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高層鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震設(shè)計(jì)探析

本文來源：色涂君網(wǎng)絡(luò) 發(fā)布日期：2017-10-30 11:05

?目前，鋼結(jié)構(gòu)普遍應(yīng)用于各種類型的民用建筑中，在高層及超高層建筑中的應(yīng)用則更為廣泛。同混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)具有韌性好、強(qiáng)度與重量比高的優(yōu)點(diǎn)，具有優(yōu)越的抗震性能；但是，如果鋼結(jié)構(gòu)房屋在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用、施工制作和維護(hù)上出現(xiàn)問題。則其優(yōu)良的鋼材特性將得不到充分的發(fā)揮，在地震作用下同樣會造成結(jié)構(gòu)的局面破壞或整體倒塌。
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　　一、?高層建筑發(fā)展概括
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　　80年代，是我國高層建筑在設(shè)計(jì)計(jì)算及施工技術(shù)各方面迅速發(fā)展的階段。各大中城市普遍興建高度在100m左右或100m以上的以鋼筋為主的建筑，建筑層數(shù)和高度不斷增加，功能和類型越來越復(fù)雜，結(jié)構(gòu)體系日趨多樣化。比較有代表性的高層建筑有上海錦江飯店，它是一座現(xiàn)代化的高級賓館，總高153.52m，全部采用框架一芯墻全鋼結(jié)構(gòu)體系，深圳發(fā)展中心大廈43層高165.3m,加上天線的高度共185.3m,這是我國第一幢大型高層鋼結(jié)構(gòu)建筑。進(jìn)入90年代我國高層建筑的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)進(jìn)入了新的階段。不僅結(jié)構(gòu)體系及建筑材料出現(xiàn)多樣化而且在高度上長幅很大有一個飛躍。深圳于1995年6月封頂?shù)牡赝醮髲B，81層高，385.95m為鋼結(jié)構(gòu)，它居目前世界建筑的第四位。
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　　二、?高層鋼結(jié)構(gòu)震害現(xiàn)象及其原因分析
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　　鋼結(jié)構(gòu)被認(rèn)為具有卓越的抗震性能，在歷次的地震中，鋼結(jié)構(gòu)房屋的震害要小于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋。很少發(fā)生整體破壞或倒塌現(xiàn)象。盡管如此，由于焊接、連接、冷加工等工藝技術(shù)以及外部環(huán)境的影響，鋼材材料的優(yōu)點(diǎn)將受到影響。特別是因設(shè)計(jì)、施工以及維護(hù)不當(dāng)，就很可能造成結(jié)構(gòu)的破壞。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)在歷次地震中的破壞形態(tài)，可能破壞形式分為以下幾類：
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　　1、?結(jié)構(gòu)倒塌
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　　結(jié)構(gòu)倒塌是地震中結(jié)構(gòu)破壞最嚴(yán)重的形式。造成結(jié)構(gòu)倒塌的主要原因是結(jié)構(gòu)薄弱層的形成，而薄弱層的形成是由于結(jié)構(gòu)樓層屈服強(qiáng)度系數(shù)和抗變4剛度沿高度分布不均勻造成的。這就要求在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡量避免上述不利因素的出現(xiàn)。
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　　2、?節(jié)點(diǎn)破壞
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　　節(jié)點(diǎn)破壞是地震中發(fā)生最多的一種破壞形式。剮性連接的結(jié)構(gòu)構(gòu)件一般采用鉚接或焊接形式連接。如果在節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和施工中，構(gòu)造及焊縫存在缺陷，節(jié)點(diǎn)區(qū)就可能出現(xiàn)應(yīng)力集中、受力小均的現(xiàn)象，在地震中很容易出現(xiàn)連接破壞。梁柱節(jié)點(diǎn)可能出現(xiàn)的破壞現(xiàn)象主要表現(xiàn)為：鉚接斷裂，焊接部位位脫，加勁板斷型、屈曲，腹板斷裂、屈曲等。
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　　3、?構(gòu)件破壞
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　　在以往所有地震中，多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞的主要形式有支撐的破壞與失穩(wěn)以及梁柱局部破壞兩種。（1）支撐的破壞與失穩(wěn)。當(dāng)?shù)卣饛?qiáng)度較大時，支撐承受反復(fù)拉壓的軸向力作用，一旦壓力超出支撐的屈曲臨界力時，就會出現(xiàn)破壞或失穩(wěn)。（2）梁柱局部破壞。對于框架柱，主要有翼緣屈曲、翼縫撕裂，甚至框架柱會出現(xiàn)水平裂縫或斷裂破壞。對于框架梁，主要有翼緣屈曲、腹板屈曲和開裂、扭轉(zhuǎn)屈曲等破壞形態(tài)。
4、基礎(chǔ)錨固破壞
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　　鋼構(gòu)件與基礎(chǔ)的錨固破壞主要表現(xiàn)為柱腳處的地腳螺栓脫開、混凝土破碎導(dǎo)致錨固失效、連接板斷裂等，這種破壞形式曾發(fā)生多起，根據(jù)對上述鋼結(jié)構(gòu)房屋震害特征的分析可知，盡管鋼結(jié)構(gòu)抗震性能較好，但在歷次的地震中，也會出現(xiàn)不同程度的震害。究其原因，元素是和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、施工質(zhì)量、材料質(zhì)量、日常維護(hù)等有關(guān)，為了預(yù)防以上震害的出現(xiàn)，減輕震害帶來的損失，多高層鋼結(jié)構(gòu)房屋抗震設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格遵循有關(guān)規(guī)程進(jìn)行。
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　　三、??抗震設(shè)計(jì)基本要求
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　　1、鋼結(jié)構(gòu)房屋結(jié)構(gòu)類型
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　　常見的鋼結(jié)構(gòu)房屋的結(jié)構(gòu)體系有框架結(jié)構(gòu)、框架一支援結(jié)構(gòu)、框架一抗震墻板結(jié)構(gòu)、簡體結(jié)構(gòu)以及巨型框架結(jié)構(gòu)等。鋼結(jié)構(gòu)房屋的抗震性能的優(yōu)劣取決于結(jié)構(gòu)的選型，進(jìn)行實(shí)際工程設(shè)計(jì)時，需要綜合考慮多種因素進(jìn)行方案的優(yōu)化，在優(yōu)化過程中確定其適宜的結(jié)構(gòu)體系。
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　　2、鋼結(jié)構(gòu)房屋結(jié)構(gòu)布置原則
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　　鋼結(jié)構(gòu)房屋的結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)布置的選擇關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和經(jīng)濟(jì)性。和其他類型的建筑結(jié)構(gòu)一樣，多高層鋼結(jié)構(gòu)房屋應(yīng)盡量采用規(guī)則的建筑方案。當(dāng)結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜、平立面特別不規(guī)則時，可按實(shí)際需要在適當(dāng)部位設(shè)置防震續(xù)，從而形成多個較規(guī)則的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)單元。由于鋼結(jié)構(gòu)可耐受的結(jié)構(gòu)變形大于混凝土結(jié)構(gòu)，一般來說，不宜設(shè)抗震縫，必須設(shè)置時，抗震縫寬應(yīng)不小于相應(yīng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋的1.5倍。
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　　3、?鋼結(jié)構(gòu)房屋適用的最大高度和高寬比
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　　根據(jù)結(jié)構(gòu)總體高度和抗震設(shè)防烈度確定結(jié)構(gòu)類型和最大適用高度。結(jié)構(gòu)的高寬比是影響結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和抗震性能的重要參數(shù)，它對結(jié)構(gòu)剛度、側(cè)移和振動形式有直接影響。高度比指房屋總高度與平面較小寬度之比。高寬比值較大時，一方面使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的水平位移及P—A效應(yīng)，還由于傾覆力矩使柱產(chǎn)生很大的軸向力。因此，需要對鋼結(jié)構(gòu)房屋的最大高寬比制定限值，不宜大于合理的限值，超過時應(yīng)進(jìn)行專門研究，采取必要的抗震措施。
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　　四、?抗震設(shè)計(jì)的一般方法
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　　鋼材基本屬于各向同性的均質(zhì)材料，且質(zhì)輕高強(qiáng)、延性好，是一種很適合于建筑抗震結(jié)構(gòu)的材料，在地震作用下，高層鋼結(jié)構(gòu)房屋由于鋼材材質(zhì)均勻，強(qiáng)度易于保證，所以結(jié)構(gòu)的可靠性大；輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)使得鋼結(jié)構(gòu)房屋的自重輕，從而所受地震作用減??；良好的延性使結(jié)構(gòu)在很大的變形下仍不致倒塌，從而保證結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性。但是，鋼結(jié)構(gòu)房屋如果設(shè)計(jì)和制造不當(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。
1、建筑場地
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　　在選擇建筑場地時，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。
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　　2、地基和基礎(chǔ)
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　　為了避免建筑物不均勻沉降而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂隙、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，應(yīng)加強(qiáng)基礎(chǔ)的整體性和剛性。
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　　3、平面和立面布置
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　　為了避免地震時建筑發(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。但不設(shè)置抗震縫時，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，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：
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　?。?）、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。
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　?。?）、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。此外，還應(yīng)加強(qiáng)各構(gòu)件之間的連接，以保證結(jié)構(gòu)的整體性，抗震支承系統(tǒng)應(yīng)保證地震作用時結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。
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　?。?）、對于女兒墻、圍護(hù)墻、雨篷、封墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)使其與主體結(jié)構(gòu)有可靠地連接和錨固，避免地震時倒塌傷人，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，不可避免時應(yīng)采取可靠措施。
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　?。?）、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。
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　　隨著人們對地震的不斷認(rèn)識，為防止出現(xiàn)嚴(yán)重的地震的嚴(yán)重災(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。本文闡明了設(shè)計(jì)人員進(jìn)行高層鋼結(jié)構(gòu)房屋抗震設(shè)計(jì)時，應(yīng)首先從概念設(shè)計(jì)著手，制定比較合理的設(shè)計(jì)方案等，確保房屋抗震設(shè)防目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

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