【结构小知识】16.12.28期：高层钢结构建筑抗震设计探析

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面破坏或整体倒塌。

　　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。

　　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，可能破坏形式分为以下几类：

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变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、 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，焊接部位位脱，加劲板断型、屈曲，腹板断裂、屈曲等。

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梁柱局部破坏两种。（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。

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，元素是和结构设计、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。

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。

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、 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。高度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。

　　钢材基本属于各向同性的均质材料，且质轻高强、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和制造不当，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。

1、建筑场地
　　在选择建筑场地时，应根据工程需要，掌握地震活动情况和工程地质的有关资料，对建筑场地做出综合评价。宜选择对建筑抗震有利的地段，如开阔平坦的坚硬场地土或密实均匀的干硬场地土等地段，避开对建筑抗震不利的地段，如软弱场地土、易液化土、条状突出的山嘴、高耸孤立的山丘，非岩质的陡坡、采空区、河岸和边坡边缘等地段。

2、地基和基础
　　为了避免建筑物不均匀沉降而导致结构产生裂隙、甚至倾斜，使结构构件过早进入塑性区，同一结构单元不应设置在性质截然不同的地基土上，不宜部分采用天然地基，部分采用桩基；地基有软弱粘性土、可液化土或严重不均匀土层时，应加强基础的整体性和刚性。

3、平面和立面布置
　　为了避免地震时建筑发生扭转和应力集中或塑性变形集中而形成薄弱环节，建筑平面、立面布置宜规则、对称，质量分布和刚度变化宜均匀。但不设置抗震缝时，应采用与实际情况相符合的计算模型，设置抗震缝时，应将建筑物分割成规则的结构单元。我国《抗震规范》对高层钢结构房屋的最大适用高度和钢结构房屋的最大高宽比都有规定：
　　（1）、结构体系应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径；应有多道抗震设防防线，避免因部分结构或构件失效而导致整个体系丧失抗震能力或丧失对重力的承载能力；应具备必要的承载能力，良好的变形能力和耗能能力；应具有合理的刚度分布和承载力分布，避免因局部削弱或突变而形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形集中，对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高其承载能力。
　　（2）、在抗震结构体系中，应使结构构件和连接部位具有良好的延性，避免脆性破坏，提高抗震结构的整体变形能力。因此，钢结构构件应合理控制尺寸，防止局部失稳或整体失稳，如对梁翼缘和腹板的宽厚比和高厚比都作了明确规定。此外，还应加强各构件之间的连接，以保证结构的整体性，抗震支承系统应保证地震作用时结构的稳定。
　　（3）、对于女儿墙、围护墙、雨篷、封墙等非结构构件，应使其与主体结构有可靠地连接和锚固，避免地震时倒塌伤人，产生附加震害；围护墙、隔墙等与主体结构的连接，应避免设置不当而导致主体结构破坏；应避免吊顶塌落及悬吊较重的装饰物坠落，不可避免时应采取可靠措施。
　　（4）、建筑物在强震作用下的表现，既是对抗震设计的检验，也是对施工质量的检验。施工质量的好坏，直接影响钢结构房屋的抗震能力。因此，抗震结构对材料和施工质量的特别要求，应在设计文件上注明。建筑物的施工要特别注意符合图纸上合理的抗震要求，注意材料选择，确保施工质量。
　　随着人们对地震的不断认识，为防止出现严重的地震的严重灾害，造成财产损失和生命伤亡。人们对高层钢结构房屋的抗震要求不断提高。本文阐明了设计人员进行高层钢结构房屋抗震设计时，应首先从概念设计着手，制定比较合理的设计方案等，确保房屋抗震设防目标的实现。

钢结构各种流程

应注意的事项

（1）制作：钢结构制作包括放样、号料、切割、校正等诸多环节。高强度螺栓处理后的摩擦面，抗滑移系数应符合设计要求。
　　制作质量检验合格后进行除锈和涂装。一般安装焊缝处留出30～50mm暂不涂装。
　　（2）焊接：焊工必须经考试合格并取得合格证书，且必须在其考试合格项目及其认可范围内施焊。焊缝施焊后须在工艺规定的焊缝及部位打上焊工钢印。
　　焊接材料与母材应匹配，全焊透的一、二级焊缝应采用超声波探伤进行内部缺陷检验，超声波探伤不能对缺陷作出判断时，采用射线探伤。
　　施工单位首次采用的钢材、焊接材料、焊接方法等，进行焊接工艺评定。
　　（3）运输：运输钢构件时，要根据钢构件的长度和重量选用车辆。钢构件在车辆上的支点、两端伸出的长度及绑扎方法均应保证构件不产生变形、不损伤涂层。
　　（4）安装：钢结构安装要按施工组织设计进行，安装程序须保证结构的稳定性和不导致永久性变形。安装柱时，每节柱的定位轴线须从地面控制轴线直接引上。钢结构的柱、梁、屋架等主要构件安装就位后，须立即进行校正、固定。
　　由工厂处理的构件摩擦面，安装前须复验抗滑移系数，合格后方可安装。
　　（5）防火与防锈：
　　1）钢结构防火性能较差。当温度达到550℃时，钢材的屈服强度大约降至正常温度时屈服强度的0.7，结构即达到它的强度设计值而可能发生破坏。
　　设计时应根据有关防火规范的规定，使建筑结构能满足相应防火标准的要求。在防火标准要求的时间内，应使钢结构的温度不超过临界温度，以保证结构正常承载能力。
　　2）外露的钢结构可能会受到大气，特别是被污染的大气的严重腐蚀，最普通的是生锈。这就必须对构件的表面进行防腐蚀处理，以保证钢结构的正常使用。防腐处理的方法根据构件表面条件及使用寿命的要求决定。