高层钢结构建筑抗震设计探析

【摘 要】：文章简单介绍了高层建筑发展概况，对高层钢结构震害现象进行了原因分析，结合工程实践，提出了抗震设计基本要求和抗震设计的一般方法

【关键词】：高层建筑;钢结构;抗震设计

引言

目前，钢结构普遍应用于各种类型的民用建筑中，在高层及超高层建筑中的应用则更为广泛。同混凝土结构相比，钢结构具有韧性好、强度与重量比高的优点，具有优越的抗震性能;但是，如果钢结构房屋在结构设计、材料选用、施工制作和维护上出现问题。则其优良的钢材特性将得不到充分的发挥，在地震作用下同样会造成结构的局部破坏或整体倒塌。

1高层建筑发展概况

80年代,是我国高层建筑在设计计算及施工技术各方面迅速发展的阶段。各大中城市普遍兴建高度在100m左右或100m以上的以钢筋为主的建筑,建筑层数和高度不断增加,功能和类型越来越复杂,结构体系日趋多样化。比较有代表性的高层建筑有上海锦江饭店,它是一座现代化的高级宾馆,总高153.52m,全部采用框架一芯墙全钢结构体系,深圳发展中心大厦43层高165.3m,加上天线的高度共185.3m,这是我国第一幢大型高层钢结构建筑。进入90年代我国高层建筑结构的设计与施工技术进入了新的阶段。不仅结构体系及建筑材料出现多样化而且在高度上长幅很大有一个飞跃。深圳于1995年6月封顶的地王大厦,81层高,385.95m为钢结构,它居目前世界建筑的第四位。

2高层钢结构震害现象及其原因分析

钢结构被认为具有卓越的抗震性能，在历次的地震中，钢结构房屋的震害要小于钢筋混凝土结构房屋。很少发生整体破坏或倒塌现象。尽管如此，由于焊接、连接、冷加工等工艺技术以及外部环境的影响，钢材材料的优点将受到影响。特别是因设计、施工以及维护不当，就很可能造成结构的破坏。根据钢结构在历次地震中的破坏形态，可将破坏形式分为以下几类：

2.1结构倒塌

结构倒塌是地震中结构破坏最严重的形式。造成结构倒塌的主要原因是结构薄弱层的形成，而薄弱层的形成是由于结构楼层屈服强度系数和抗便4刚度沿高度分布不均匀造成的。这就要求在设计过程中应尽量避免上述不利因素的出现。

2.2节点破坏

节点破坏是地震中发生最多的一种破坏形式。剐性连接的结构构件一般采用铆接或焊接形式连接。如果在节点的设计和施工中。构造及焊缝存在缺陷，节点区就可能出现应力集中、受力小均的现象，在地震中很容易出现连接破坏。梁柱节点可能出现的破坏现象主要表现为：铆接断裂，焊接部位拉脱，加劲板断型、屈曲.腹板断裂、屈曲等。

2.3构件破坏

在以往所有地震中，多高层建筑钢结构构件破坏的主要形式有支撑的破坏与失稳以及粱柱局部破坏两种。(1)支撑的破坏与失稳。当地震强度较大时。支撑承受反复拉压的轴向力作用。一旦压力超出支撑的屈曲临界力时。就会出现破坏或失稳。(2)梁柱局部破坏。对于框架柱，主要有翼缘屈曲、翼缝撕裂，甚至框架柱会出现水平裂缝或断裂破坏。对于框架梁，主要有翼缘屈曲、腹板屈曲和开裂、扭转屈曲等破坏形态。

2.4基础锚固破坏

钢构件与基础的锚固破坏主要表现为柱脚处的地脚螺栓脱开、混凝土破碎导致锚固失效、连接板断裂等，这种破坏形式曾发生多起。根据对上述钢结构房屋震害特征的分析可知，尽管钢结构抗震性能较好。但在历次的地震中，也会出现不同程度的震害。究其原因，元非是和结构设计、结构构造、施工质量、材料质量、日常维护等有关。为了预防以上震害的出现。减轻震害带来的损失，多高层钢结构房屋抗震设计必须严格遵循有关规程进行。

3抗震设计基本要求

3.1钢结构房屋结构类型

常见的钢结构房屋的结构体系有框架结构、框架一支援结构、框架一抗震墙板结构、简体结构以及巨型框架结构等。钢结构房屋的抗震性能的优劣取决于结构的选型，进行实际工程设计时，需要综合考虑多种因素进行方案的优化.在优化过程中确定其适宜的结构体系。

3.2钢结构房屋结构布置原则

钢结构房屋的结构体系和结构布置的选择关系到结构的安全性、适用性和经济性。和其他类型的建筑结构一样，多高层钢结构房屋应尽量采用规则的建筑方案。当结构体型复杂、平立面特别不规则时，可按实际需要在适当部位设置防震续。从而形成多个较规则的抗侧力结构单元。由于钢结构可耐受的结构变形大于混凝土结构，一般来说。不宜设抗震缝.必须设置时。抗震缝宽应不小于相应钢筋混凝土结构房屋的1.5倍。

3.3钢结构房屋适用的最大高度和高宽比

根据结构总体高度和抗震设防烈度确定结构类型和最大适用高度。结构的高宽比是影响结构整体稳定性和抗震性能的重要参数，它对结构刚度、侧移和振动形式有直接影响。高宽比指房屋总高度与平面较小宽度之比。高宽比值较大时，一方面使结构产生较大的水平位移及P—A效应，还由于倾覆力矩使柱产生很大的轴向力。因此，需要对钢结构房屋的最大高宽比制定限值，不宜大于合理的限值，超过时应进行专门研究，采取必要的抗震措施。

4抗震设计的一般方法

钢材基本属于各向同性的均质材料，且轻质高强、延性好，是一种很适合于建筑抗震结构的材料。在地震作用下，高层钢结构房屋由于钢材材质均匀，强度易于保证，所以结构的可靠性大;轻质高强的特点使得钢结构房屋的自重轻,从而所受地震作用减小;良好的延性使结构在很大的变形下仍不致倒塌，从而保证结构在地震作用下的安全性。但是，钢结构房屋如果设计与制造不当，在地震作用下，可能发生构件的失稳和材料的脆性破坏或连接破坏，使钢材的性能得不到充分发挥，造成灾难性后果。因此高层钢结构房屋的抗震设计就显得非常重要和必要。

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