论地震作用和钢框架板件宽厚比限值的对应关系（下）——截面等级及宽厚比限值的界定

板件宽厚比是表征钢结构延性的重要方面,也是控制耗钢量的关键指标。在保证结构安全可靠的前提下,合理控制抗震钢结构的板件宽厚比,对降低耗钢量,提高钢结构的经济性具有十分重要的工程实践意义。简要讨论抗震钢结构“高延性,低弹性承载力”和“低延性,高弹性承载力”两种抗震设计思路。在对比我国抗震规范与欧洲、美国、日本规范的抗震钢框架板件宽厚比限值的基础上,以底部剪力基本等价为前提,架通我国抗震规范第一水准设防地震作用FEK与欧洲EC8、日本BCJ规范的地震作用、板件宽厚比限值之间的联系桥梁。进而,提出以地震作用效应组合分级对应钢框架受力状态的方式确定框架构件截面等级,即按钢框架梁柱（抗侧力结构）的受力情况选择其相应的截面板件宽厚比。该方法可与现行抗震规范的体系配套,并使板件宽厚比限值的规定趋于合理,以供工程设计、抗震规范修订时参考。同时,指出目前一些抗震规程以“小震”作用界定板件宽厚比的做法偏于不安全,应及时纠正。     

中外抗震设计规范关于钢柱板件宽厚比限值的比较

板件宽厚比对钢结构的抗震性能有着重要影响,同时也是影响钢结构用钢量的一项重要指标,对钢结构的安全性和经济性均有着很重要的意义.目前国内已有不少文献认为我国现行抗震设计规范对梁柱截面板件宽厚比限值的规定尚不够严谨和完善,并对此提出了设计建议.结合中国抗震规范GB50011—2001、美国钢结构抗震规范ANSI/AISC 341—05、日本抗震规范BCJ和欧洲抗震规范Eurocode 8的相关规定,比较研究了中外抗震设计规范对工形截面和箱形截面钢柱板件宽厚比限值规定的异同,分析了中国抗震规范GB50011—2001关于钢柱板件宽厚比限值的合理性,为相关设计和研究提供了参考.     

钢结构单层厂房横向刚架抗震设计的若干问题及其分析和建议

以大量工程设计计算分析结果为基础,讨论彩钢板墙屋面的单层钢结构厂房横向刚架抗震设计中的几个问题。指出横向刚架的最大应力区（可能塑性铰区）位置往往出现在上柱梁底截面,梁柱刚性连接的受弯极限承载力可按不小于1．2倍梁、柱全截面塑性受弯承载力较小值的要求执行。同时,对梁的拼接承载力要求提出疑问并给出建议。进而,对耗钢量影响较大的板件宽厚比限值问题进行讨论,提出单层钢结构厂房横向刚架计算存在地震组合控制或非地震组合控制两种情况,偶遇地震组合是否为控制工况,可作为界定刚架构件是否执行抗震规范板件宽厚比限值的判别准则。当框架构件的截面受力由非地震组合控制时,其板件宽厚比可按钢结构规范弹性阶段设计的规定执行。     

腹板加劲H形截面框架梁塑性耗能区的抗震性能试验研究

针对腹板宽厚比较大的H形截面钢框架梁塑性耗能区延性较差的问题,提出在其腹板设置纵向加劲肋以改善抗震性能的方法,并进行试验验证。通过4个梁腹板设置纵向加劲肋和1个未设置纵向加劲肋的梁柱刚接节点试件的反复加载试验,对框架梁端塑性耗能区腹板设置纵向加劲肋前后的抗震性能进行对比研究。试验以梁腹板采用弹性设计截面的试件为基准,考察在腹板设置一道、两道纵向加劲肋后塑性耗能区抗震性能的改善程度;并与塑性设计截面腹板梁的试件、部分塑化截面腹板设一道纵向加劲肋的试件进行抗震性能的比对。试验结果表明：设置纵向加劲肋可显著提高H形截面框架梁塑性耗能区的抗震性能;梁端塑性耗能区翼缘宽厚比满足塑性设计截面的要求,腹板采用弹性设计截面的宽厚比,当设置一道或两道纵向加劲肋时,可达到不低于塑性设计截面或GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》二级抗震框架梁端耗能区的抗震性能要求;弹性设计截面腹板纵向加劲肋分隔的区格板件宽厚比与实腹梁腹板宽厚比相当时,抗震性能基本等价。     

空间足尺薄柔构件钢框架滞回性能试验研究

进行了两个空间钢框架的滞回性能试验。框架构件均为宽厚比较大的H形截面,按实际工程尺寸制作。试验结果显示板件宽厚比和柱子轴压比是影响这类结构承载性能的主要因素,构件端部的局部屈曲导致结构破坏的开始并降低了结构的延性和耗能能力。基于试验结构抗震能力及其地震需求的分析,提出了这类钢框架的抗震设计概念:相对小震水平的地震作用,结构弹性设计须留有必要的承载力储备,以保证大震作用下结构的安全性。试验表明,符合这一要求的薄柔构件钢框架的弹性刚度能满足小震时的变形要求,结构的变形能力能满足大震作用下的延性要求。试验结构的数值分析结果与试验结果吻合良好。     

国外期刊论文简介

Engineering Structures欧洲和日本建筑钢结构抗震设计方法比较Edoardo M.Marino,Masayoshi Nakashi ma,Khalid M.Mosalam(日本)本文比较了日本抗震设计规范(BCJ)和欧洲规范(EC8)关于抗弯钢框架和支撑框架设计的差异,比较内容包括场地土分类,弹性反应谱的量值和形状,沿高度方向地震剪力的分布,构件延性要求以及性能参数。结果表明,除正常使用极限状态下地震力计算不一致以外,按两种规范计算得到的结果比较接近。EC8计算出的正常使用极限状态下地震力大约是BCJ的2.5倍。两本规范对结构系统的延性要求差别较大,例如对于抗弯框架,BCJ…     

抗震规范中地震作用的比较研究

比较了我国新、旧抗震规范中钢结构的地震影响系数,分析了新建筑抗震规范中钢结构与钢筋混凝土结构地震影响系数的差异性,说明了在抗震设计中重新引入结构影响系数,恢复折减中震弹性地震反应得到设计地震作用的必要性。     

焊接箱形截面梁抗震性能影响因素研究

为考察板件宽厚比对焊接箱形截面梁抗震性能的影响,对中国、美国、日本和欧洲的钢结构设计标准中的相关规定进行了比较,结果表明各国规范对于梁板件宽厚比限值的规定总体上具有较好的一致性。采用钢材循环加载本构,建立了多尺度非线性有限元计算模型。提出了刚性竖杆 箱形梁加载方式,模拟水平地震、重力荷载与轴向压力对箱形截面框架梁的作用。有限元分析结果表明,在设计常用的板件宽厚比范围内,箱形截面梁的弹性屈曲荷载均显著高于其屈服荷载。在水平往复荷载作用下,随着板件宽厚比减小,箱形截面梁极限变形角与延性系数随之增大,抗弯刚度降低速率变缓,塑性耗能能力显著增强。当满足一级抗震宽厚比要求时,焊接箱形截面梁的梁端截面转角约为1/30。承受轴压作用时梁刚度退化很快,变形能力减弱。当轴压比不大于0.2、满足一级抗震宽厚比要求时,梁端截面转角约为1/50。跨高比对梁承载力影响不大,但变形能力可以大幅度提高。横向荷载对梁抗震性能的影响显著,随着静载比（重力荷载代表值与屈服弯矩之比）增大,骨架曲线逐渐发生平移,抗弯刚度降低,耗能性能减弱。当地震弯矩与静力弯矩方向相同时,箱形截面梁承载力显著降低,静载比0.8时极限变形角可减小约50%;当地震弯矩与静力弯矩方向相反时,梁虽然承载力稍有提高,但极限变形角略有减小。     

中美两国钢结构抗震设计对比分析

为验证按我国抗震规范设计的钢结构建筑的用钢量与国外相比是否偏高,本文对中美两国抗震规范的抗震设防目标、地震作用计算方法、构件截面抗震验算等方面进行了详细的比较和分析;在此基础上,分别运用中美两国抗震规范理论,计算并比较了一个20层中心支撑钢框架结构算例在软弱和坚硬两种场地条件下的水平地震作用和构件截面抗震验算结果。根据计算结果得出:我国抗震规范与美国抗震规范的抗震计算理论各有特色,依据我国抗震规范设计的钢结构建筑用钢量并不大于美国抗震规范的设计用钢量。     

中国与伊朗抗震规范地震作用对比研究

介绍了伊朗抗震规范的抗震设防目标与方法、场地类型、地震风险分区、设计反应谱以及基底剪力的计算，并与《建筑抗震设计规范》相关内容进行了对比。结果表明，伊朗规范根据结构重要性对建筑有选择性地做“两水准”抗震设防；基于平均剪切波速伊朗规范中的Ⅰ类场地近似于中国规范的Ⅰ₀场地，其余各类场地之间无直接对应关系；伊朗规范设计反应谱动力系数随场地类型与地震风险分区变化，在低地震风险区的软弱场地上动力系数峰值高达3.25;伊朗规范地震作用基于“中震”计算，经结构性能系数折减后的基底剪力：高延性混凝土框架的基底剪力比中国规范小，低延性混凝土框架的基底剪力比中国规范大得多，中延性混凝土框架的基底剪力与中国规范的大小比较结果在不同场地不同周期段表现不同。     

各国规范钢框架结构抗震设计方法对比研究(Ⅰ):设防目标与地震作用

尽管结构的抗震设计是工程防灾减灾研究中的重点,各国规范规定的设计方法却存在较大差异。首先从设防目标和地震作用两方面详细比较并分析了欧洲、美国、日本和中国规范的异同,为后续钢框架的设计地震力和延性、抗侧刚度与强度的对比提供基础。结果表明,中国和美国规范的不倒塌要求对应的地震水准相当,均比欧洲和日本规范高,但欧洲规范的正常使用要求对应的地震水准比中国和日本规范高;基于土层平均剪切波速得到了各国规范中场地分类的等效关系,其中中国规范对中等场地土的分类最细致;各国规范等效于中国规范的中震作用的弹性反应谱表现出较大差异,其中针对低活跃性和中活跃性地震区日本规范规定的反应谱显著高于其他规范,而在高活跃性地震区各国规范规定的弹性反应谱大小总体上相当。     

中美日钢框架结构抗震设计规定比较(Ⅰ):一般设计规定

对中国、美国和日本三国钢框架结构抗震设计相关规定进行了比较,比较了三个国家设计地震力取值水平、结构抗震等级划分、楼层层间位移角限值、钢柱和钢梁的板件宽厚比限值、钢梁水平侧向支撑设置要求等内容。通过以上比较,阐明了三个国家对于钢框架结构抗震设防思路的相同和不同之处、抗震设防的大致安全度水平。     

高强度钢材箱形柱滞回性能试验研究

为研究Q460高强度钢材箱形柱的抗震性能,对5个足尺试件进行了水平往复加载试验研究,分析了板件宽厚比、轴压比等因素对试件的承载力、破坏模式、耗能能力、变形能力和延性的影响。试验结果表明,Q460高强度钢材箱形柱具有很好的耗能能力和抗震性能,适用于抗震钢框架;除试件HB-1外其他试件本身及其柱脚节点均未发生焊缝开裂,证明设计合理、质量合格的Q460高强度钢材焊缝连接具有足够的承载力和良好的抗震性能;板件宽厚比越大,试件局部屈曲出现得越早,最大荷载对应的位移级越小,达到破坏时的位移级也越小;试件发生局部屈曲的范围及屈曲中心位置相对于试件截面高度的比值依次减小,所有试件最大屈曲位置距固定端0.25B~0.50B（B为等边箱型截面外边长）,塑性区范围距离固定端0.72B~1.06B。根据试验结果,建议在轴压比不大于0.2时,Q460钢材箱形截面压弯构件板件宽厚比限值不应大于30;同时,钢框架柱在进行抗震设计时,其板件宽厚比限值应与轴压比相联系,轴压比越大,板件宽厚比限值应越小。     

Q460高强度钢材工形压弯构件抗震性能的试验研究

为研究高强度钢材工形压弯构件的抗震性能,对6个Q460钢材工形压弯试件进行低周往复荷载试验研究,分析板件宽厚比、轴压比等因素对试件的破坏形态、耗能能力和抗震性能的影响,给出截面Np-Mp理论曲线并与试验结果进行对比。结果表明,Q460高强度钢材工形压弯构件具有很好的耗能能力和抗震性能,可以应用于抗震钢框架;且当翼缘和腹板宽厚比超限时,承载力退化仍然较慢,极限层间位移角明显大于1/50,表现出良好的抗震性能和极限承载能力;采用极限分析方法求得的Np-Mp曲线计算Q460钢材工形压弯构件平面内稳定承载力是偏于安全的。建议Q460钢材工形截面压弯构件的翼缘宽厚比限值为9,腹板宽厚比限值为33;同时建议抗震规范中钢柱的板件宽厚比限值应与轴压比相联系。     

Q550GJC焊接H形钢柱截面宽厚比限值分析

为研究屈服强度为550 MPa及以上的钢构件的局部屈曲,考虑到构件局部屈曲与其截面的板件宽厚比有密切联系,借助ANSYS有限元分析软件,对Q550GJC高强度焊接H形钢柱截面板件在地震作用下的宽厚比限值进行分析。通过考虑构件的材料非线性、几何非线性、初始几何缺陷和焊接残余应力等影响,对钢柱进行压弯滞回计算,得到构件的骨架曲线,并从中计算出构件的延性系数。结果表明:得到的Q550GJC焊接H形钢柱截面板件在地震作用下的宽厚比限值符合GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》的规定。     

建筑抗震设计中地震作用取值问题初探

针对抗震设防的目的,分析介绍了几个有关建筑抗震设计的公式,并探讨了不同设计基准期条件下,多遇地震和罕遇地震的地震作用取值的变化情况,指出在其他条件相同时,罕遇地震的破坏作用比多遇地震的破坏作用大。     

柱支承双向板及板柱节点的设计与研究

冲切面斜裂缝过早发生和最终的冲切破坏严重地影响着板柱节点的延性,制约着整个结构的抗震性能。在已有研究成果和板柱节点破坏机理的基础上,提出了柱支承双向板小震不裂、中震弹性、大震仍能继续承受竖向荷载作用效应和地震作用效应,保持结构完整性的抗震设防目标。建立了实现抗震设防目标的正截面和斜截面计算的应力表达式。将小震的最大主剪应力不大于混凝土轴心抗拉强度标准值作为控制板厚的指标。正截面极限状态承载力计算中,计入了斜裂缝发生后的剪力补偿。工程实例表明,按照现行规范的构造要求和中震弹性的抗震设防目标设计的柱支承双向板及板柱节点,没有发生塑性铰,符合强节点的抗震设计原则。     

基于滑移连接的防屈曲支撑钢框架节点抗震性能研究

防屈曲支撑（BRB）是一种拉压均可全截面屈服耗能而不屈曲的金属阻尼器,在建筑结构的抗震减震设计中得到广泛应用。然而,由于大变形下支撑框架节点存在显著开合效应,在罕遇地震作用下易出现节点板和相邻梁柱构件的提早断裂现象,限制了BRB抗震性能的充分发挥。为此,在总结BRB钢框架节点的现行设计方法及节点失效模式基础上,提出了可释放节点开合效应的滑移连接节点板,采用低摩擦材料减小接触面摩擦力。建立有限元模型,通过与传统焊接节点板对比,分析两种不同连接对节点板、梁柱和BRB受力性能的影响。以此为基础,设计该类节点足尺试验模型,对其进行拟静力试验,分析其在往复荷载下的抗震性能。研究结果表明：所提出的滑移连接可有效释放节点板与梁柱之间的切向约束和开合效应,显著降低了节点板的塑性损伤,实现了罕遇地震作用下节点板弹性的性能目标;梁塑性铰由节点板端部移至梁柱交界面处,降低了梁柱构件的剪力水平和塑性损伤;在层间位移角4%下各关键构件仍具有饱满稳定的滞回性能,显著提高了BRB钢框架的抗震性能。     

多层钢筋混凝土框架柱震害调查分析与启示

针对汶川地震中多层钢筋混凝土框架结构的框架柱震害进行分析,就我国现行规范为实现预期抗震设防目标,对框架柱梁抗弯能力比值以及柱轴压比、箍筋配箍率、纵向钢筋总配筋率等抗震构造措施展开讨论,并与美国IBC2006规范、AC I318-08规范以及欧盟EC8规范的相关规定进行比较,提出关于保证结构实现抗震设防目标的框架柱、梁抗弯能力比值以及最小配箍率、轴压比、纵向钢筋最小总配筋率等抗震措施的建议。     

地震作用下中美规范RC结构层间位移角限值的对比研究

为研究地震作用下我国规范层间位移角限值的合理性,将其与美国规范的层间位移角限值进行对比。基于等位移原理推导中美规范层间位移角限值的对比方法,提出中美规范层间位移角限值富裕度指标β。设计框架、剪力墙、框架-剪力墙和框架-核心筒等80个典型RC结构模型,验证结构在设防烈度地震作用下处于弱非线性。分析结构体系、场地类别和设防烈度对β的影响,结果显示,模型的β值均大于1,说明中国规范层间位移角限值比美国规范更为严格。以β作为修正系数,将四种结构体系的位移角限值统一调整为1/500,重新设计16个模型,采用基于构件变形的抗震性能评估方法,验证层间位移角限值调整后结构在强震下的安全性。建议:多遇地震作用下RC结构层间位移角限值可取1/500。