高延性,低承載力.低延性.高承載力設(shè)計思路的具體規(guī)定,不同結(jié)構(gòu)對不同樓層的延性需求均不相同.在大多數(shù)情況下,結(jié)構(gòu)底層是所有樓層延性需求最高的部分.為簡化設(shè)計 整個結(jié)構(gòu)可采用相同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件延性等級來保證滿足延性需求,當不同樓層的實際性能系數(shù)明顯不同時 各樓層也可采用不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件延性等級，當按本標準進行性能化設(shè)計 采用低延性.高承載力設(shè)計思路時 無須進行機構(gòu)控制驗算,本標準第17，2。4條.第17、2,12條為機構(gòu)控制驗算的具體規(guī)定,但當性能系數(shù)小于1時。支撐系統(tǒng)構(gòu)件尚應(yīng)考慮壓桿屈曲和卸載的影響.17。1、5，本條為性能化設(shè)計的基本原則.本標準第17,2節(jié)及第17,3節(jié)為這些原則的具體化,塑性耗能區(qū)性能系數(shù)取值最低,關(guān)鍵構(gòu)件和節(jié)點取值較高 關(guān)鍵構(gòu)件和節(jié)點可按下列原則確定、1.通過增加其承載力保證結(jié)構(gòu)預(yù)定傳力途徑的構(gòu)件和節(jié)點。2。關(guān)鍵傳力部位 3.薄弱部位,柱腳、多高層鋼結(jié)構(gòu)中低于1.3總高度的框架柱 伸臂結(jié)構(gòu)豎向桁架的立柱 水平伸臂與豎向桁架交匯區(qū)桿件 直接傳遞轉(zhuǎn)換構(gòu)件內(nèi)力的抗震構(gòu)件等都應(yīng)按關(guān)鍵構(gòu)件處理 關(guān)鍵構(gòu)件和節(jié)點的性能系數(shù)不宜小于0。55、采用低延性.高承載力設(shè)計思路時.本條要求可適當放寬 17.1，6。本條是對有抗震設(shè)防要求的鋼結(jié)構(gòu)的材料要求，1,良好的可焊性和合格的沖擊韌性是抗震結(jié)構(gòu)的基本要求 本款規(guī)定了彈性區(qū)鋼材在不同的工作溫度下相應(yīng)的質(zhì)量等級要求 基本與需驗算疲勞的非焊接結(jié)構(gòu)的性能相當，彈性區(qū)在強烈地震作用下仍處于彈性設(shè)計階段，因此可適當降低對材料屈強比要求。一般來說，屈強比不應(yīng)高于0，9 但此時應(yīng)采取可靠措施保證其處于彈性狀態(tài),2、本款要求與現(xiàn)行國家標準，建筑抗震設(shè)計規(guī)范。GB 50011及.構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范、GB，50191類似、但增加了對結(jié)構(gòu)屈服強度上限的規(guī)定.根據(jù)材料調(diào)研結(jié)果顯示 我國鋼材平均屈服強度是名義屈服強度的1.2倍,離散性很大。尤其是Q235鋼.由于實際工程中經(jīng)常發(fā)生高鋼號鋼材由于各種原因降級使用的情況。因此.為了避免塑性鉸發(fā)生在非預(yù)期部位、補充規(guī)定了塑性耗能區(qū)鋼材應(yīng)滿足屈服強度實測值不高于上一級鋼材屈服強度的條件,值得特別注意的是本標準規(guī)定的材料要求.是對加工后的構(gòu)件的要求,我國目前很多型材的材質(zhì)報告.給出的是型材加工前的鋼材特性、設(shè)計人員應(yīng)避免選擇在加工過程中已損失部分塑性的鋼材作為塑性耗能區(qū)的鋼材.當超強系數(shù)按ηy，fy，act，fy計算確定時，塑性耗能區(qū)鋼材可不滿足屈服強度實測值不高于上一級鋼材屈服強度的條件.fy。act為塑性耗能區(qū)鋼材屈服強度實測值、fy為塑性耗能區(qū)鋼材設(shè)計用屈服強度，3,按照鋼結(jié)構(gòu)房屋連接焊縫的重要性,并參照AISC341 05規(guī)范。首次提出了關(guān)鍵性焊縫的概念，4條關(guān)鍵性焊縫分別為,1、框架結(jié)構(gòu)的梁翼緣與柱的連接焊縫,2 框架結(jié)構(gòu)的抗剪連接板與柱的連接焊縫，3、框架結(jié)構(gòu)的梁腹板與柱的連接焊縫、4。節(jié)點域及其上下各600mm范圍內(nèi)的柱翼緣與柱腹板間或箱形柱壁板間的連接焊縫 本款主要是為了保證焊縫和構(gòu)件具有足夠的塑性變形能力 真正做到.強連接弱構(gòu)件。和實現(xiàn)設(shè)計確定的屈服機制,17、1，7，由于地震作用的不確定性 抗震設(shè)計最重要的是概念設(shè)計、當結(jié)構(gòu)均勻?qū)ΨQ并具有清晰直接的地震力傳遞路徑時，則對地震性能的預(yù)測更為可靠 比如、當豎向不均勻則可能出現(xiàn)應(yīng)力集中或產(chǎn)生延性要求較高的區(qū)域而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過早破壞、如首層為薄弱層時.屈服將限制在第一層,我們在汶川地震見到了許多此類破壞案例。當然隔震設(shè)計也是利用此原理進行 因此.按本章進行性能化設(shè)計時、除采用低延性.高承載力設(shè)計思路且采用地震危害較小的結(jié)構(gòu)外.應(yīng)符合現(xiàn)行國家標準,建筑抗震設(shè)計規(guī)范。GB，50011第1章、第5章的規(guī)定.