淺談高層鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震概念設(shè)計

【摘 要】高層鋼結(jié)構(gòu)抗震性能的設(shè)計已得到設(shè)計行業(yè)的重視，在復(fù)雜的設(shè)計條件下，抗震概念設(shè)計可以從宏觀上實現(xiàn)合理抗震，使設(shè)計者對高層建筑設(shè)計進行總體把握，本文就常見的抗震概念設(shè)計原則做了簡單歸納和總結(jié)。

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

0.引言

作為建筑領(lǐng)域的新興力量，我國多高層鋼結(jié)構(gòu)建筑行業(yè)發(fā)展迅速?；炷两Y(jié)構(gòu)的房屋受壓較好，但抗拉能力極弱，二者強度差距達10倍，當(dāng)?shù)卣饋砼R時，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烈地震的能力，同時鋼結(jié)構(gòu)相對于其他結(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)計目標(biāo)

在高層鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震性能化的設(shè)計過程中，任何高層鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計的相關(guān)目標(biāo)都有兩個：一是地震發(fā)生時，不會因為高層建筑物的鋼結(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，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)計的相關(guān)功能目標(biāo)必須包括以下兩點：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)，從而相對程度上減少高層建筑在發(fā)生地震時直接和間接的經(jīng)濟損失和人員傷亡。

2.高層鋼結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計的一般原則

概念設(shè)計一般指不通過數(shù)值計算，只根據(jù)結(jié)構(gòu)體系震害、力學(xué)關(guān)系、結(jié)構(gòu)破壞機理、試驗現(xiàn)象與工程經(jīng)驗，對一些比較復(fù)雜、難以做出精確、理性的分析或規(guī)范中難以規(guī)定的工程問題，而獲得的基本設(shè)計構(gòu)思。抗震概念設(shè)計根據(jù)抗震設(shè)計的復(fù)雜性，避免了無必要的繁瑣計算，為抗震計算創(chuàng)造便于計算的模型，使計算分析結(jié)果更能反映地震時結(jié)構(gòu)反應(yīng)的實際情況，從宏觀上實現(xiàn)了合理抗震。目前國內(nèi)有一些高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件，但對抗震計算的可靠性仍值得商榷，應(yīng)先由概念設(shè)計對高層建筑設(shè)計進行總體把握。

在實際結(jié)構(gòu)設(shè)計中，高層鋼結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計一般原則包括：

2.1建筑的體形要簡單，平立面布置宜規(guī)則

體形簡單和規(guī)則的建筑，受力性能明確，設(shè)計時容易分析結(jié)構(gòu)在地震作用下的實際反映及其內(nèi)力分布，構(gòu)件細部構(gòu)造也容易處理；反之，剛度和強度的突變，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)量分布不對稱，容易在水平地震作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)震動，設(shè)計時對質(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)計既抗風(fēng)又抗震的高層建筑時，希望設(shè)計成在風(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，又可通過控制其屈服而變成有延性的結(jié)構(gòu)。可將大型豎向和水平構(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)，而豎向獨立構(gòu)件與整體結(jié)構(gòu)的振動周期是明顯不同的。

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，其它建筑很少超過此值。

2.5設(shè)計結(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，是一種良好的抗震結(jié)構(gòu)，其原理是強柱，強支撐和弱消能梁段，即在大震時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，對超過12層的鋼結(jié)構(gòu)，必要時可設(shè)置水平支撐，總的來說，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)計錨栓時，應(yīng)充分考慮地震剪力，增強錨栓的抗震強度，我國鋼結(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B、C、D的碳素結(jié)構(gòu)鋼，以及Q345等級B、C、D、E的低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼，有可靠根據(jù)，可采用其他牌號的鋼材；抗震結(jié)構(gòu)鋼材的強屈比不應(yīng)小于1.2；應(yīng)有明顯的屈服臺階；伸長率應(yīng)大于20%；應(yīng)有良好的可焊性。對承受沿板厚方向的拉力作用的焊接構(gòu)件，當(dāng)板厚度超過限值時，應(yīng)檢驗其z向性能。

2.10降低地震作用效應(yīng)

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

3.結(jié)束語

目前，高層鋼結(jié)構(gòu)的抗震概念設(shè)計已經(jīng)越來越得到結(jié)構(gòu)設(shè)計界的重視。由于各個地區(qū)之間的經(jīng)濟水平、地質(zhì)地貌、設(shè)計水平及設(shè)計軟件普及等都存在較大差異，所以，在復(fù)雜的設(shè)計條件下，概念設(shè)計應(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)計的首要步驟。

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