淺談高層鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震概念設(shè)計(jì)

【摘 要】高層鋼結(jié)構(gòu)抗震性能的設(shè)計(jì)已得到設(shè)計(jì)行業(yè)的重視，在復(fù)雜的設(shè)計(jì)條件下，抗震概念設(shè)計(jì)可以從宏觀上實(shí)現(xiàn)合理抗震，使設(shè)計(jì)者對(duì)高層建筑設(shè)計(jì)進(jìn)行總體把握，本文就常見的抗震概念設(shè)計(jì)原則做了簡(jiǎn)單歸納和總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】高層鋼結(jié)構(gòu)；抗震；概念設(shè)計(jì)

0.引言

作為建筑領(lǐng)域的新興力量，我國(guó)多高層鋼結(jié)構(gòu)建筑行業(yè)發(fā)展迅速。混凝土結(jié)構(gòu)的房屋受壓較好，但抗拉能力極弱，二者強(qiáng)度差距達(dá)10倍，當(dāng)?shù)卣饋?lái)臨時(shí)，房屋在地震波循環(huán)荷載作用下，極易發(fā)生整體垮塌。而鋼結(jié)構(gòu)具有良好的延展性，可以將地震波的能耗抵消掉。由于鋼材基本上屬各向同性材料，抗拉、抗壓、抗剪強(qiáng)度均很高，而且具有良好的延展性，特別是鋼結(jié)構(gòu)憑著自己特有的高延展性減輕了地震反應(yīng)，所以鋼結(jié)構(gòu)可以看作比較理想的彈塑性結(jié)構(gòu)，通過(guò)結(jié)構(gòu)的塑性變形吸收和消耗地震輸入能量，從而具有較高的抵抗強(qiáng)烈地震的能力，同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)相對(duì)于其他結(jié)構(gòu)自重輕，這也大大減輕了地震作用的影響。

1.高層鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)

在高層鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震性能化的設(shè)計(jì)過(guò)程中，任何高層鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)的相關(guān)目標(biāo)都有兩個(gè)：一是地震發(fā)生時(shí)，不會(huì)因?yàn)楦邔咏ㄖ锏匿摻Y(jié)構(gòu)遭到結(jié)構(gòu)破壞而影響建筑內(nèi)人員的逃生；二是在地震發(fā)生時(shí)，不致因高層建筑物的鋼結(jié)構(gòu)遭到結(jié)構(gòu)破壞而使建筑產(chǎn)生的損失更大。

為了滿足總體目標(biāo)的規(guī)則和要求，高層建筑的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的相關(guān)功能目標(biāo)必須包括以下兩點(diǎn)：一是高層建筑物的某些部位的結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及高層建筑物的子結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)整體在有地震發(fā)生后的某一段的時(shí)間內(nèi)不能夠產(chǎn)生整體坍塌狀況，從而以保證高層建筑內(nèi)的工作人員和居住人員有足夠的時(shí)間逃生；二是建筑物的某些部位的結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及高層建筑物的整體結(jié)構(gòu)在發(fā)生地震下不能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，能夠繼續(xù)使用，不會(huì)迅速地變形或產(chǎn)生倒塌現(xiàn)象，從而在震后建筑物的結(jié)構(gòu)功能能夠最大程度上盡快得到恢復(fù)，從而相對(duì)程度上減少高層建筑在發(fā)生地震時(shí)直接和間接的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

2.高層鋼結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)的一般原則

概念設(shè)計(jì)一般指不通過(guò)數(shù)值計(jì)算，只根據(jù)結(jié)構(gòu)體系震害、力學(xué)關(guān)系、結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理、試驗(yàn)現(xiàn)象與工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)一些比較復(fù)雜、難以做出精確、理性的分析或規(guī)范中難以規(guī)定的工程問(wèn)題，而獲得的基本設(shè)計(jì)構(gòu)思。抗震概念設(shè)計(jì)根據(jù)抗震設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，避免了無(wú)必要的繁瑣計(jì)算，為抗震計(jì)算創(chuàng)造便于計(jì)算的模型，使計(jì)算分析結(jié)果更能反映地震時(shí)結(jié)構(gòu)反應(yīng)的實(shí)際情況，從宏觀上實(shí)現(xiàn)了合理抗震。目前國(guó)內(nèi)有一些高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，但對(duì)抗震計(jì)算的可靠性仍值得商榷，應(yīng)先由概念設(shè)計(jì)對(duì)高層建筑設(shè)計(jì)進(jìn)行總體把握。

在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，高層鋼結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)一般原則包括：

2.1建筑的體形要簡(jiǎn)單，平立面布置宜規(guī)則

體形簡(jiǎn)單和規(guī)則的建筑，受力性能明確，設(shè)計(jì)時(shí)容易分析結(jié)構(gòu)在地震作用下的實(shí)際反映及其內(nèi)力分布，構(gòu)件細(xì)部構(gòu)造也容易處理；反之，剛度和強(qiáng)度的突變，引起的應(yīng)力集中或變形集中，容易形成薄弱環(huán)節(jié)，造成嚴(yán)重后果。

2.2建筑的質(zhì)量和剛度變化要均勻

建筑的剛度和質(zhì)量分布不對(duì)稱，容易在水平地震作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)震動(dòng)，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)質(zhì)量和剛度分布不連續(xù)的情況應(yīng)加以限制，采取必要的構(gòu)造措施。

2.3選擇合理的抗震結(jié)構(gòu)體系，設(shè)置多道抗震防線

當(dāng)設(shè)計(jì)既抗風(fēng)又抗震的高層建筑時(shí)，希望設(shè)計(jì)成在風(fēng)荷載和規(guī)范規(guī)定的地震作用下是剛性的結(jié)構(gòu)體系，但當(dāng)?shù)卣鹱饔梅浅４髸r(shí)，又可通過(guò)控制其屈服而變成有延性的結(jié)構(gòu)?？蓪⒋笮拓Q向和水平構(gòu)件聯(lián)結(jié)成巨型框架，豎向構(gòu)件既可單獨(dú)抵抗橫向剪力，在地震作用下，與水平構(gòu)件又可組成整體結(jié)構(gòu)，而豎向獨(dú)立構(gòu)件與整體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期是明顯不同的。

2.4增加抗彎結(jié)構(gòu)體系的有效寬度

穩(wěn)固高層建筑物的一個(gè)辦法是把重量向邊緣轉(zhuǎn)移，在高度一定的情況下，限制建筑物的高寬比，國(guó)外70年代及以前建造的高層鋼結(jié)構(gòu)，高寬比較大的，如紐約世界貿(mào)易中心雙塔為6.6，其它建筑很少超過(guò)此值。

2.5設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分體系應(yīng)使其構(gòu)件以最有效的方式相互作用

大量研究表明，偏心支撐具有彈性階段剛度接近于延性框架的特點(diǎn)，是一種良好的抗震結(jié)構(gòu)，其原理是強(qiáng)柱，強(qiáng)支撐和弱消能梁段，即在大震時(shí)消能梁段屈服形成塑性鉸，且具有穩(wěn)定的滯回性能，即使消能梁段進(jìn)入應(yīng)變硬化階段，支撐斜桿、柱和其余梁段仍能保持彈性。

2.6每層樓蓋應(yīng)足以起水平隔板作用

我國(guó)抗震規(guī)范推薦鋼結(jié)構(gòu)的樓蓋宜采用壓型鋼板現(xiàn)澆鋼筋混凝土組合樓板或非組合樓板，對(duì)超過(guò)12層的鋼結(jié)構(gòu)，必要時(shí)可設(shè)置水平支撐，總的來(lái)說(shuō)，就是要保證樓蓋的整體性。

2.7設(shè)置粘彈性阻尼器

粘彈性阻尼器是一種十分有效的減振耗能構(gòu)件，它可以有效的減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震設(shè)計(jì)內(nèi)力和結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向的風(fēng)振加速度。

2.8埋入式和外包混凝土式柱腳具有較好的抗震能力，地震區(qū)應(yīng)優(yōu)先采用

地震區(qū)設(shè)計(jì)錨栓時(shí)，應(yīng)充分考慮地震剪力，增強(qiáng)錨栓的抗震強(qiáng)度，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)中外露式柱腳應(yīng)用普遍，而埋入式或外包混凝土這種柱腳在罕遇地震下的抗震性能值得我們注意。

2.9材料使用

高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的鋼材，宜采用Q235等級(jí)B、C、D的碳素結(jié)構(gòu)鋼，以及Q345等級(jí)B、C、D、E的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，有可靠根據(jù)，可采用其他牌號(hào)的鋼材；抗震結(jié)構(gòu)鋼材的強(qiáng)屈比不應(yīng)小于1.2；應(yīng)有明顯的屈服臺(tái)階；伸長(zhǎng)率應(yīng)大于20%；應(yīng)有良好的可焊性。對(duì)承受沿板厚方向的拉力作用的焊接構(gòu)件，當(dāng)板厚度超過(guò)限值時(shí)，應(yīng)檢驗(yàn)其z向性能。

2.10降低地震作用效應(yīng)

在建筑物頂部裝一個(gè)“大型調(diào)節(jié)減震器”，地震時(shí)在慣性作用下通過(guò)上了潤(rùn)滑油的金屬片向相反方向傾斜，從而對(duì)建筑物的振動(dòng)產(chǎn)生阻尼作用，減少建筑物的位移。此方法也可用于對(duì)建筑抗風(fēng)不足予以彌補(bǔ)。

3.結(jié)束語(yǔ)

目前，高層鋼結(jié)構(gòu)的抗震概念設(shè)計(jì)已經(jīng)越來(lái)越得到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)界的重視。由于各個(gè)地區(qū)之間的經(jīng)濟(jì)水平、地質(zhì)地貌、設(shè)計(jì)水平及設(shè)計(jì)軟件普及等都存在較大差異，所以，在復(fù)雜的設(shè)計(jì)條件下，概念設(shè)計(jì)應(yīng)該是保證結(jié)構(gòu)抗震安全性的關(guān)鍵手段，也將是建筑抗震設(shè)計(jì)的首要步驟。

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