美国ANSI／AISC SSPEC-2002《钢结构建筑抗震设计规定》介绍(4)

美国ANSI/A ISC SSPEC-2002

《钢结构建筑抗震设计规定》介绍(4)

李志明

(中冶集团建筑研究总院　北京　100088)

摘　要　2002年1月31日,美国钢结构协会(AISC)和AISC规范委员会正式批准发布《钢结构建筑抗震设计规定》。本文为《钢结构建筑抗震设计规定》介绍(3)之续篇,对“规定”中“钢结构建筑”部分的第13～16章节,包括特殊中心支撑抗弯框架(SCBF)、普通中心支撑抗弯框架(OCBF)和偏心支撑抗弯框架(EBF)方面的有关内容进行了介绍并作了必要的说明。

关键词　特殊中心支撑抗弯框架(SCBF)　普通中心支撑抗弯框架(OCBF)　偏心支撑抗弯框架(EBF)

INTR OD UCTION T O“SEISMIC PR OVISIONS FOR STRUCTURAL

STEE L BUI LDING S”(ANSI/AISC SSPEC-2002)(4)

Li Zhiming

(Central Research Institute of Building and Construction,MCC　Group　Beijing　100088)

ABSTRACT　“Seismic Provision for Structural Steel Buildings”(ANSI/AISC SSPEC-2002)was approved by AISC committe on s pecifications and issue by the AISC Broad of Directors dated January31,20021This paper introduces mainly the key contents of sections13to16in Part1,includin g Special Concentrically Braced Frames(SCBF),Ordinary Concentrically Braced Frames(OCBF)and Eccentrically Braced Frames(EBF)of the Provisions,where the relevant contents are explained1The other sections will be introduced later1

KE Y WOR DS　special concentrically braced frames(SCBF)　ordinary concentrically braced frames(OCBF)　eccentrically braced frames(EBF)

13　特殊中心支撑抗弯框架(SCBF)

1311　适用范围

特殊中心支撑抗弯框架(SCBF)应能承受在设计地震动(Design Earthquake)作用下所产生的显著的弹塑性变形。由于特殊中心支撑抗弯框架在受压支撑屈曲时,强度退化较小,因此其延性性能优于普通中心支撑抗弯框架(OCBF)(见本“规定”第14章)。

要求特殊中心支撑抗弯框架(SCBF)符合本章各条款的要求。

1312　支　撑

131211　长细比

支撑杆件的长细比,应符合Kl/r≤5187E s/E y,其中K为柱状杆件的有效长度系数。

131212　抗压承载力

受轴向压力的支撑杆件的抗压承载力不应超过Φc P n,其中Φc为受压抗力分项系数;P n为杆件的轴向抗压强度标准值。

131213　水平力分配　

沿支撑的任何线,支撑应被设置在交替的方向,如对平行于支撑方向力的每个方向,总水平力的30%～70%由受拉支撑承受,除非每一个受压支撑的轴向抗压强度标准值P n大于承载力P u,该承载力是根据有关现行建筑规范中包括放大地震荷载的荷载组合来确定的,在本“规定”中,支撑线的定义是轴线或轴线的平行线,但其间距不能大于与该平行线垂直方向的建筑物尺寸的10%。

131214　宽厚比　

设加劲肋或未设加劲肋的受压支撑杆件的宽厚比均应符合L RFD规范第2章(Chapter B)表B511中的规定(即λ<λp),并满足下列要求:

1)角钢肢的宽厚比应满足本“规定”第8章中表5所列λ

ps

值的要求,其中λps为受压构件的允许宽厚比,见文献〔2〕。

作　者:李志明　男　1945年5月出生　教授级高工

收稿日期:2003-06-10

2)工字钢和槽钢应满足本“规定”第8章中表5所列λps 值的要求。

3)除管壁设有加劲肋的圆形结构管材外,其余圆管杆件的截面外径与壁厚之比应满足本“规定”第8章中表5所列λps值的要求。

4)除了管壁设有加劲肋的矩形结构管材外,其余方管

杆件的截面长边与壁厚之比应满足本“规定”第8章中表5所列λps值的要求。

131215　组合构件　

组合构件点焊连接的间距,要符合连接点间的单根构件长细比l/r不超过组合构件控制长细比的014倍;2)点焊连接的总的抗剪设计强度应不低于单个构件的抗拉设计强度。点焊连接的间距要均匀布置并不少于两点。螺栓连接不能设于支撑净长度的中间1/4范围内;3)对可能会产生屈曲但不会在组合构件连接中产生剪力的支撑,其点焊连接的间距可放宽,可按连接点间的单根构件的长细比l/r不超过组合构件控制长细比的0175倍取值。

1313　支撑连接

131311　承载力

支撑连接的承载力(若梁柱节点连接属于支撑体系的一部分,则包括梁柱节点连接的承载力)应取以下各条中的较小者:

1)支撑杆件的抗拉强度标准值,按R y F y A g确定。

2)根据计算分析确定的从结构体系传至支撑的最大作用力。

131312　抗拉强度

支撑杆件和其节点连接应根据L RFD规范〔1〕第10章第1014节(Chapter J4)中的规定,采用有效净截面和组合剪切断裂强度(Block Shear Rupture Strength)进行抗拉断裂极限状态验算,其抗拉设计强度应不小于本“规定”第1313条第1款中要求的承载力值。

131313　抗弯强度

按计算分析所确定的可能会发生支撑屈曲的方向上,支撑连接节点的抗弯设计强度应大于或等于该支撑绕临界屈曲轴的抗弯强度标准值111R y M p。

当支撑连接满足本“规定”第1313条第2款的要求,可以吸纳支撑屈曲后变形所产生的弹塑性转角,允许其抗弯设计强度至少按支撑抗压强度标准值F cr A g取值,其中F cr为受弯屈曲抗压设计强度。

131314　节点板

在节点板设计中应考虑屈曲的影响。

1314　关于特殊形式支撑的专门要求

131411　V型支撑和人字型支撑

V型支撑和人字型支撑应符合以下限制:

1)梁与支撑杆件相交时,梁应保持连续。

2)梁与支撑杆件相交时,梁应按L RFD规范[1]所要求的(静+活)荷载组合进行设计,并假定支撑对梁不起作用。

3)梁与支撑杆件相交时,梁应按各相关的现行建筑规范所规定的荷载效应组合设计,在荷载组合中以荷载Q b代替地震作用项E,其中Q b是支撑作用在梁上的最大非平衡竖向荷载作用力(亦可理解为支撑在屈曲后产生的力重分布)。对受拉支撑,该项荷载作用最小取值为R y P y,其中P y是支撑杆件屈服强度标准值,R y是屈服强度修正系数。对受压支撑,最大取值为013

杆件抗压强度标准值。

4)与支撑杆件相交梁的上、下翼缘,按能承受2%的梁翼缘强度标准值(F y b f t bf)的侧向水平力进行设计。

对于建筑物顶部的小房、单层建筑和建筑物顶层可不受第2款、第3款的限制。

131412　K型支撑

在特殊中心支撑抗弯框架(SCBF)中不允许使用K型支撑。

1315　柱

特殊中心支撑抗弯框架(SCBF)中的柱应满足以下要求。

131511　宽厚比

设加劲肋或未设加劲肋的受压柱的宽厚比,应符合本“规定”第1312节第131214条中关于受压支撑杆件宽厚比的要求。

131512　拼接接头

除了应符合本“规定”第813节要求外(文献〔2〕),特殊中心支撑抗弯框架(SCBF)中的柱拼接接头应按拼接处较小柱的剪切强度标准值和50%的抗弯强度标准值进行设计。拼接接头应设在柱净高的中间1/3区域内。

14　普通中心支撑抗弯框架(OCBF)

1411　适用范围

普通中心支撑抗弯框架(OCBF)的所有杆件、节点连接应能承受在设计地震动(Design Earthquake)作用下所产生的弹塑性变形。要求OCBF符合本章各条款的要求。

1412　强　度

在普通中心支撑抗弯框架(OCEF)中的杆件、节点连接(除支撑连接)的承载力,应根据各现行建筑规范中所规定的包括放大地震荷载的荷载组合来确定。支撑连接的设计强度应大于或等于支撑的抗拉强度的期望值,取值为R y F y A g。在V型支撑和人字型支撑中,支撑的长细比(Kl/r)不应大于4123E s/F y。

15　偏心支撑抗弯框架(EBF)

1511　适用范围

偏心支撑抗弯框架(EBF)中的耗能连梁应能承受在设计地震动(Design Earthquake)作用下所产生的较大的弹塑性变形。当耗能连梁受到使其进入完全屈服和应变硬化阶段的最大荷载作用时,偏心支撑抗弯框架中的斜支撑、柱及非耗能连梁梁段应仍能保持弹性。在采用偏心支撑抗弯框架(EBF)体系、层数超过五层的建筑中,其上部楼层可以采用普通中心支撑抗弯框架(OCBF)或特殊中心支撑抗弯框架(SCBF),但仍应按偏心支撑抗弯框架(EBF)体系的组成部分考虑其抗力系数。

要求偏心支撑抗弯框架(EBF)符合本章各条款的要求。1512　耗能连梁

1)耗能连梁板件的宽厚比,应满足本“规定”第8章中表

5的要求(文献〔2〕

)。2)耗能连梁所使用的钢材的最小屈服强度,不应低于50ksi (345MPa )。

3)耗能连梁的腹板应采用单板,不应使用补强板加强腹

板,不允许在梁腹板穿孔。

4)除本节第6条的限制外,耗能连梁的剪切承载力V u

不应大于其剪切设计强度值

019;V n 为耗能连梁的剪切强度标准值,取值为V p 或2M p /e ,kips (N );V p 为016F y A w ,kips (N );e 为耗能连梁的

长度,in (mm );A w =(d b -2t f )t w ,in 2(mm 2)。

5)若耗能连梁的轴向承载力P u ≤0115P y ,其中P y =F y A g ,则可不考虑轴向力对剪切设计强度值的影响。

6)若耗能连梁的轴向承载力P u 大于0115P y ,应满足下

列附加条款:

a 1耗能连梁的剪切设计强度,应取

的较小值,

其中,<为抗力系数,

取019;V pa =

V p

1-(P u /P y )2;M pa =1118M p [1-(P u /P y )]。b 1耗能连梁的长度应符合以下规定:

当ρ′(A w /A g )≥013时,不大于[1115-015×ρ′

(A w /A g )]×116M p /V p

(1)当ρ′

(A w /A g )<013时,不大于116M p /V p (2)

其中,A w =(d b -2t f )t w ρ′=P u /V u

7)当总的层间侧移等于层间侧移设计值时,耗能连梁

转角则为耗能连梁与非耗能连梁梁段间的弹塑性转角。根据偏心支撑抗弯框架以刚-塑性机制变形的假定,可对耗能连梁转角作粗略、

偏于安全的估计。图1给出了各种类型偏心支撑抗弯框架的耗能连梁转角计算方法,亦可通过精确的弹塑性分析得出耗能连梁转角值。

注:Δp 为塑性层间侧移,in (mm ),偏于安全考虑,可

取为层间侧移设计值;e 为耗能连梁的长度,in (mm );h 为层高,in (mm );L 为柱距(跨度),in (mm );θp =Δp /h ,为塑性层间转角,rad ;γp 为耗能连梁转角,rad 。

图1　耗能连梁变形机制与转角的关系

耗能连梁转角不应大于下列值:

a 1当耗能连梁的长度等于或小于116M p /V p 时,为0108rad 。

b 1当耗能连梁的长度大于或等于216M p /V p 时,为0102rad 。

c 1当耗能连梁的长度介于116M p /V p 和216M p /V p 之

间时,按线性插值。

1513　耗能连梁腹板加劲肋设置

1)在斜支撑与耗能连梁交接处,应在连梁腹板双侧设

置全高加劲肋。加劲肋的总宽度不小于(b f -2t w ),厚度不小于0175t w 或3/8in (10mm )(取其中较大者),其中b f 和t w 分别为连梁翼缘宽和腹板厚度。

2)耗能连梁中间部位加劲肋的设置应符合下列要求:a 1当耗能连梁的长度等于或小于116M p /V p 时,应设置

耗能连梁的中间加劲肋。加劲肋的间距在耗能连梁转角为

0108rad 时,加劲肋的间距不应大于(30t w -d/5);耗能连梁

转角为0102rad 时,不应大于(52t w -d/5);耗能连梁转角为

0102～0108rad 时,按线性插值。

b 1当耗能连梁的长度介于216M p /V p 和5M p /V p 之间

时,耗能连梁应设置中间加劲肋,加劲肋的间距应为115b f 。

c 1当耗能连梁的长度在116M p /V p 和216M p /V p 之间

时,耗能连梁中间加劲肋的设置应符合本节第1条、第2条的要求。

d 1当耗能连梁的长度大于5M p /V p 时,耗能连梁可不设

置中间加劲肋。

e 1中间加劲肋应全高设置。当连梁高度小于25in (635mm )时,可仅设置连梁腹板单侧加劲肋。腹板单侧加

劲肋的厚度不应小于t w 或3/8in (10mm )(取其中较大者),宽度不应小于(b f /2)-t w 。当连梁高度大于或等于25

in (635mm )时,仍应在腹板双侧设置中间加劲肋。

3)耗能连梁中间加劲肋与腹板间的贴角焊缝的设计强

度不应低于A st F y ,其中A st 是加劲肋的截面面积。中间加劲肋与翼缘连接的贴角焊缝的设计强度不应低于A st F y /4。

1514　耗能连梁与柱的连接

1)耗能连梁与柱的连接必须满足本“规定”1512节第7

条中关于耗能连梁转角的要求。此连接在柱表面处的强度值必须至少等于第1512节第4条规定的关于耗能连梁的剪切强度标准值V n 。

2)为证明耗能连梁与柱的连接符合本“规定”第1514节

第1条规定的要求,可按下列方法之一对连接进行试验:

a 1按照附录P 的要求,对偏心支撑抗弯框架的节点连

接作预评定。

b 1按照附录S 的要求,提供反复加载试验结果。试验

至少进行两次,允许根据下述任何一种方法提供结果:

a )使用与实际工程条件相同的其他项目的研究成果或

试验报告,该实际工程条件应符合附录S 限定的要求;

b )为实际工程进行试验,其构件材料、材料强度、连接形

状和连接的加工等均符合附录S 限定的要求。

例外:为防止耗能连梁屈服向梁柱节点发展,在连梁端

部到节点间设有加强段(例如加腋),并将从斜支撑节点到加强段端头间的梁段设置为耗能连梁,若该连梁的长度不大于

116M p /V p ,而且加强段截面和节点连接的设计强度大于或

等于本“规定”第1516节第1条要求的应变硬化耗能连梁的承载力时,对此已加强节点连接可不做循环加载试验。

应按本“规定”第1513节第1条的要求,在连梁至加强段的范围内设置连梁腹板双侧全高加劲肋。

1515　耗能连梁的水平侧向支撑

应在耗能连梁两端的上下翼缘部位设置水平侧向支撑。连梁端部水平侧向支撑的设计强度可按梁翼缘强度标准值

(R y F y b f t f )的6%取值。

1516　斜支撑和非耗能连梁梁段

1)斜支撑的轴向和抗弯组合承载力应由耗能连梁抗剪

强度标准值R y V n 产生的轴力和弯矩确定,并提高1125倍以考虑应变硬化的影响,其中V n 见本

“规定”第1512节第4条规定。斜支撑的设计强度(见L RFD 规范第8章和附录H3要求)应大于以上所定义的承载力强度。

2)耗能连梁外梁段的强度应符合下列要求:

a 1非耗能连梁梁段的承载力至少应为耗能连梁抗剪强

度标准值R y V n 的111倍,其中V n 见本“规定”第1512节第

4条规定。可按L RFD 规范的规定值乘以R y 来确定非耗能连

梁梁段的设计强度。

b 1为保持非耗能连梁梁段的稳定,根据计算分析要求,

在梁段的上下翼缘设置水平侧向支撑。各个水平侧向支撑的设计强度可按梁翼缘强度标准值(R y F y b f t f )的2%取值。

3)在斜支撑和非耗能连梁梁段相连时,斜支撑和梁段中

线的交点应位于耗能连梁的端部或连梁之内,可参见图2、图3说明

。

1-双侧设置全高加劲肋;2-耗能连梁两端的上下翼缘设

置水平侧向支撑;3-双侧设置中间加劲肋连梁高度≥25in

(635mm );4-支撑中心线与梁中心线的交点位于连梁之内

图2　设有宽翼缘H

型钢支撑的偏心支撑抗弯框架

1-双侧设置全高加劲肋;2-耗能连梁两端的上下翼缘设

置水平侧向支撑;3-双侧设置中间加劲肋连梁高度≥25in

(635mm );4-支撑中心线与梁中心线的交点位于连梁之内

图3　设有矩形结构管材支撑的偏心支撑抗弯框架

4)斜支撑和非耗能连梁梁段的节点连接的承载力,最小

应等于本“规定”第1516节第1条所规定的斜支撑的剪切强度标准值。节点连接的任何部分不得进入耗能连梁梁段内。若耗能连梁的部分梁端弯矩由支撑承担,则该节点应按完全约束型(刚性)连接设计。

5)斜支撑板件的宽厚比应符合L RFD 规范第2章(Chapter B )中表B511关于λp 的规定。1517　梁柱节点连接

耗能连梁远端的梁柱节点连接可在其腹板平面内设计成铰接。节点连接应具有足够的承载力来承担相对于梁纵轴的转角,该承载力是一对大小相等方向相反、作用于梁上下翼缘的水平力,其值最小可取为梁翼缘强度标准值

(F y b f t f )的2%。

1518　柱承载力

柱承载力,除了满足本“规定”第8章(见文献〔2〕

)中的要求外,还应根据现行建筑规范要求的荷载组合来确定。所确定的承载力应不大于耗能连梁强度标准值(R y V n )的111倍,系数111为考虑应变硬化作用,其中V n 见本

“规定”第1512节第4条规定。16　品质管理(略)

参考文献

1　American Institute of Steel Construction ,Inc 1Load and Resistance

Factor Design Specification for the Structural Steel Buildings ,19992　李志明1美国ANSI/SISC SSPEC -2002《钢结构建筑抗震设计

规定》

(1/2).钢结构,2003(2/3)(待续)

第六届中国北京国际科技产业博览会在北京举行

第六届中国北京国际科技产业博览会9月12日～15日在京举行。

科博会期间,共举办展览会、演讲论坛、技术交易和经贸洽谈、专项交流等活动近百场次。其中,展览会参展单位2006家;以技术引进、招商引资以及政府采购、奥运建设与产品市场开发推介、传统产业改造、中小企业科技创新、农业科技项目推广等为内容的6场经贸洽谈活动,吸引了7000多人次参与洽谈;以科技创新、社会发展、国际合作、人才交流等为内容的22场论坛及专项活动,演讲人518位,其中包括国际著名科学家、世界500强企业的首脑、企业家、金融家等知名人士,听众达到12000多人次。

第七届“中国北京国际科技产业博览会”将于2004年5月22日～26日在北京举行。