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海外工程十五年之六十七——美标钢结构抗震(19)

3.15什么是超强?

超强是一种额外强度的度量,超过最小值,以抵抗几乎所有结构在某种程度上都具有的规范规定的力。结构中存在许多强度过大的原因。首先,存在与我们建筑材料固有的可变性相关的材料强度过大。与所有材料一样,与特定等级钢材相关的最小规定强度仅为最小允许值。大多数实际包含在结构中的材料将比规范允许的最小值稍强一些。在结构钢的情况下,10%左右的材料强度是常见的,一些等级的钢,如ASTM A36,其强度可高达最低规定值的30%。参见第3.13节,了解有关这种超强度来源的更多讨论。

超强的另一个重要原因是结构出现连续屈服的趋势。甚至可以考虑一个非常简单的结构,例如一个单开间,一层柱底铰接的抗弯框架。图3-2显示了该结构在(a)重力荷载、(b)侧向荷载和(c)重力和侧向荷载组合作用下的假设弯矩图。在设计这种结构时,梁和柱的设计必须具有足够的强度,以抵抗重力和侧向弯矩的组合。然而,在实际侧向荷载下,该力矩需求将在框架的一个角处先于另一个角出现,因为组合力矩图在该角处明显较大。初始屈服将发生在弯矩最大的拐角处。然而,在这种屈服发生后,框架将能够在另一角形成铰之前,以正刚度抵抗额外的横向剪切力,从而形成完整的机制。

(a) 重力荷载              (b) 水平荷载          (c) 荷载组合

3-2 不同荷载条件下单跨框架的弯矩图

超强的第三个原因通常被称为设计强度过大。它与设计师有意或无意采取的行动有关。例如,一些设计师会设计结构,使框架构件的需求/承载力比最初略小于统一,可能是0.90.95。这会自动增加强度。其他设计师会增加一些构件的尺寸,以限制项目中使用的不同结构形状的数量。在某些情况下,建筑师可能会要求使用比结构用途所需更大的构件,尤其是在使用建筑外露结构钢(AES)的应用中。最后,在许多情况下,结构的设计将由考虑因素控制,而不是抵抗侧向力的强度。在某些情况下,控制构件尺寸以限制位移,在其他情况下,控制构件尺寸以抵抗重力要求;在任何一种情况下,结构的强度都将大于抵抗规范规定的地震力所需的强度。

超强通常有利于抗震,因为它能使结构抵抗更强烈的地面震动,而不会造成破坏或形成倒塌机制。实际上,在计算最小设计地震力时使用的规范规定的地震响应修正系数假定存在最小强度水平。但是在承载力设计的结构中(见第3.14节),如果不适当考虑,则超强可能是有害的。例如,如果支撑框架结构的连接件与最小地震设计力成比例,而不是与支撑件的屈服强度成比例,则连接件可能在支撑件有屈服机会之前失效。

《建筑规范》试图保护结构免受超强度潜在的有害影响,要求设计对这些影响敏感的构件,以承受由超强系数放大的力,Ωo.超强系数表示考虑材料超强度和典型冗余和连续屈服效应的不同系统类型结构的预期超强度。在开发这些默认值时,仅部分考虑设计强度过高。因此,对于超大构件的抗震设计并不总是保守的。当存在实质性设计超强时,设计师应考虑通过执行推覆分析或塑性分析来计算超强度。该规范还允许进行此类分析,以证明Ωo系数的使用小于规定的默认值。

3.16设计地震荷载如何与其他荷载相组合?

根据规范规定的荷载组合,设计地震力必须与其他荷载相结合,主要是静荷载和活荷载以及侧向土压力和流体引起的荷载。IBC16章提供了三组荷载组合:

•强度(LRFD)荷载组合;

•基本ASD荷载组合;

•备用ASD荷载组合。

强度荷载组合用于LRFD程序。基本或备用ASD荷载组合可与ASD一起使用。

基本和备选ASD荷载组合之间的主要区别在于,对于包含瞬态荷载(如风荷载或地震荷载)的荷载组合,基本组合不允许增加三分之一的应力,而备选组合则允许。基本ASD荷载组合将产生与LRFD的强度荷载组合相当的钢结构设计。然而,可供选择的ASD荷载组合可能不会。几年来,一些工程师一直在推动取消可供选择的滑动门荷载组合,因为它们不能提供与LRFD相同的固有失效保护。

SEI/ASCE 7给出了LRFD的强度荷载组合和ASD的基本荷载组合。这些荷载组合可在标准的两个不同位置找到。第2章介绍了适用于所有荷载条件的组合,包括不考虑地震力的情况。SEI/ASCE 712.4节以某种明确的方式重复了包括地震力在内的荷载组合。

3.17何时应使用AISC 341

AISC 341必须与SEI/ASCE 7AISC 360一起用于以下设计:

•对于抗震设计类别为DEF的所有结构钢抗震体系;

•对于抗震设计类别为BC的所有结构钢抗震体系,除非使用符合SEI/ASCE 712.2-1中“未特别详细说明抗震性能的结构钢系统”要求的R=3系统;以及

•对于抗震设计类别为BCDEF的所有组合结构钢和混凝土抗震体系。

3.18钢结构设计中何时应使用R=3

当所选抗震荷载系统的设计符合SEI/ASCE 7中“未特别详细说明抗震性能的结构钢系统”的要求时,可使用R=3系统确定建筑物的地震力。此类结构中的抗震荷载系统必须与足够的强度和刚度来抵抗设计地震力,但不需要符合AISC 360要求以外的任何特殊构造标准或配置限制。规范允许在B类和C类抗震设计中使用这种设计方法。

这种设计方法通常是有利的,因为它可以让工程师在配置结构时有更大的灵活性,并且通常会导致较低成本的结构。这类结构的成本可以大大低于根据AISC 341设计的结构,这有几个原因。首先,以这种方式设计的结构通常可以使用较轻的截面。这是通过避免AISC 341的特殊紧凑性标准,避免设计柱来抵抗由Ωo系数放大的轴向力的需要,以及避免需要将具有强柱弱梁配置的力矩框架比例。此外,以这种方式设计的结构的连接成本可以大大降低,因为连接只需要按比例来承受设计地震力,而不是发展连接构件的预期强度。

但是,应该认识到,如果实际发生强震,以这种方式设计的结构的性能可能不如按照AISC 341设计的结构。R=3系统通常不适合用于居住类型为Ⅳ的设施,在该类设施中,灾后可操作性是可取的。同样重要的是要认识到AISC 341所包括的一些抗震荷载系统的R系数小于3,尤其是悬臂柱系统和普通组合抗弯框架。如果使用其中一个结构系统,则应遵守SEI/ASCE 7AISC 341规定的所有适用构造要求,即使使用了较低的R值。


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作者: ganggouren

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