8 多层和高层钢结构房屋

8.1 一般规定

8.1.1 本章主要适用于民用建筑,多层工业建筑不同于民用建筑的部分,由附录H予以规定。用冷弯薄壁型钢作为主要承重结构的房屋,构件截面较小,自重较轻,可不执行本章的规定。
    本章不适用于上层为钢结构下层为钢筋混凝土结构的混合型结构。对于混凝土核心筒-钢框架混合结构,在美国主要用于非抗震设防区,且认为不宜大于150m。在日本,1992年建了两幢,其高度分别为78m和107m,结合这两项工程开展了一些研究,但并未推广。据报道,日本规定采用这类体系要经建筑中心评定和建设大臣批准。
    我国自20世纪80年代在当时不设防的上海希尔顿酒店采用混合结构以来,应用较多,除大量应用于7度和6度地区外,也用于8度地区。由于这种体系主要由混凝土核心筒承担地震作用,钢框架和混凝土筒的侧向刚度差异较大,国内对其抗震性能虽有一些研究,尚不够完善。本次修订,将混凝土核心筒-钢框架结构做了一些原则性的规定,列入附录G第G.2节中。
    本次修订,将框架-偏心支撑(延性墙板)单列,有利于促进它的推广应用。筒体和巨型框架以及框架-偏心支撑的适用最大高度,与国内现有建筑已达到的高度相比是保守的,需结合超限审查要求确定。AISC抗震规程对B、C等级(大致相当于我国0.10g及以下)的结构,不要求执行规定的抗震构造措施,明显放宽。据此,对7度按设计基本地震加速度划分。对8度也按设计基本地震加速度作了划分。

8.1.2 国外20世纪70年代及以前建造的高层钢结构,高宽比较大的,如纽约世界贸易中心双塔,为6.6,其他建筑很少超过此值的。注意到美国东部的地震烈度很小,《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ 99据此对高宽比作了规定。本规范考虑到市场经济发展的现实,在合理的前提下比高层钢结构规程适当放宽高宽比要求。
    本次修订,按《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ 99增加了表注,规定了底部有大底盘的房屋高度的取法。

8.1.3 将2001规范对不同烈度、不同层数所规定的“作用效应调整系数”和“抗震构造措施”共7种,调整、归纳、整理为四个不同的要求,称之为抗震等级。2001规范以12层为界区分改为50m为界。对6度高度不超过50m的钢结构,与2001规范相同,其“作用效应调整系数”和“抗震构造措施”可按非抗震设计执行。
    不同的抗震等级,体现不同的延性要求。可借鉴国外相应的抗震规范,如欧洲Eurocode8、美国AISC、日本BCJ的高、中、低等延性要求的规定。而且,按抗震设计等能量的概念,当构件的承载力明显提高,能满足烈度高一度的地震作用的要求时,延性要求可适当降低,故允许降低其抗震等级。
    甲、乙类设防的建筑结构,其抗震设防标准的确定,按现行国家标准《建筑工程抗震设防分类标准》GB 50223的规定处理,不再重复。

8.1.5 本次修订,将2001规范的12层和烈度的划分方法改为抗震等级划分。所以本章对钢结构房屋的抗震措施,一般以抗震等级区分。凡未注明的规定,则各种高度、各种烈度的钢结构房屋均要遵守。
    本次修订,补充了控制单跨框架结构适用范围的要求。

8.1.6 三、四级且高度不大于50m的钢结构房屋宜优先采用交叉支撑,它可按拉杆设计,较经济。若采用受压支撑,其长细比及板件宽厚比应符合有关规定。
    大量研究表明,偏心支撑具有弹性阶段刚度接近中心支撑框架,弹塑性阶段的延性和消能能力接近于延性框架的特点,是一种良好的抗震结构。常用的偏心支撑形式如图19所示。

    偏心支撑框架的设计原则是强柱、强支撑和弱消能梁段,即在大震时消能梁段屈服形成塑性铰,且具有稳定的滞回性能,即使消能梁段进入应变硬化阶段,支撑斜杆、柱和其余梁段仍保持弹性。因此,每根斜杆只能在一端与消能梁段连接,若两端均与消能梁段相连,则可能一端的消能梁段屈服,另一端消能梁段不屈服,使偏心支撑的承载力和消能能力降低。
    本次修订,考虑了设置屈曲约束支撑框架的情况。屈曲约束支撑是由芯材、约束芯材屈曲的套管和位于芯材和套管间的无粘结材料及填充材料组成的一种支撑构件。这是一种受拉时同普通支撑而受压时承载力与受拉时相当且具有某种消能机制的支撑,采用单斜杆布置时宜成对设置。屈曲约束支撑在多遇地震下不发生屈曲,可按中心支撑设计;与∨形、∧形支撑相连的框架梁可不考虑支撑屈曲引起的竖向不平衡力。此时,需要控制屈曲约束支撑轴力设计值:


    作为消能构件时,其设计参数、性能检验、计算方法的具体要求需按专门的规定执行,主要内容如下:
    1 屈曲约束支撑的性能要求:
        1)芯材钢材应有明显的屈服台阶,屈服强度不宜大于235kN/mm2,伸长率不应小于25%;
        2)钢套管的弹性屈曲承载力不宜小于屈曲约束支撑极限承载力计算值的1.2倍;
        3)屈曲约束支撑应能在2倍设计层间位移角的情况下,限制芯材的局部和整体屈曲。
    2 屈曲约束支撑应按照同一工程中支撑的构造形式、约束屈服段材料和屈服承载力分类进行抽样试验检验,构造形式和约束屈服段材料相同且屈服承载力在50%至150%范围内的屈曲约束支撑划分为同一类别。每种类别抽样比例为2%,且不少于一根。试验时,依次在1/300,1/200,1/150,1/100支撑长度的拉伸和压缩往复各3次变形。试验得到的滞回曲线应稳定、饱满,具有正的增量刚度,且最后一级变形第3次循环的承载力不低于历经最大承载力的85%,历经最大承载力不高于屈曲约束支撑极限承载力计算值的1.1倍。
    3 计算方法可按照位移型阻尼器的相关规定执行。

8.1.9 支撑桁架沿竖向连续布置,可使层间刚度变化较均匀。支撑桁架需延伸到地下室,不可因建筑方面的要求而在地下室移动位置。支撑在地下室是否改为混凝土抗震墙形式,与是否设置钢骨混凝土结构层有关,设置钢骨混凝土结构层时采用混凝土墙较协调。该抗震墙是否由钢支撑外包混凝土构成还是采用混凝土墙,由设计确定。
    日本在高层钢结构的下部(地下室)设钢骨混凝土结构层,目的是使内力传递平稳,保证柱脚的嵌固性,增加建筑底部刚性、整体性和抗倾覆稳定性;而美国无此要求。本规范对此不作规定。
    多层钢结构与高层钢结构不同,根据工程情况可设置或不设置地下室。当设置地下室时,房屋一般较高,钢框架柱宜伸至地下一层。
    钢结构的基础埋置深度,参照高层混凝土结构的规定和上海的工程经验确定。