高層鋼結構房屋抗震設計

牛超　蔡肖嫻

摘要：隨著人們對高層鋼結構建筑的需求越來越大，其抗震設計越來越引起人們的高度重視。本文闡述了高層鋼結構房屋抗震設計的內容：包括概念設計、計算設計和構造要求，以供參考。

關鍵詞：高層鋼結構房屋；抗震設計

前言

鋼材基本屬于各向同性的均質材料，且輕質高強、延性好，是一種很適合于建筑抗震結構的材料。但是，鋼結構房屋如果設計與制造不當，在地震作用下，可能發生構件的失穩和材料的脆性破壞或連接破壞，使鋼材的性能得不到充分發揮，造成災難性后果。因此，高層鋼結構房屋的抗震設計就顯得非常重要和必要。

一、概念設計

1.建筑場地

在選擇建筑場地時， 應根據工程需要， 掌握地震活動情況和工程地質的有關資料，對建筑場地做出綜合評價。宜選擇對建筑抗震有利的地段，如開闊平坦的堅硬場地土或密實均勻的干硬場地土等地段，避開對建筑抗震不利的地段，如軟弱場地土、易液化土、條狀突出的山嘴、高聳孤立的山丘，非巖質的陡坡、采空區、河岸和邊坡邊緣等地段。

2.地基和基礎

為了避免建筑物不均勻沉降而導致結構產生裂縫、甚至傾斜，使結構構件過早進入塑性區，同一結構單元不應設置在性質截然不同的地基土上，不宜部分采用天然地基，部分采用樁基；地基有軟弱粘性土、可液化土或嚴重不均勻土層時，應加強基礎的整體性和剛性。

3.平面和立面布置

為了避免地震時建筑發生扭轉和應力集中或塑性變形集中而形成薄弱環節，建筑平面、立面布置宜規則、對稱，質量分布和剛度變化宜均勻。當不設置抗震縫時，應采用與實際情況相符合的計算模型，設置抗震縫時，應將建筑物分割成規則的結構單元。我國《抗震規范》對高層鋼結構房屋的最大適用高度和鋼結構房屋的最大高寬比都有規定。

4.結構體系

應具有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑；應有多道抗震設防防線，避免因部分結構或構件失效而導致整個體系喪失抗震能力或喪失對重力的承載能力；應具備必要的承載能力，良好的變形能力和耗能能力；應具有合理的剛度分布和承載力分布，避免因局部削弱或突變而形成薄弱部位，產生過大的應力集中或塑性變形集中， 對可能出現的薄弱部位，應采取措施提高其承載能力。

5.結構構件

在抗震結構體系中，應使結構構件和連接部位具有良好的延性，避免脆性破壞，提高抗震結構的整體變形能力。因此，鋼結構構件應合理控制尺寸，防止局部失穩或整體失穩，如對梁翼緣和腹板的寬厚比和高厚比都作了明確規定。

6.非結構構件

對于女兒墻、圍護墻、雨蓬、封墻等非結構構件，應使其與主體結構有可靠的連接和錨固，避免地震時倒塌傷人，產生附加震害；圍護墻、隔墻等與主體結構的連接，應避免設置不當而導致主體結構破壞；應避免吊頂塌落及懸吊較重的裝飾物墜落，不可避免時應采取可靠措施。

7.材料和施工質量

建筑物在強震作用下的表現，既是對抗震設計的檢驗，也是對施工質量的檢驗。施工質量的好壞，直接影響到鋼結構房屋的抗震能力。因此，抗震結構對材料和施工質量的特別要求，應在設計文件上注明。建筑物的施工要特別注意符合圖紙上合理的抗震要求，注意材料選擇， 確保施工質量。

二、高層鋼結構房屋抗震設計

1.結構的自振周期

2.設計反應譜

在高層鋼結構設計中，水平地震影響系數曲線中的下降段衰減指數為γ=0 .95，傾斜段的斜率為η1 =0.024，而水平地震影響系數的最大值按相關表取值。

3.地震作用下內力與位移計算

（1）多遇地震作用下：結構在第一階段多遇地震作用下的抗震設計中，地震作用效應應按彈性方法計算。高層鋼結構房屋在進行內力和位移計算時，對于框架、框架—支撐、框架—剪力墻及框筒等結構體系常采用矩陣位移法，且計算時應考慮梁、柱彎曲變形，并應考慮梁柱節點域的剪切變形對側移的影響。

（2）罕遇地震作用下：高層鋼結構第二階段的抗震驗算應采用時程分析法對結構進行彈塑性時程分析，結構計算模型可采用桿系模型、剪切型層模型或剪彎協同工作模型。

4.側移控制

在小震作用下（彈性階段），過大的層間變形會造成非結構構件的破壞，而在大震作用下（彈塑性階段），過大的變形會造成結構的破壞或倒塌， 因此，應控制結構的側移，使其不超過一定的限值。《抗震規范》規定：在多遇地震作用下，高層鋼結構房屋的層間位移不應超過層高的1/250。結構平面端部構件的最大側移不得超過質心側移的1.3倍。在罕遇地震作用下，高層鋼結構房屋的層間位移不應超過層高的1/70，且結構層間位移的延性比對純框架應>3.5；對偏心支承框架應>3.0；對中心支承框架應>2.5；對有混凝土剪力墻的鋼框架應>2.0。

三、抗震構造要求

1.強柱弱梁

高層鋼結構房屋應按照“強柱弱梁”進行設計與計算。這是因為， 在地震作用下，為了避免柱先進入塑性區破壞，導致房屋倒塌。要求塑性鉸應在梁端形成而不應在柱端形成，使框架具有較大的內力重分布和耗散地震能量的能力。因此，柱端應比梁端有更大的承載力儲備。對于抗震設防框架柱的任一節點處， 柱截面的塑性抵抗矩和梁截面的塑性抵抗矩應滿足下列要求：

2.鋼框架結構的抗震構造措施

（1）框架柱的長細比， 應符合下列規定：

①不超過12層的鋼框架柱的長細比，6～8度時應≤120235/fay，9 度時應≤100 235/fay 。

②>12層的鋼框架柱的長細比，應符合相關規定。

（2）梁柱剛性連接時，柱在梁翼緣上下各500mm的節點范圍內，翼緣與腹板間或箱形柱壁板間的連接焊縫，應采用坡口全熔透焊縫。

3.鋼框架—中心支撐結構抗震構造措施

（1）中心支撐桿件的長細比和板件寬厚比應符合相關規定。

（2）中心支撐節點應滿足：支撐與框架連接處，支撐桿端宜做成圓弧；梁在其與V形支撐或人字支撐相交處，應設置側向支撐；梁柱與支撐連接處應設置加勁肋。

4.鋼框架— 偏心支撐結構抗震構造措施

（1）偏心支撐框架消能梁段的鋼材屈服強度應≤345MPa。消能梁段及與消能梁段同一跨內的非消能梁段，其板件的寬厚比應不大于相關規定的限值。

（2）耗能梁段還應滿足下列要求：耗能梁段的腹板不得貼焊補強板，不得開洞；耗能梁段與支撐連接處，應在其腹板兩側配置加勁肋，且加勁肋的高度應為梁腹板高度；耗能梁段還應按《規范》要求在腹板上設置中間加勁肋。

四、結束語

隨著人們對地震的不斷認識，為防止出現嚴重的地震災害，造成財產損失和生命傷亡，人們對高層鋼結構房屋的抗震要求不斷提高。本文詳細地論述了高層鋼結構房屋結構抗震構造的具體要求，為鋼結構設計人員進行抗震設計提供參考。

參考文獻：

[1]豐定國，王杜良.抗震結構設計[M].武漢：武漢工業大學出版社，2001.

[2]朱伯龍，張琨聯.建筑結構抗震設計原理[M].上海：同濟大學出版社，1999.