钢结构的抗震设计

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1、钢结构的抗震设计§1.1问题的引出在大震作用下如果结构要保持弹性工作状态则地震设计荷载太大，经济上无法承受。因此目前国内外的结构抗震设计中都允许结构出现塑性变形，相应的结构抗震设计规范则采用对结构的弹性反应谱进行折减的方法来确定结构的底部剪力，但折减的思路却很不同。[1]例如欧洲规范（Eurocode8）允许结构在地震作用下进入非线性状态，即设计地震作用力通常小于相应的弹性反应值。为了避免在设计过程中进行复杂的非线性分析，欧洲规范采用在弹性反应谱的基础上除以反映不同延性等级的性能系数q得到弹塑性反应谱。性能系数q其值与结构的体系能量耗散能力有关。其中q为：qqkkk=/1.

2、5(1.1)0DRW式中：q为性能系数基本值，对于钢筋混凝土框架结构体系及连肢剪力墙结构体系，q=5.0，00对于非连肢剪力墙结构体系，q=4.0；k为反映结构延性等级的系数，对高、中、低三种延性等0D级，k分别取1.0、0.75、0.5。k为反映结构规则性的系数，对于规则结构和不规则结构，k分别DRR为1.0和0.8；k为含墙结构体系的主导破坏模式系数，对于框架和等效框架双重体系，取1.0。可W见在欧洲规范中，延性差的结构其基底剪力比延性好的结构的基底剪力大2倍。[1,2]日本建筑标准法规（BSL）明确规定了两个水准的设计地震，第一水准为中等强度地震（EQ1）和第二水准的

3、强烈地震（EQ2）。在中等强度地震作用下，要求结构几乎没有损坏；在第二水准地震作用下，结构的极限抗剪能力必须大于极限地震剪力：VD=FCW（1.2）unsesii式中：C为楼层剪力系数；W为结构的总重量；D为结构影响系数（考虑结构延性对地震弹iis性反应谱进行折减的作用），对于延性良好的结构，0.3≤≤D0.4；对于延性较差的结构，D取ss较大值，但最大值不超过0.55；F为结构布置系数以考虑结构刚度在平面和竖向分布的不规则影响。es可见，在日本规范中延性好的结构比延性差的结构，对极限抗剪能力的要求可以降低1.83倍。[3]美国UBC97规范中地震基底剪力公式为：CIWvF

4、=（1.3）EKRT式中：T为结构在研究方向上的基本周期；I为地震重要性系数；C场地系数；W为结构等v效总重力荷载；R是与结构的类型和结构构件设计指标（主要是截面的宽厚比）有关的折减系数，不同的结构-1-体系按照其抗震性能（指延性）的不同，取不同的数值。同样的结构体系也可以根据设计思想的不同取不同的值。例如，同样是钢框架，如果是特殊抗弯框架（指宽厚比限制特别严的框架），则R取8.5，而如果对普通抗弯框架（宽厚比限值比较宽），R取4.5。由此可见UBC97中不同延性的结构弹性地震力差别非常大。同时还引入了结构的赘余度系数ρ来引导设计人员在地震区采用超静定的结构。对于静定结构，

5、ρ＝1.5，即地震力要放大1.5倍，这样采用静定结构体系就要采用更大的设计地震荷载。[4]美国IBC2000规范中，地震基底剪力V的计算公式为：VC=W（1.4）sSDS式中：C为地震反应系数；W为结构等效总重力荷载；其中C=；S为设计反应谱ssDSRIE加速度；R为反应调整系数；I重要性系数。结构反应系数R根据不同的结构类型取不同的值；取E值范围从普通砖墙结构的1.5到偏心支撑框架的8。可见对同等重要的结构，采用偏心支撑框架其地震基底剪力可以比普通砖墙结构小很多。[5]我国抗震规范GB50011-2001中折减系数的解释是采用罕遇地震，中震和常遇地震的概念。结构的弹性反映

6、谱是按照中震的地震烈度参数确定的，而常遇地震的烈度比中震烈度低1.5度，常遇烈度地震下结构应保持弹性，因此按常遇地震烈度提出对结构的强度要求，地震力为中震弹性反应1.51.5[5]谱的1/2倍，即地震力折减1/2。因此我国是根据地震发生的概率进行的折减，故在地震基底剪力的规定中不再包含折减项。我国抗震规范对地震基底剪力的规定为：FG=α（1.5）Ek1eqF为结构总水平地震作用标准值；α为相应于结构基本自振周期的水平地震影响系数；G为Ek1eq结构等效总重力荷载。可见我国现行抗震规范对地震基底剪力的规定中，没有体现不同结构不同延性对地震荷载的削减作用。常遇地震下基于弹性抗震

7、的考虑阻尼对削减地震力有显著的影响，不同结构在弹性阶段有不同的阻尼比，在前述各国规范中都有不同的取值。我国规范GB50011对阻尼影响明确地引入了阻尼影响系数η。其中钢结构中阻尼比为0.02，η为1.32，对混凝土结构则η为1.0。从前面的举例可以222看出，日本的BSL、美国的UBC97、IBC2000以及欧洲规范（Eurocode8），这些规范都采用了非线性设计反应谱进行结构的分析及设计，即都考虑了结构的弹塑性变形能对弹性反应谱进行了折减。[5]只有我国规范是根据弹性反应谱得到的设计地震作用，进行结构的强度设计