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17.鋼結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)17 1,一般規(guī)定、近年來(lái)。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)形勢(shì)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(guó)家提出的、鼓勵(lì)用鋼。合理用鋼，的經(jīng)濟(jì)政策，根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，GB,50011及、構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范,GB.50191規(guī)定的抗震設(shè)計(jì)原則、針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 增加了鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的抗震性能化設(shè)計(jì)內(nèi)容,根據(jù)性能化設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu),其抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則如下 驗(yàn)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(yàn)算設(shè)防地震作用的承載力,中震可修。驗(yàn)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(duì)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(biāo)為設(shè)防地震。但由于結(jié)構(gòu)具有一定的延性，因此無(wú)需采用中震彈性的設(shè)計(jì)、在滿足一定強(qiáng)度要求的前提下。讓結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震強(qiáng)度最強(qiáng)的時(shí)段到來(lái)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(qiáng)度最大時(shí)段的特征周期避開(kāi)，從而使結(jié)構(gòu)對(duì)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(jì)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(diǎn)。結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)均允許結(jié)構(gòu)在地震過(guò)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(duì)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?yàn)檩S力較小、塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力很強(qiáng),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(dāng)柱子截面內(nèi)出現(xiàn)塑性變形時(shí)，其后果就不易預(yù)料 因?yàn)橹觾?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(wú)法卸載、這樣結(jié)構(gòu)整體內(nèi)將會(huì)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(biāo)的承載力要求外 尚應(yīng)采用能力設(shè)計(jì)法進(jìn)行塑性機(jī)構(gòu)控制 無(wú)法達(dá)成預(yù)想的破壞機(jī)構(gòu)時(shí)，應(yīng)采取補(bǔ)償措施、另外 對(duì)于很多結(jié)構(gòu)。地震作用并不是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制因素.其構(gòu)件實(shí)際具有的受震承載力很高.因此抗震構(gòu)造可適當(dāng)降低.從而降低能耗,節(jié)省造價(jià) 眾所周知.抗震設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)稱為、高延性.低承載力，和,低延性、高承載力，兩種抗震設(shè)計(jì)思路，均可達(dá)成大致相同的設(shè)防目標(biāo)。結(jié)構(gòu)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的延性等級(jí)確定對(duì)應(yīng)的地震作用的設(shè)計(jì)方法.本標(biāo)準(zhǔn)稱為、性能化設(shè)計(jì)方法,采用低延性。高承載力思路設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)、在本標(biāo)準(zhǔn)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(guó)是一個(gè)多地震國(guó)家、性能化設(shè)計(jì)的適用面廣。只要提出合適的性能目標(biāo).基本可適用于所有的結(jié)構(gòu)、由于目前相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不多,本章的適用范圍暫時(shí)壓縮在較小的范圍內(nèi)。在有可靠的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和理論依據(jù)后,適用范圍可放寬,由于現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范、GB.50191的抗震設(shè)計(jì)原則與現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 建筑抗震設(shè)計(jì)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(jì)的手段。不同點(diǎn)僅在于地震作用按小震設(shè)計(jì)意味著延性僅有一種選擇、由于設(shè)計(jì)條件及要求的多樣化.實(shí)際工程按照某類特定延性的要求實(shí)施。有時(shí)將導(dǎo)致設(shè)計(jì)不合理。甚至難以實(shí)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(duì)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(jì)思路才能在保證抗震設(shè)防目標(biāo)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(jì)思路、但對(duì)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(wú)需滿足現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范.GB，50011及。構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范 GB、50191中針對(duì)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(shí)尚應(yīng)根據(jù)各類建筑的實(shí)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類鋼結(jié)構(gòu),本標(biāo)準(zhǔn)采用延性等級(jí)反映構(gòu)件延性.承載性能等級(jí)反映構(gòu)件承載力。延性等級(jí)和承載性能等級(jí)的合理匹配實(shí)現(xiàn)，高延性 低承載力、低延性,高承載力 的設(shè)計(jì)思路，對(duì)于不同設(shè)防類別的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。本標(biāo)準(zhǔn)按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn),GB.50223規(guī)定的原則.在其他要求一致的情況下。相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類鋼結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)設(shè)防類鋼結(jié)構(gòu)擬采用承載性能等級(jí)保持不變,延性等級(jí)提高一級(jí)或延性等級(jí)保持不變。承載性能等級(jí)提高一級(jí)的設(shè)計(jì)手法、特殊設(shè)防類鋼結(jié)構(gòu)采用承載性能等級(jí)保持不變 延性等級(jí)提高兩級(jí)或延性等級(jí)保持不變 承載性能等級(jí)提高兩級(jí)的設(shè)計(jì)手法,在延性等級(jí)保持不變的情況下,重點(diǎn)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范.GB,50011性能化設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的具體化。本章鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思路是進(jìn)行塑性機(jī)構(gòu)控制，由于非塑性耗能區(qū)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的承載力設(shè)計(jì)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(biāo)，對(duì)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(duì)于支撐結(jié)構(gòu)、塑性耗能區(qū)宜為成對(duì)設(shè)置的支撐 對(duì)于框架 中心支撐結(jié)構(gòu) 塑性耗能區(qū)宜為成對(duì)設(shè)置的支撐、框架梁端、對(duì)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(jì)值滿足彈性計(jì)算內(nèi)力設(shè)計(jì)值的要求，基本完好指承載力設(shè)計(jì)值滿足剛度適當(dāng)折減后的內(nèi)力設(shè)計(jì)值要求或承載力標(biāo)準(zhǔn)值滿足要求,輕微變形指層間側(cè)移約1.200時(shí)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(shí)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(shí)可采用耗能構(gòu)件剛度適當(dāng)折減的計(jì)算模型進(jìn)行彈性分析并滿足承載力設(shè)計(jì)值的要求 故稱之為 基本完好 17。1。4、為引導(dǎo)合理設(shè)計(jì),避免不必要的抗震構(gòu)造.本條對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(yán)格執(zhí)行，抗震設(shè)計(jì)僅是利用有限的財(cái)力、使地震造成的損失控制在合理的范圍內(nèi) 設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)國(guó)家制定的安全度標(biāo)準(zhǔn) 權(quán)衡承載力和延性。采用合理的承載性能等級(jí)，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(jì)要求。比如偏心支撐的耗能梁段在多遇地震作用下即可進(jìn)入塑性狀態(tài)，另外，進(jìn)行小震計(jì)算時(shí).僅塑性耗能區(qū)屈服的結(jié)構(gòu)可考慮剛度折減 實(shí)際上按照本章通過(guò)能力設(shè)計(jì)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(diǎn)可處于彈性狀態(tài)并滿足設(shè)計(jì)承載力要求，因此側(cè)移限值要求和現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。GB,50011一致即能保證當(dāng)遭受低于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的多遇地震影響時(shí)、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(jì)可通過(guò)以下四個(gè)方面實(shí)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(jiàn)表17，2.2，1，一般來(lái)說(shuō)。由于地震作用的不確定性、對(duì)于結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，延性比承載力更為重要.因此 對(duì)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(jì)思路,而對(duì)于工業(yè)建筑，為降低造價(jià)、宜采用低延性.高承載力的設(shè)計(jì)思路.2、按高延性、低承載力思路進(jìn)行的設(shè)計(jì)、采用下列措施進(jìn)行延性開(kāi)展機(jī)構(gòu)的控制,1 采用能力設(shè)計(jì)法。進(jìn)行塑性開(kāi)展機(jī)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(duì)強(qiáng)弱符合延性開(kāi)展的要求。3,引入相鄰構(gòu)件材料相對(duì)強(qiáng)弱系數(shù)、確保延性開(kāi)展機(jī)構(gòu)的實(shí)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(guò)對(duì)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(jì)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(dāng)結(jié)構(gòu)延性較差時(shí)、宜提高側(cè)移要求.即層間位移角限值要求適當(dāng)加嚴(yán).本條表17、1，4。2為實(shí)現(xiàn)高延性.低承載力.低延性、高承載力設(shè)計(jì)思路的具體規(guī)定。不同結(jié)構(gòu)對(duì)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(jiǎn)化設(shè)計(jì),整個(gè)結(jié)構(gòu)可采用相同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件延性等級(jí)來(lái)保證滿足延性需求。當(dāng)不同樓層的實(shí)際性能系數(shù)明顯不同時(shí)，各樓層也可采用不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件延性等級(jí)，當(dāng)按本標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)，采用低延性,高承載力設(shè)計(jì)思路時(shí)、無(wú)須進(jìn)行機(jī)構(gòu)控制驗(yàn)算、本標(biāo)準(zhǔn)第17.2，4條 第17。2、12條為機(jī)構(gòu)控制驗(yàn)算的具體規(guī)定，但當(dāng)性能系數(shù)小于1時(shí)、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(jì)的基本原則.本標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)取值較高,關(guān)鍵構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)可按下列原則確定 1,通過(guò)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(diǎn),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(diǎn)的性能系數(shù)不宜小于0,55、采用低延性。高承載力設(shè)計(jì)思路時(shí)，本條要求可適當(dāng)放寬,17,1、6.本條是對(duì)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(jí)要求.基本與需驗(yàn)算疲勞的非焊接結(jié)構(gòu)的性能相當(dāng).彈性區(qū)在強(qiáng)烈地震作用下仍處于彈性設(shè)計(jì)階段 因此可適當(dāng)降低對(duì)材料屈強(qiáng)比要求。一般來(lái)說(shuō) 屈強(qiáng)比不應(yīng)高于0，9,但此時(shí)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，GB,50011及.構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范,GB。50191類似.但增加了對(duì)結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度上限的規(guī)定，根據(jù)材料調(diào)研結(jié)果顯示 我國(guó)鋼材平均屈服強(qiáng)度是名義屈服強(qiáng)度的1，2倍，離散性很大、尤其是Q235鋼.由于實(shí)際工程中經(jīng)常發(fā)生高鋼號(hào)鋼材由于各種原因降級(jí)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(bǔ)充規(guī)定了塑性耗能區(qū)鋼材應(yīng)滿足屈服強(qiáng)度實(shí)測(cè)值不高于上一級(jí)鋼材屈服強(qiáng)度的條件。值得特別注意的是本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的材料要求。是對(duì)加工后的構(gòu)件的要求、我國(guó)目前很多型材的材質(zhì)報(bào)告。給出的是型材加工前的鋼材特性、設(shè)計(jì)人員應(yīng)避免選擇在加工過(guò)程中已損失部分塑性的鋼材作為塑性耗能區(qū)的鋼材.當(dāng)超強(qiáng)系數(shù)按ηy，fy。act，fy計(jì)算確定時(shí)。塑性耗能區(qū)鋼材可不滿足屈服強(qiáng)度實(shí)測(cè)值不高于上一級(jí)鋼材屈服強(qiáng)度的條件、fy act為塑性耗能區(qū)鋼材屈服強(qiáng)度實(shí)測(cè)值。fy為塑性耗能區(qū)鋼材設(shè)計(jì)用屈服強(qiáng)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(diǎn)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(qiáng)連接弱構(gòu)件 和實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)確定的屈服機(jī)制。17 1。7.由于地震作用的不確定性,抗震設(shè)計(jì)最重要的是概念設(shè)計(jì)，當(dāng)結(jié)構(gòu)均勻?qū)ΨQ并具有清晰直接的地震力傳遞路徑時(shí).則對(duì)地震性能的預(yù)測(cè)更為可靠。比如、當(dāng)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(guò)早破壞,如首層為薄弱層時(shí) 屈服將限制在第一層。我們?cè)阢氪ǖ卣鹨?jiàn)到了許多此類破壞案例、當(dāng)然隔震設(shè)計(jì)也是利用此原理進(jìn)行.因此、按本章進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)時(shí),除采用低延性.高承載力設(shè)計(jì)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn).建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范.GB。50011第1章,第5章的規(guī)定，