高層鋼結(jié)構(gòu)房屋抗震設(shè)計(jì)

牛超　蔡肖嫻

摘要：隨著人們對高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的需求越來越大，其抗震設(shè)計(jì)越來越引起人們的高度重視。本文闡述了高層鋼結(jié)構(gòu)房屋抗震設(shè)計(jì)的內(nèi)容：包括概念設(shè)計(jì)、計(jì)算設(shè)計(jì)和構(gòu)造要求，以供參考。

關(guān)鍵詞：高層鋼結(jié)構(gòu)房屋；抗震設(shè)計(jì)

前言

鋼材基本屬于各向同性的均質(zhì)材料，且輕質(zhì)高強(qiáng)、延性好，是一種很適合于建筑抗震結(jié)構(gòu)的材料。但是，鋼結(jié)構(gòu)房屋如果設(shè)計(jì)與制造不當(dāng)，在地震作用下，可能發(fā)生構(gòu)件的失穩(wěn)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(fā)揮，造成災(zāi)難性后果。因此，高層鋼結(jié)構(gòu)房屋的抗震設(shè)計(jì)就顯得非常重要和必要。

一、概念設(shè)計(jì)

1.建筑場地

在選擇建筑場地時(shí)， 應(yīng)根據(jù)工程需要， 掌握地震活動情況和工程地質(zhì)的有關(guān)資料，對建筑場地做出綜合評價(jià)。宜選擇對建筑抗震有利的地段，如開闊平坦的堅(jiān)硬場地土或密實(shí)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(zhì)的陡坡、采空區(qū)、河岸和邊坡邊緣等地段。

2.地基和基礎(chǔ)

為了避免建筑物不均勻沉降而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫、甚至傾斜，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件過早進(jìn)入塑性區(qū)，同一結(jié)構(gòu)單元不應(yīng)設(shè)置在性質(zhì)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(yán)重不均勻土層時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)基礎(chǔ)的整體性和剛性。

3.平面和立面布置

為了避免地震時(shí)建筑發(fā)生扭轉(zhuǎn)和應(yīng)力集中或塑性變形集中而形成薄弱環(huán)節(jié)，建筑平面、立面布置宜規(guī)則、對稱，質(zhì)量分布和剛度變化宜均勻。當(dāng)不設(shè)置抗震縫時(shí)，應(yīng)采用與實(shí)際情況相符合的計(jì)算模型，設(shè)置抗震縫時(shí)，應(yīng)將建筑物分割成規(guī)則的結(jié)構(gòu)單元。我國《抗震規(guī)范》對高層鋼結(jié)構(gòu)房屋的最大適用高度和鋼結(jié)構(gòu)房屋的最大高寬比都有規(guī)定。

4.結(jié)構(gòu)體系

應(yīng)具有明確的計(jì)算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑；應(yīng)有多道抗震設(shè)防防線，避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件失效而導(dǎo)致整個體系喪失抗震能力或喪失對重力的承載能力；應(yīng)具備必要的承載能力，良好的變形能力和耗能能力；應(yīng)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(chǎn)生過大的應(yīng)力集中或塑性變形集中， 對可能出現(xiàn)的薄弱部位，應(yīng)采取措施提高其承載能力。

5.結(jié)構(gòu)構(gòu)件

在抗震結(jié)構(gòu)體系中，應(yīng)使結(jié)構(gòu)構(gòu)件和連接部位具有良好的延性，避免脆性破壞，提高抗震結(jié)構(gòu)的整體變形能力。因此，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)合理控制尺寸，防止局部失穩(wěn)或整體失穩(wěn)，如對梁翼緣和腹板的寬厚比和高厚比都作了明確規(guī)定。

6.非結(jié)構(gòu)構(gòu)件

對于女兒墻、圍護(hù)墻、雨蓬、封墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)使其與主體結(jié)構(gòu)有可靠的連接和錨固，避免地震時(shí)倒塌傷人，產(chǎn)生附加震害；圍護(hù)墻、隔墻等與主體結(jié)構(gòu)的連接，應(yīng)避免設(shè)置不當(dāng)而導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)破壞；應(yīng)避免吊頂塌落及懸吊較重的裝飾物墜落，不可避免時(shí)應(yīng)采取可靠措施。

7.材料和施工質(zhì)量

建筑物在強(qiáng)震作用下的表現(xiàn)，既是對抗震設(shè)計(jì)的檢驗(yàn)，也是對施工質(zhì)量的檢驗(yàn)。施工質(zhì)量的好壞，直接影響到鋼結(jié)構(gòu)房屋的抗震能力。因此，抗震結(jié)構(gòu)對材料和施工質(zhì)量的特別要求，應(yīng)在設(shè)計(jì)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(zhì)量。

二、高層鋼結(jié)構(gòu)房屋抗震設(shè)計(jì)

1.結(jié)構(gòu)的自振周期

2.設(shè)計(jì)反應(yīng)譜

在高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，水平地震影響系數(shù)曲線中的下降段衰減指數(shù)為γ=0 .95，傾斜段的斜率為η1 =0.024，而水平地震影響系數(shù)的最大值按相關(guān)表取值。

3.地震作用下內(nèi)力與位移計(jì)算

（1）多遇地震作用下：結(jié)構(gòu)在第一階段多遇地震作用下的抗震設(shè)計(jì)中，地震作用效應(yīng)應(yīng)按彈性方法計(jì)算。高層鋼結(jié)構(gòu)房屋在進(jìn)行內(nèi)力和位移計(jì)算時(shí)，對于框架、框架—支撐、框架—剪力墻及框筒等結(jié)構(gòu)體系常采用矩陣位移法，且計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮梁、柱彎曲變形，并應(yīng)考慮梁柱節(jié)點(diǎn)域的剪切變形對側(cè)移的影響。

（2）罕遇地震作用下：高層鋼結(jié)構(gòu)第二階段的抗震驗(yàn)算應(yīng)采用時(shí)程分析法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型可采用桿系模型、剪切型層模型或剪彎協(xié)同工作模型。

4.側(cè)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(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)的破壞或倒塌， 因此，應(yīng)控制結(jié)構(gòu)的側(cè)移，使其不超過一定的限值。《抗震規(guī)范》規(guī)定：在多遇地震作用下，高層鋼結(jié)構(gòu)房屋的層間位移不應(yīng)超過層高的1/250。結(jié)構(gòu)平面端部構(gòu)件的最大側(cè)移不得超過質(zhì)心側(cè)移的1.3倍。在罕遇地震作用下，高層鋼結(jié)構(gòu)房屋的層間位移不應(yīng)超過層高的1/70，且結(jié)構(gòu)層間位移的延性比對純框架應(yīng)>3.5；對偏心支承框架應(yīng)>3.0；對中心支承框架應(yīng)>2.5；對有混凝土剪力墻的鋼框架應(yīng)>2.0。

三、抗震構(gòu)造要求

1.強(qiáng)柱弱梁

高層鋼結(jié)構(gòu)房屋應(yīng)按照“強(qiáng)柱弱梁”進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算。這是因?yàn)椋?在地震作用下，為了避免柱先進(jìn)入塑性區(qū)破壞，導(dǎo)致房屋倒塌。要求塑性鉸應(yīng)在梁端形成而不應(yīng)在柱端形成，使框架具有較大的內(nèi)力重分布和耗散地震能量的能力。因此，柱端應(yīng)比梁端有更大的承載力儲備。對于抗震設(shè)防框架柱的任一節(jié)點(diǎn)處， 柱截面的塑性抵抗矩和梁截面的塑性抵抗矩應(yīng)滿足下列要求：

2.鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施

（1）框架柱的長細(xì)比， 應(yīng)符合下列規(guī)定：

①不超過12層的鋼框架柱的長細(xì)比，6～8度時(shí)應(yīng)≤120235/fay，9 度時(shí)應(yīng)≤100 235/fay 。

②>12層的鋼框架柱的長細(xì)比，應(yīng)符合相關(guān)規(guī)定。

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

3.鋼框架—中心支撐結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施

（1）中心支撐桿件的長細(xì)比和板件寬厚比應(yīng)符合相關(guān)規(guī)定。

（2）中心支撐節(jié)點(diǎn)應(yīng)滿足：支撐與框架連接處，支撐桿端宜做成圓??；梁在其與V形支撐或人字支撐相交處，應(yīng)設(shè)置側(cè)向支撐；梁柱與支撐連接處應(yīng)設(shè)置加勁肋。

4.鋼框架— 偏心支撐結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施

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

（2）耗能梁段還應(yīng)滿足下列要求：耗能梁段的腹板不得貼焊補(bǔ)強(qiáng)板，不得開洞；耗能梁段與支撐連接處，應(yīng)在其腹板兩側(cè)配置加勁肋，且加勁肋的高度應(yīng)為梁腹板高度；耗能梁段還應(yīng)按《規(guī)范》要求在腹板上設(shè)置中間加勁肋。

四、結(jié)束語

隨著人們對地震的不斷認(rèn)識，為防止出現(xiàn)嚴(yán)重的地震災(zāi)害，造成財(cái)產(chǎn)損失和生命傷亡，人們對高層鋼結(jié)構(gòu)房屋的抗震要求不斷提高。本文詳細(xì)地論述了高層鋼結(jié)構(gòu)房屋結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造的具體要求，為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)：

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