[PPT]大跨屋盖建筑抗震设计

1、建筑抗震设计规范（GB50011-2010）2022年7月22日第十七讲 大跨屋盖建筑 大跨屋盖建筑新增内容（规范10.2节）近年来大跨屋盖建筑的数量和规模增长迅速；对大跨屋盖建筑的抗震设计重视不够。一度出现不少造型奇特、结构很不规则、抗震性能差的建筑。 本次修订主要对一些常用的大跨屋盖结构形式的抗震设计作出规定；同时也明确了需进行专门研究和论证的屋盖结构范畴。10.2 大跨屋盖建筑编写的基本思想 结构布置合理、计算分析正确、抗震措施有效在结构布置上，强调屋盖结构及其下部支承结构的质量、刚度分布均衡，确保结构的整体性和传力明确。在计算分析方面，重视上部、下部结构的协同工作，应计入多向地震作用的

2、效应。在抗震措施上，定义了关键杆件和关键节点，并规定了相应的加强措施。编写的基本框架（1）一般规定：适用的结构范围、结构选型、结构布置、薄弱部位处理、非结构构件。（2）计算要点：应进行抗震计算的范围、计算模型、计算方法、计算参数、多向地震、地震效应组合、变形限值、关键杆件和节点。（3）抗震构造措施：构件的长细比限值、节点构造要求、支座构造要求、隔振减振支座要求。 共17条。10.2 大跨屋盖建筑(I) 一般规定（共5条）适用结构范围 10.2.1条。结构选型和布置 10.2.2条和10.2.3条。薄弱部位（含防震缝） 10.2.4条。非结构构件。 10.2.5条。10.2 大跨屋盖建筑适用的屋

3、盖结构范畴 本规范将大跨屋盖建筑结构定义为“与传统板式、梁板式屋盖结构相区别，具有更大跨越能力的屋盖体系”。适用于刚性大跨钢结构屋盖 七种基本形式：拱、平面桁架、立体桁架、网架、网壳、张弦梁、弦支穹顶。 以及由以上基本形式组合而成的屋盖。 *柔性屋盖体系，混凝土和钢-混凝土组合屋盖暂不适用 10.2 大跨屋盖建筑适用的屋盖结构范畴七类基本形式10.2 大跨屋盖建筑需要进行专门研究和论证的结构范围 本规范对下列两类屋盖结构明确指出需要进行专门的抗震性能研究和论证： 跨度大于120m、结构单元长度大于300m 或悬挑长度大于40m 的屋盖结构。 由于抗震设计经验的缺乏，新出现的屋盖结构形式。 实际

4、上，以上两类结构的研究和论证可结合城乡和住房建设部超限高层建筑工程抗震设防专项审查工作进行。 此外，可开启屋盖也属于非常用形式之一，其抗震设计除满足本规范的规定外，与开闭功能有关的设计也需要另行研究和论证。10.2 大跨屋盖建筑10.2.1 本节适用于采用拱、平面桁架、立体桁架、网架、网壳、张弦梁、弦支穹顶等基本形式及其组合而成的大跨度钢屋盖建筑。 采用非常用形式以及跨度大于120m、结构单元长度大于300m或悬挑长度大于40m的大跨钢屋盖建筑的抗震设计，应进行专门研究和论证，采取有效的加强措施。适用于刚性大跨钢结构屋盖。 不包括柔性结构、钢-混凝土组合屋盖。强调需进行专门研究和论证的范畴（包

5、括开启式屋盖、新结构形式） 。10.2 大跨屋盖建筑二、大跨屋盖的结构布置1、基本原则 1)屋盖的地震作用应能有效地通过支座向下传递；(水平地震力的传递、支撑系统的布置、支承点的布置、支座的承载能力等) 2)避免屋盖内力集中或较大扭转效应；（屋盖、支承及下部结构的布置宜均匀对称） 3)保证屋盖结构的整体性；（优先采用空间传力体系、避免局部削弱或突变的薄弱部位） 4)宜采用轻型屋面系统。（严格控制屋面系统的单位自重）10.2 大跨屋盖建筑10.2.2 屋盖结构的选型和布置，应符合下列各项要求：1 应能将屋盖的地震作用有效地传递到下部支承结构。2 应具有合理的刚度和承载力分布，屋盖及其支承的布置宜

6、均匀对称。3 宜优先采用两个水平方向刚度均衡的空间传力体系。4 结构布置宜避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的内力、变形集中。对于可能出现的薄弱部位，应采取措施提高抗震能力。5 宜采用轻型屋面系统。6 下部支承结构应合理布置，避免使屋盖产生过大的地震扭转效应。是本规范3.4和3.5节规定的补充。对结构布置的要求不仅针对屋盖结构，也包含下部支承结构。 10.2 大跨屋盖建筑二、大跨屋盖的结构布置2、单向传力体系 一般情况下，单向传力体系的主要抗震措施是保证垂直于主结构方向的水平地震力传递以及主结构的平面外稳定性。因此，强调了屋盖支撑系统合理布置的重要性。在单榀立体桁架中，与屋面支撑同层的

7、两（多）根主弦杆间也应设置斜杆（如图17.2）。 其次，当桁架支座采用下弦节点支承时，必须采取有效措施确保支座处桁架不发生平面外扭转，设置纵向桁架是一种有效的做法，同时还可保证纵向水平地震力的有效传递。这一方面可提高桁架的平面外刚度，同时也使得纵向水平地震内力在同层主弦杆中分布均匀，避免薄弱区域的出现。10.2 大跨屋盖建筑二、大跨屋盖的结构布置3、空间传力体系 对平面形状为矩形且三边支承一边开口的屋盖结构，提出了通过在开口边局部增加层数来形成边桁架，以提高开口边的刚度和加强结构整体性的措施。 对于两向正交正放网架和双向张弦梁，由于屋盖平面的水平刚度较弱，为保证结构的整体性及水平地震作用的有效

8、传递与分配，应沿上弦周边网格设置封闭的水平支撑（如图17.3）。当结构跨度较大或下弦周边支承时，下弦周边网格也应设置封闭的水平支撑。 规范同时也强调了单层壳的节点应刚接。10.2 大跨屋盖建筑10.2.3 各类屋盖体系的结构布置，尚应分别符合下列要求： 1 单向传力体系的结构布置，应符合下列规定： 1) 主结构（桁架、拱、张弦梁）间应设置可靠的支撑，保证 垂直于主结构方向的水平地震作用的有效传递。 2) 当桁架支座采用下弦节点支承时，应在支座间设置纵向桁 架或采取其它可靠措施，防止桁架在支座处发生平面外扭转。 2 空间传力体系的结构布置，应符合下列规定： 1) 平面形状为矩形且三边支承一边开口

9、的结构，应加强开口边，保 证足够的刚度。 2) 两向正交正放网架、双向张弦梁，应沿周边支座设置封闭的水平 支撑。 3) 单层网壳应采用刚接节点。注：单向传力体系指平面拱、单向平面桁架、单向立体桁架、单向张弦梁等结构形式；空间传力体系指网架、网壳、双向立体桁架、双向张弦梁和弦支穹顶等结构形式。单向类：可靠的支撑系统和防止支座扭转；空间类：保证结构刚度的均衡性和构成的稳定性。10.2 大跨屋盖建筑二、大跨屋盖的结构布置4、防震缝 设置防震缝往往是有效的，本规范明确可以使用。 震缝宽度，规范规定不宜小于150mm。这主要是根据下部支承结构为框架结构或框架-抗震墙结构时的最小缝宽综合确定。 规范所规定

10、的最小防震缝宽度可能不足。建议最好按设防烈度下两侧独立结构在交界线上的相对位移最大值来复核。10.2 大跨屋盖建筑10.2.4 当屋盖分区域采用不同的结构形式时，交界区域的杆件和节点应加强；也可设置防震缝，缝宽不宜小于150mm。10.2.5 屋面围护系统、吊顶及悬吊物等非结构构件应与结构可靠连接，其抗震措施应符合本规范第13章的有关规定。 允许设置防震缝。 建议大跨屋盖结构防震缝的缝宽可按设防烈度下两侧独立结构在交界线上的相对位移最大值来确定。对于规则结构，缝宽也可将多遇地震下的最大相对变形值乘以不小于3的放大系数近似估计。 强调屋盖的非结构构件抗震设计的重要性。10.2 大跨屋盖建筑(II

11、) 计算要点（共8条）可不进行抗震计算的结构范围 10.2.6条。计算模型 10.2.7条。阻尼比取值 10.2.8条。水平地震 10.2.9条。计算方法 10.2.10条。各向效应组合 10.2.11条。变形限值 10.2.12条。关键构件和节点 10.2.13条。10.2 大跨屋盖建筑三、抗震计算的基本要求1、可不进行抗震作用计算的范围 网架结构设计与施工规程JGJ7-91规定：6、7 度时的网架可不进行竖向、水平地震作用计算；8 度时，中小跨度（小于等于60m）网架可不进行水平地震作用计算。 网壳结构技术规程JGJ61-2003中沿用了网架结构设计与施工规程JGJ7-91中将水平和竖向地

12、震作用分开考虑的做法，强调7 度时的网壳结构可不进行竖向抗震计算，但必须进行水平抗震计算。 在空间网格结构技术规程（送审稿）中，对7 度时可不进行竖向地震计算的网壳结构限定在矢跨比大于等于1/5 的情况。 本次修订的主要考虑是，对于大跨屋盖结构中的空间传力体系，通常并没有明确的抗侧力系统。也就是说，构件的承受的地震力来自各向地震动分量的共同作用，结构的地震效应必须考虑多向地震效应的组合，因此地震作用也就不能仅计算水平或竖向。同时由于目前大跨屋盖结构的地震作用计算基本是电算，既然计算了水平地震作用，那么竖向地震作用计算就不会有太大问题。故本次修订弱化了屋盖结构的地震效应按水平和竖向区分的概念。1

13、0.2 大跨屋盖建筑10.2.6 下列屋盖结构可不进行地震作用计算，但应符合本节有关的抗震措施要求： 1 7度时，矢跨比小于1/5的单向平面桁架和单向立体桁架结构可不进行沿桁架的水平向以及竖向地震作用计算。 2 7度时，网架结构可不进行地震作用计算。 与网格结构规程统一，但范围有所缩小，仅限于平板型网架和矢跨比小的桁架。10.2 大跨屋盖建筑三、抗震计算的基本要求2、水平地震作用的计算方向 对于单向传力体系，可以以主结构方向和垂直于主结构方向分别作为主方向进行结构地震作用计算。 而空间传力体系的屋盖结构，通常难以明确划分为沿某个方向的抗侧力构件，需要沿两个水平主轴方向同时计算水平地震作用。对于

14、平面为圆形、正多边形的屋盖结构，可能存在两个以上的主轴方向，此时需要根据实际情况增加地震作用的计算方向。另外，当屋盖结构、支承条件或下部结构的布置明显不对称时，也应增加水平地震作用的计算方向。10.2 大跨屋盖建筑10.2.9 屋盖结构的水平地震作用计算，应符合下列要求： 1 对于单向传力体系，可取主结构方向和垂直主结构方向分别计算水平地震作用。 2 对于空间传力体系，应至少取两个主轴方向同时计算水平地震作用；对于有两个以上主轴或质量、刚度明显不对称的屋盖结构，应增加水平地震作用的计算方向。10.2 大跨屋盖建筑三、抗震计算的基本要求3、多向地震效应的组合 对于单向传力体系，可针对各向抗侧力构

15、件分别进行地震作用计算。 除单向传力体系外，一般屋盖结构构件验算应考虑三向（两个水平向和竖向）地震作用效应的组合:10.2 大跨屋盖建筑地 震 作 用EhEv同时计算水平与竖向地震作用(水平地震为主)1.30.5同时计算水平与竖向地震作用(竖向地震为主)0.51.3规范表5.4.1 地震作用分项系数10.2.11 屋盖结构构件的地震作用效应的组合应符合下列要求：1 单向传力体系，主结构构件的验算可取主结构方向的水平地震效应和竖向地震效应的组合、主结构间支撑构件的验算可仅计入垂直于主结构方向的水平地震效应。2 一般结构，应进行三向地震作用效应的组合。除单向类体系外，一般的屋盖结构并没有明确的各向

16、地震作用的抗侧力构件，即构件的地震效应往往包含三向地震作用的结果，因此其构件验算应考虑三向（两个水平向和竖向）地震作用效应的组合。这也是基本原则。10.2 大跨屋盖建筑四、计算模型、方法和参数1、屋盖与支承结构的协同工作 考虑上下部结构的协同作用是屋盖结构地震作用计算的基本原则。 考虑上下部结构协同工作的最合理方法是按整体结构模型进行地震作用计算。 下部结构简化必须依据可靠且符合动力学原理（即应综合考虑刚度和质量等效后的有效性）。10.2 大跨屋盖建筑10.2.7 屋盖结构抗震分析的计算模型，应符合下列要求：1 应合理确定计算模型，屋盖与主要支承部位的连接假定应与构造相符。2 计算模型应计入屋

17、盖结构与下部结构的协同作用。3 单向传力体系支撑构件的地震作用，宜按屋盖结构整体模型计算。4 张弦梁和弦支穹顶的地震作用计算模型，宜计入几何刚度的影响。 强调了上下部结构协同分析的重要性，是基本原则之一。10.2 大跨屋盖建筑四、计算模型、方法和参数2、关于几何刚度对于预应力桁架和网格结构、悬挂（斜拉）结构，几何刚度对结构动力特性的影响非常小，完全可以忽略。对于跨度较大的张弦梁和弦支穹顶结构，预张力引起几何刚度对结构动力特性有一定的影响。某些布索方案（譬如肋环型布索）的弦支穹顶结构，撑杆和下弦拉索系统实际上是需要依靠预张力来保证体系稳定性的几何可变体系（如图17.4），必须计入几何刚度。10.

18、2 大跨屋盖建筑四、计算模型、方法和参数3、计算方法 基本方法-振型分解反应谱法(柔性结构不宜采用）。 鼓励采用的方法-多向地震反应谱法、时程分析法、甚至多向随机振动分析方法。 依然保留竖向地震作用的简化算法 罕遇地震变形验算-弹塑性时程法10.2 大跨屋盖建筑10.2.10 一般情况，屋盖结构的多遇地震作用计算可采用振型分解反应谱法；体型复杂或跨度较大的结构，也可采用多向地震反应谱法或时程分析法进行补充计算。对于周边支承或周边支承和多点支承相结合、且规则的网架、平面桁架和立体桁架结构，其竖向地震作用可按本规范第5.3.2条规定进行简化计算。建议了一些更精细的分析方法进行复杂大跨屋盖结构的地震

19、作用计算，应该鼓励这些方法的应用，但实际操作还有些深层次问题值得讨论。对竖向地震作用的简化算法的适用范围进行了进一步限定。10.2 大跨屋盖建筑四、计算模型、方法和参数4、振型组合数 自振周期分布密集是大跨屋盖结构区别于多高层结构的重要特点。空间网格结构技术规程（送审稿）中建议，网架结构的组合振型数宜至少取前1015 阶，网壳结构宜至少取前2530 阶，但这主要是适用于可不按上下部结构整体模型进行计算的情况。 按整体模型计算时，两个水平方向的振型参与质量达到占总质量90 的要求；竖向振型参数质量系数却较难达到90，其主要的原因是下部结构竖向刚度和质量较大。办法： （1）如果仅设计屋盖结构，那么

20、能够确保计算结果随组合振型数增加而收敛，便可不过多拘泥参与质量系数达到90%的要求； （2）可以采用里兹振型（Ritz Modal）法，即组合振型采用里兹振型而不用自然振型。10.2 大跨屋盖建筑四、计算模型、方法和参数5、阻尼比的取值 关于上下部结构协同工作时的阻尼比研究更少，工程设计大多在0.0250.035 间取值，具体数值一般认为与屋盖钢结构和下部混凝土支承结构的组成比例有关。本次修订根据位能等效原则建议了两种计算整体结构阻尼比的方法，供设计中采用。 10.2 大跨屋盖建筑比较关注的问题。还提供了两种确定阻尼比的方法： （1）振型阻尼比法 (2) 统一阻尼比法试设计的结果，不敏感。在罕

21、遇地震作用下，一些实际工程的计算结果表明，屋盖钢结构也仅有少量构件能进入塑性屈服状态，所以阻尼比仍建议与多遇地震下的结构阻尼比取值相同。10.2.8 屋盖钢结构和下部支承结构协同分析时，阻尼比应符合下列规定：1 当下部支承结构为钢结构或屋盖直接支承在地面时，阻尼比可取0.02。2 当下部支承结构为混凝土结构时，阻尼比可取0.025 0.035。比较关注的问题。还提供了两种确定阻尼比的方法： （1）振型阻尼比法 (2) 统一阻尼比法试设计的结果，不敏感。在罕遇地震作用下，一些实际工程的计算结果表明，屋盖钢结构也仅有少量构件能进入塑性屈服状态，所以阻尼比仍建议与多遇地震下的结构阻尼比取值相同。10

22、.2 大跨屋盖建筑五、屋盖结构抗震验算2、变形验算 本次修订，对大跨屋盖结构在多遇地震下的变形进行了规定，其中部分参考了空间网格结构技术规程的相关规定。大跨屋盖结构在重力荷载代表值和多遇竖向地震作用标准值下的组合挠度值不宜超过规范表10.2.12 的限值。 10.2 大跨屋盖建筑1、关键杆件和关键节点 大跨屋盖结构由于其自重轻、刚度好，所受震害一般要小于其它类型的结构。但震害情况也表明，支座及其邻近构件发生破坏的情况较多，因此通过放大地震作用效应来提高该区域杆件和节点的承载力，是重要的抗震措施。10.2.13 屋盖构件截面抗震验算除应符合本规范第5.4节的有关规定外，尚应符合下列要求：1 关键

23、杆件的地震组合内力设计值应乘以增大系数；其取值，7、8、9度宜分别按1.1、1.15、1.2采用。2 关键节点的地震作用效应组合设计值应乘以增大系数；其取值，7、8、9度宜分别按1.15、1.2、1.25采用。3 预张拉结构中的拉索，在多遇地震作用下应不出现松弛。注：对于空间传力体系，关键杆件指临支座杆件，即：临支座2个区（网）格内的弦、腹杆；临支座1/10跨度范围内的弦、腹杆，两者取较小的范围。对于单向传力体系，关键构件指与支座直接相临节间的弦杆和腹杆。关键节点为与关键构件连接的节点。震害调查和研究表明，支座区域为易损区域，对该区域杆件和节点进行加强是必要的（通过放大组合设计值）。试设计表明

24、，在8度设防的条件下才对一些构件设计起控制。10.2 大跨屋盖建筑10.2.12 大跨屋盖结构在重力荷载代表值和多遇竖向地震作用标准值下的组合挠度值不宜超过表10.2.12的限值。表10.2.12 各类大跨屋盖结构的挠度限值 【说明】 多遇地震作用下的屋盖结构变形限值主要参考了空间网格结构技术规程的相关规定。结构体系屋盖结构(短向跨度l1)悬挑结构(悬挑跨度l2)平面桁架、立体桁架、网架、张弦梁 l1 /250 l2 /125 拱、单层网壳 l1 /400 双层网壳、弦支穹顶 l1 /300 抗震设计有必要对结构变形进行控制。10.2 大跨屋盖建筑(III) 抗震构造措施（共4条）构件长细比限

25、制 10.2.14条。节点构造 10.2.15条。支座构造 10.2.16条。隔振和减震支座 10.2.17条。10.2 大跨屋盖建筑六、抗震构造措施10.2 大跨屋盖建筑1、杆件的长细比限值 杆件长细比限值参考了钢结构设计规范和空间网格结构技术规程的相关规定，但对关键杆件的长细比限制加严，特别是8、9 度设防的关键杆件。如空间网格结构技术规程，一般受拉构件的容许长细比为350，支座杆件为250；受压杆件统一为180；压弯构件为150，拉弯构件为300。本次修订中，一般的受拉和拉弯杆件的容许长细比为250，受压构件为180，压弯构件为150。而对于关键杆件，受拉和拉弯构件的容许长细比统一为20

26、0，受压和压弯构件统一为150（8、9 度时为120）。10.2.14 屋盖钢杆件的长细比，宜符合表10.2.14的规定：表 10.2.14 钢杆件的长细比限值注：1 括号内数值用于8、9度；2 表列数据不适用于拉索等柔性构件杆件形式受拉受压压弯拉弯一般杆件250180150250关键杆件200150（120）150（120）200大跨屋盖钢结构的杆件长细比要求，主要参考空间网格结构技术规程和钢结构设计规范的相关规定，且对关键杆件作了适当加强。10.2 大跨屋盖建筑六、抗震构造措施10.2 大跨屋盖建筑2、节点构造 本次修订仅对常用节点板连接、相贯节点和焊接球节点的板件厚度提出了一定的要求，主要是保证节点不出现过小的承载力和刚度。 实际上大跨屋盖钢结构的节点形式众多，抗震设计时的节点选型要与屋盖结构的类型及整体刚度等因素结合起来，采用的节点要便于加工、制作、焊接。设计中，结构杆件内力的正确计算，必须用有效的构造措施来保证，且节点构造应符合计算假定。 在地震作用下，节点应不先于杆件破坏，也不产生不可恢复的变形，所以要求节点具有足够的强度和刚度。杆件相交于节点中心将不产生附加弯矩，也使模型计算假定更加符合实际情况。10.2.15 屋盖构件节点的抗震构造，应符合下列