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海外工程十五年之一二四——美标钢结构特殊抗弯框架之设计(3)

美标钢结构特殊抗弯框架之设计(2)

2.2钢框架抗震性能

即使在地震风险极高的地区,强烈地震也是罕见的事件,平均每隔数百年就会影响到典型的建筑工程。在经济上,设计结构以抵抗如此严重但罕见的地震而不造成破坏通常是不切实际的。相反,建筑规范采用了一种设计理念,通过最大限度地降低发生严重震动时的倒塌风险(称为风险目标最大考虑地震(MCER)震动)来提供安全性,同时允许在这些常见事件中发生广泛的结构和非结构损坏。

钢结构特殊抗弯框架结构的非弹性行为通过在梁柱连接接头处以及柱基处的梁中形成塑性铰来调节。梁和柱中的塑性铰可能伴随梁和柱翼缘的局部屈曲,以及腹板的大变形(图2-7)。认识到节点域的高延性非弹性行为以及这种行为将对梁的损伤降至最低的能力,AISC 341鼓励设计以适应梁中塑性铰和节点域之间的平衡屈服。

2-7 非弹性旋转高度下塑性铰区梁翼缘和腹板的典型局部屈曲。

除了这些期望的性能之外,还可能出现许多其他不太期望的模式。AISC341设计方法旨在将这些不太理想的模式的可能性降至最低,包括以下模式。

梁性能。当屈曲过度时,将发生强度损失,并最终发生与低周疲劳相关的断裂。对于出现塑性铰的构件,使用高度紧凑的截面可最大限度地降低因MCER震动而可能发生的强度损失和变形水平断裂的可能性。需要在预期塑性铰区提供横向支撑,以避免侧向扭转屈曲和与该模式相关的强度损失。

梁柱连接。连接必须能够在塑性铰接期间将梁或连接部件中产生的屈服水平应力和应变转移到柱上,并进行多次循环。根据使用的连接类型,这可能会引起以下任何损坏模式:

•焊缝内或焊缝周围断裂

•高应变每材断裂

•过焊孔处的断裂

•螺栓孔处的净截面断裂

•螺栓的剪切和拉伸破坏

•螺栓承压和块状剪切破坏

AISC341要求通过符合预验连接或原型试验证明,结构特殊抗弯框架中使用的连接能够承受至少+/-0.04弧度的旋转,而不会在承受由不断增加位移的重复循环组成的规定荷载时出现与这些或其他破坏模式相关的强度损失

节点域。由顶部和底部梁翼缘限定的柱部分组成的连接板区域,可抵抗从梁到柱的显著剪力、拉力和压力。潜在失效模式包括与梁受压翼缘相对的腹板受压屈曲、腹板剪切屈曲,以及如果使用补强板加固区域处焊缝的断裂。AISC 341设计方法通过对最小剪切强度的要求、对梁翼缘提供加劲板以及控制焊接构造来控制这些性能。

柱。除可能发生塑性铰的受约束柱基外,柱的设计应以基本弹性的方式进行,以尽量减少单层机构的潜在形成(图2-8)。这是通过以下要求实现的,即柱的弯曲度要比在同一接头处连接到柱上的梁的弯曲度更强。尽管如此,柱在严重震动时可能会经历显著的非弹性转动,从而导致过度的局部屈曲和侧向扭转屈曲,也可能发生整体屈曲。为了将这种可能性降至最低,柱必须具有足够的轴向强度、紧凑度和侧向支撑,以承受与形成全框架屈服机制相关的轴向力。

2-8 形成单层框架机构,也称为“软弱层”机构

柱拼接。柱拼接处的潜在破坏模式与梁柱连接处列举的破坏模式相似。柱拼接的破坏不仅会降低或消除抗弯和抗张强度,还会降低或消除柱传递剪力的能力。由于钢结构特殊抗弯框架结构中的重力承载柱可能会经历巨大的侧向变形和相关地震力,AISC 341规定了钢结构特殊抗弯框架结构中抗重力框架柱和抗震框架柱的拼接强度要求。

柱脚。潜在破坏模式取决于柱与基础之间的连接。如果非弹性变形集中在基础连接上方的区域,则可能包括锚固拉伸或拔出、底板或柱底板连接中的断裂和/或过度局部和侧向扭转屈曲。

结构稳定。当结构同时承受重力荷载和侧向侧移时,会产生内力和侧向位移的放大效应,称为P-Δ效应。这会降低框架的侧向抗力和刚度,一旦机构形成,可能会影响刚度,从而导致倒塌。此处提供的大部分指南侧重于旨在降低上述破坏模式可能性的设计原则和分析校核。

2.3何时使用钢结构特殊抗弯框架

抗弯框架结构的主要建筑优势是,它们没有结构墙或交叉支撑。因此,它们在设计中提供了建筑自由度,允许开放的隔间和畅通无阻的视线。这些好处的权衡是,抗矩框架结构的建造成本可能比支撑框架或剪力墙结构更高。增加的成本是由于在抗弯框架中使用比支撑结构和劳动密集型连接中常见的更大和更重的截面。但抗弯框架通常比其他结构体系统在地基上施加更小的力,从而采用更经济的基础体系。另一个考虑因素是,由于抗弯框架是固有的柔性结构,当地震确实影响它们时,侧移敏感的非结构构件,如围护和玻璃,与其他结构类型相比,在这些结构中可能遭受更多的损坏。

一旦为项目选择了钢结构抗弯框架,设计师可以从几种类型中进行选择,包括特殊抗弯框架、中等抗弯框架、普通抗弯框架和非抗震抗弯框架。以下是对这些不同体系使用限制的一般性讨论。ASCE 7§12.2.1,表12.2-1根据指定的抗震设计类别和结构高度说明了这些体系的使用限制。在抗震设计类别A中,对体系的使用没有限制。

非抗震的抗弯框架没有特殊的构造标准,只需符合ASCE7的强度和侧移限值以及AISC360的设计要求。在抗震设计类别DEF中,不允许将上述框架作为抗震体系。根据AISC 341§E1的规定要求,普通抗弯框架允许在所有抗震设计类别中的单层结构和低层住宅结构,允许在抗震设计类别ABC中使用,且不受限制。

按照AISC 341§E2中规定的更严格标准设计的中等抗弯框架,在抗震设计类别ABC中不受限制。在抗震设计类别D中,高度不超过35英尺(11米)的结构允许使用中等抗弯框架。在抗震设计类别EF中,仅允许在轻型单层结构使用中等抗弯框架。

钢结构特殊抗弯框架必须符合AISC 341§E3中的规定。在所有抗震设计类别中,允许使用特殊抗弯框架而不受限制,并且对于高度超过160英尺(49米)的大多数结构,在抗震设计类别DEF中,可使用特殊抗弯框架作为抗震体系的一部分。对于满足特定规则性标准的结构,在240英尺(73米)的高度处触发了加入特殊抗弯框架的要求。


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作者: ganggouren

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