8.3 钢框架结构的抗震构造措施

8.3.1 框架柱的长细比关系到钢结构的整体稳定。研究表明,钢结构高度加大时,轴力加大,竖向地震对框架柱的影响很大。本条规定与2001规范相比,高于50m时,7、8度有所放松;低于50m时,8、9度有所加严。

8.3.2 框架梁、柱板件宽厚比的规定,是以结构符合强柱弱梁为前提,考虑柱仅在后期出现少量塑性不需要很高的转动能力,综合美国和日本规定制定的。陈绍蕃教授指出,以轴压比0.37为界的12层以下梁腹板宽厚比限值的计算公式,适用于采用塑性内力重分布的连续组合梁负弯矩区,如果不考虑出现塑性铰后的内力重分布,宽厚比限值可以放宽。据此,将2001规范对梁宽厚比限值中的(Nb/Af<0.37)和(Nb/Af≥0.37)两个限值条件取消。考虑到按刚性楼盖分析时,得不出梁的轴力,但在进入弹塑性阶段时,上翼缘的负弯矩区楼板将退出工作,迫使钢梁翼缘承受一定轴力,不考虑是不安全的。注意到日本对梁腹板宽厚比限值的规定为60(65),括号内为缓和值,不考虑轴力影响;AISC 341-05规定,当梁腹板轴压比为0.125时其宽厚比限值为75。据此,梁腹板宽厚比限值对一、二、三、四抗震等级分别取上限值(60、65、70、75)
    本次修订按抗震等级划分后,12层以下柱的板件宽厚比几乎不变,12层以上有所放松:8度由10、43、35放松为11、45、36;7度由11、43、37放松为12、48、38;6度由13、43、39放松为13、52、40。
    注意,从抗震设计的角度,对于板件宽厚比的要求,主要是地震下构件端部可能的塑性铰范围,非塑性铰范围的构件宽厚比可有所放宽。

8.3.3 当梁上翼缘与楼板有可靠连接时,简支梁可不设置侧向支承,固端梁下翼缘在梁端0.15倍梁跨附近宜设置隅撑。梁端采用梁端扩大、加盖板或骨形连接时,应在塑性区外设置竖向加劲肋,隅撑与偏置的竖向加劲肋相连。梁端翼缘宽度较大,对梁下翼缘侧向约束较大时,也可不设隅撑。朱聘儒著《钢-混凝土组合梁设计原理》(第二版)一书,对负弯矩区段组合梁钢部件的稳定性作了计算分析,指出负弯矩区段内的梁部件名义上虽是压弯构件,由于其截面轴压比较小,稳定问题不突出。李国强著《多高层建筑钢结构设计》第203页介绍了提供侧向约束的几种方法,也可供参考。首先验算钢梁受压区长细比λy是否满足:

    若不满足可按图22所示方法设置侧向约束。

8.3.4 本条规定了梁柱连接构造要求。
    1 电渣焊时壁板最小厚度16mm,是征求日本焊接专家意见并得到国内钢结构制作专家的认同。贯通式隔板是和冷成形箱形柱配套使用的,柱边缘受拉时要求对其采用Z向钢制作,限于设备条件,目前我国应用不多,其构造要求可参见现行行业标准《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ 99。隔板厚度一般不宜小于翼缘厚度。
    2 现场连接时焊接孔如规范条文图8.3.4-1所示,应严格按规定形状和尺寸用刀具加工。FEMA中推荐的孔形如下(图23),美国规定为必须采用之孔形。其最大应力不出现在腹板与翼缘连接处,香港学者做过有限元分析比较,认为是当前国际上最佳孔形,且与梁腹板连接方便。有条件时也可采用该焊接孔形。
    3 日本规定腹板连接板tw≤16m时采用双面角焊缝,焊缝计算厚度取5mm;tw大于16mm时用K形坡口对接焊缝,端部均要求绕焊。美国将梁腹板连接板连接焊缝列为重要焊缝,要求符合与翼缘焊缝同等的低温冲击韧性指标。本条不要求符合较高冲击韧性指标,但要求用气保焊和板端绕焊。

    4 日本普遍采用梁端扩大形,不采用RBS形;美国主要采用RBS形。RBS形加工要求较高,且需在关键截面削减部分钢材,国内技术人员表示难以接受。现将二者都列出供选用。此外,还有梁端用矩形加强板、加腋等形式加强的方案,这里列入常用的四种形式(图24)。梁端扩大部分的直角边长比可取1:2至1:3。AISC将7度(0.15g)及以上列入强震区,宜按此要求对梁端采用塑性铰外移构造。

    5 日本在梁高小于700mm时,采用本规范图8.3.4-2的悬臂梁段式连接。
    6 AISC规定,隔板与柱壁板的连接,也可用角焊缝加强的双面部分熔透焊缝连接,但焊缝的承载力不应小于隔板与柱翼缘全截面连接时的承载力。

8.3.5 当节点域的体积不满足第8.2.5条有关规定时,参考日本规定和美国AISC钢结构抗震规程1997年版的规定,提出了加厚节点域和贴焊补强板的加强措施:
    (1)对焊接组合柱,宜加厚节点板,将柱腹板在节点域范围更换为较厚板件。加厚板件应伸出柱横向加劲肋之外各150mm,并采用对接焊缝与柱腹板相连;
    (2)对轧制H形柱,可贴焊补强板加强。补强板上下边缘可不伸过横向加劲肋或伸过柱横向加劲肋之外各150mm。当补强板不伸过横向加劲肋时,加劲肋应与柱腹板焊接,补强板与加劲肋之间的角焊缝应能传递补强板所分担的剪力,且厚度不小于5mm;当补强板伸过加劲肋时,加劲肋仅与补强板焊接,此焊缝应能将加劲肋传来的力传递给补强板,补强板的厚度及其焊缝应按传递该力的要求设计。补强板侧边可采用角焊缝与柱翼缘相连,其板面尚应采用塞焊与柱腹板连成整体。塞焊点之间的距离,不应大于相连板件中较薄板件厚度的21倍。

8.3.6 罕遇地震作用下,框架节点将进入塑性区,保证结构在塑性区的整体性是很必要的。参考国外关于高层钢结构的设计要求,提出相应规定。

8.3.7 本条规定主要考虑柱连接接头放在柱受力小的位置。本次修订增加了对净高小于2.6m柱的接头位置要求。

8.3.8 本条要求,对8、9度有所放松。外露式只能用于6、7度高度不超过50m的情况。