高層鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系及抗震性能探析

王志勇　楊光耀

【摘 要】高層鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系中采用以鋼材制作為主，并由型鋼和鋼板制成的鋼梁以及鋼柱等構(gòu)件組成，這些構(gòu)件會(huì)通過(guò)焊縫、鉚釘以及螺栓等方式進(jìn)行固定。高層鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系正是以其強(qiáng)度高、重量輕、可靠性高、易安裝、密封性好等優(yōu)點(diǎn)被現(xiàn)今大型建筑所采用，并取得了較好的效果。我國(guó)是在新中國(guó)成立之后才開(kāi)始大規(guī)模的進(jìn)行鋼的冶煉，相比于西方發(fā)達(dá)國(guó)家而言有較大的技術(shù)差異，但是我國(guó)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐過(guò)程之后在鋼的冶煉和安裝方面都取得了非常大的成就，并逐漸接近國(guó)際水平。高層鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑數(shù)量的多少往往體現(xiàn)出了一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)實(shí)力，我國(guó)的鋼產(chǎn)量處于世界領(lǐng)先地位，但是鋼材沒(méi)有得到較好的利用。使用鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行建筑可以比混凝土建筑結(jié)構(gòu)性能更加好，而且施工周期明顯縮短、建造價(jià)格較低。但是我國(guó)目前高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的施工過(guò)程中存在這較多的問(wèn)題，以至于存在了較大的安全隱患。尤其是在高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的結(jié)構(gòu)以及抗震性能方面需要進(jìn)行更深入的探討，要使得高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的安全性得到有效的保障。

【關(guān)鍵詞】高層鋼結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)體系；抗震性能

一、鋼結(jié)構(gòu)住宅的特點(diǎn)及其優(yōu)勢(shì)

1、鋼材本身具有高硬度、高強(qiáng)度、自身質(zhì)量輕的特點(diǎn)，在和混凝土結(jié)合下產(chǎn)生了之前不具有的功能，不僅可以擴(kuò)大建造的橫向、縱向空間，而且還可以減輕建筑物的質(zhì)量，有益于城市高層建設(shè)。不僅如此，在地震時(shí)鋼結(jié)構(gòu)可以延緩墻壁的倒塌，具有一定的抗震功能。2、可以擴(kuò)大建筑空間，充分利用土地資源。鋼材具有高強(qiáng)度、高硬度的特點(diǎn)，與混泥土的結(jié)合可以減少墻壁和梁柱的厚度，能夠充分分隔有效空間。而傳統(tǒng)的磚塊混凝土結(jié)構(gòu)受材料的限制，造成了墻厚、梁柱厚，既減小了空間又影響了房屋整體美觀。3、造價(jià)低且施工方便。隨著我國(guó)鋼產(chǎn)量的不斷提升，鋼材的價(jià)格也在下滑，再加上鋼材自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，減少了施工整體材料的使用量，這就直接降低了成本。其次，鋼結(jié)構(gòu)材料機(jī)械化程度高，大大提高了施工的效率縮短工期，也間接降低了施工成本。4、鋼材可以回收重復(fù)利用，符合可持續(xù)發(fā)展的方針。在拆遷建筑物時(shí)，鋼材可以進(jìn)行回收回爐冶煉，再生產(chǎn)加工投入市場(chǎng)。5、鋼結(jié)構(gòu)住宅可工業(yè)化生產(chǎn)。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以預(yù)先在工廠實(shí)行工業(yè)化生產(chǎn)，生產(chǎn)方便且速度快，而且便于施工現(xiàn)場(chǎng)的安裝，使在施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)量減小。同時(shí)，由于施工機(jī)械化程度高，提高了施工效率。

二、高層鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系

1、鋼框架結(jié)構(gòu)體系

鋼框架結(jié)構(gòu)體系是較為常見(jiàn)的，鋼框架結(jié)構(gòu)體系所指的是沿著縱、橫方向的框架來(lái)作為承重的主要結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)體系能夠使得建筑物的空間得到最大程度的利用。而且鋼框架結(jié)構(gòu)體系的受力部位非常明確，構(gòu)造也非常簡(jiǎn)潔，安裝過(guò)程中非常簡(jiǎn)單，在鋼材生產(chǎn)過(guò)程中能夠進(jìn)行批量化生產(chǎn)。但是鋼框架結(jié)構(gòu)體系的抗震能力較差，對(duì)于15層以上的住宅盡量避免使用鋼框架結(jié)構(gòu)。

2、鋼框架—支撐結(jié)構(gòu)體系

鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)體系主要是利用框架結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)，并在住宅中布置相關(guān)數(shù)量的豎向結(jié)構(gòu)來(lái)支撐，這就使得鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)體系能夠承受水平力和側(cè)向力，這種結(jié)構(gòu)相對(duì)于鋼框架結(jié)構(gòu)體系而言有著較好的抗震性能，而且在進(jìn)行高層剛結(jié)構(gòu)住宅的建造中所耗用的資金也較少，利于更高層數(shù)的施工。但是鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)體系在施工過(guò)程中的施工難度較大，支撐的不合理也會(huì)使得建筑的布局存在局限性。

3、鋼框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系

剪力墻也可稱為抗風(fēng)墻或者抗震墻，在住宅結(jié)構(gòu)中主要是承受地震作用引起的水平荷載，能夠有效的防治住宅結(jié)構(gòu)受到剪切的破壞。在高層鋼結(jié)構(gòu)住宅中合理的運(yùn)用剪力墻能夠使其更加穩(wěn)固，使得高層鋼結(jié)構(gòu)住宅能夠承受更大的負(fù)荷。

鋼框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系中豎向的負(fù)荷是依靠鋼框架承擔(dān)的，而橫向的荷載是鋼框架和剪力墻共同承擔(dān)的。當(dāng)然剪力墻也分為多種形式，有的是鋼板結(jié)構(gòu)的剪力墻、鋼板混凝土組合的墻板或者鋼筋混凝土剪力墻，鋼框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系能夠使得高層鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)能夠抵御更強(qiáng)的推力，并能夠承受更大的地震中的剪力。這樣就能夠使得高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的高度得到更大的提高，但是在地震發(fā)生時(shí)容易使得住宅的局部出現(xiàn)破壞的情況。

4、鋼框架—混凝土核心筒體系

鋼框架-混凝土核心筒體系主要是鋼筋混凝土的芯筒和鋼框架共同組成的混合結(jié)構(gòu)體系，鋼框架—混凝土核心筒體系與鋼框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系有很多的相似之處，這種結(jié)構(gòu)體系能夠承受較大的荷載。鋼框架—混凝土核心筒體系中核心筒主要是承擔(dān)橫向荷載，并占據(jù)其中90%以上的荷載，而鋼框架主要是承擔(dān)豎向荷載。這種結(jié)構(gòu)體系在高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的建設(shè)當(dāng)中運(yùn)用的非常廣泛，而且其施工過(guò)程中能夠有效的節(jié)省材料，更大限度的降低了工程造價(jià)。但是這種結(jié)構(gòu)體系中鋼框架與核心筒的關(guān)聯(lián)性不夠緊密，即在較大的地震作用下核心筒遭到破壞，那么鋼框架也就無(wú)法抵御地震的沖擊。

5、交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)體系

交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)體系主要是由柱子、桁架以及樓面板所構(gòu)成的，通常柱子是固定在建筑的外圍，而桁架則是固定在柱子上，樓面板則是固定在桁架的上弦與下弦中。交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)體系對(duì)于搞成鋼結(jié)構(gòu)住宅的空間占用較小，其中橫向荷載是由桁架承擔(dān)的，柱子主要是承受軸力。雖然交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)體系能夠更大限度的節(jié)省住宅面積，但是其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，施工難度偏大，不易于在高層鋼結(jié)構(gòu)住宅中進(jìn)行施工。

三、實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)抗震水平設(shè)計(jì)的措施

1、基礎(chǔ)性防震措施應(yīng)用

基礎(chǔ)性防震措施根據(jù)建筑的結(jié)構(gòu)的不同位置有著不同的措施：地基隔震。地基隔震是在建筑地基與土層之間設(shè)置緩沖層，以便在地震發(fā)生時(shí)減小建筑與土層之間的震動(dòng)碰撞，實(shí)現(xiàn)對(duì)震能的有效吸收和反射作用，減小地震對(duì)建筑物的破壞。

目前，我國(guó)最常使用的地基隔層為瀝青原料隔震層；基礎(chǔ)隔震?；A(chǔ)隔震是整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵，想要降低地震對(duì)建筑物的破壞，就必須要做好基礎(chǔ)隔震措施。在對(duì)建筑基礎(chǔ)采取抗震措施時(shí)，為了減小地震對(duì)上部結(jié)構(gòu)的破壞，需要在建筑物的上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)位置接觸處設(shè)置隔震層，防止地震力由地基處向上部結(jié)構(gòu)傳播，降低地震對(duì)建筑上部結(jié)構(gòu)的破壞。

基礎(chǔ)抗震裝置一般采用混合隔震裝置、基底滑移隔震裝置和夾層橡膠隔震裝置等；間層隔震。間層隔震是為了吸收地震的沖擊余力而設(shè)置的，間層隔震的有效設(shè)置能夠?qū)φ鹆M(jìn)行再次削減，以達(dá)到降低地震對(duì)建筑的破壞作用。

間層隔震一般都安裝在原始結(jié)構(gòu)層上，其實(shí)我國(guó)最早使用的的抗震措施，具有施工操作簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)；懸掛隔震。懸掛隔震是通過(guò)懸掛的方式，將建筑物全部或部分結(jié)構(gòu)脫離地面，從而在地震出現(xiàn)時(shí)，降低地面震動(dòng)與建筑物之間的震力作用。目前，此種抗震措施多用于大型鋼結(jié)構(gòu)建筑當(dāng)中，收到了較為不錯(cuò)的抗震效果。

2、機(jī)敏減震支撐體系

機(jī)敏減震支撐體系是集成現(xiàn)代科技技術(shù)的防震系統(tǒng)，其利用活塞運(yùn)動(dòng)的原理，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在地震災(zāi)害發(fā)生時(shí)，保證建筑結(jié)構(gòu)中的內(nèi)、外鋼能夠通過(guò)不斷的滑動(dòng)來(lái)消減地震的破壞力，減輕震力破壞和消耗地震作用力的傳導(dǎo)。目前，這項(xiàng)技術(shù)還在不斷的研究和完善當(dāng)中，相信其很快就能夠?qū)崿F(xiàn)有效的應(yīng)用，為建筑抗震設(shè)計(jì)水平的提升做出貢獻(xiàn)。

3、效能減震技術(shù)應(yīng)用

效能減震是實(shí)現(xiàn)對(duì)地震所產(chǎn)生動(dòng)能的消耗，來(lái)減輕地震能的傳導(dǎo)大小，從而降低其對(duì)建筑物的破壞程度。目前，在此技術(shù)方面一般采用消能器和阻尼器，兩種器械都能夠?qū)崿F(xiàn)地震能量的有效消耗和吸收，減小震力對(duì)建筑主體的破壞，以達(dá)到對(duì)建筑主體結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)性定的保護(hù)。目前，效能減震技術(shù)在我國(guó)建筑防震設(shè)計(jì)中得到了有效的應(yīng)用，其在新建筑的防震設(shè)計(jì)和舊建筑的抗震加固方面，都起到了良好的效果。

結(jié)束語(yǔ)

鋼結(jié)構(gòu)住宅體系安全穩(wěn)定且施工方便簡(jiǎn)捷，在現(xiàn)代建筑施工中得到了廣泛的應(yīng)用，但在實(shí)際設(shè)計(jì)和施工中仍存在著許多問(wèn)題，要想整體上提高我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)的工程質(zhì)量就必須解決鋼結(jié)構(gòu)住宅體系中的嚴(yán)重不足。本文研究?jī)H是一個(gè)起步，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)住宅體系還存在諸多問(wèn)題，以下幾個(gè)方面需要繼續(xù)研發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋俊瑞.高層鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系及抗震性能研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2012（06）.

[2]沈健偉.發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)住宅遇到問(wèn)題和對(duì)策及發(fā)展現(xiàn)狀和前景分析[A].2012中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)大會(huì)論文集[C].2012（03）.

[3]吳席爽，曲衍進(jìn)，白鶴.鋼結(jié)構(gòu)住宅新工藝及新材料[A].第九屆沈陽(yáng)科學(xué)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（信息科學(xué)與工程技術(shù)分冊(cè)）[C].2012（06）.