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摘要：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。...

淺談高層鋼結(jié)構(gòu)震害特征及制定設(shè)計(jì)方案時(shí)如何提高抗震性能

一、高層鋼結(jié)構(gòu)震害現(xiàn)象及其原因分析

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(lèi)：

1、結(jié)構(gòu)倒塌

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(guò)程中應(yīng)盡量避免上述不利因素的出現(xiàn)。

2、節(jié)點(diǎn)破壞

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。

3、構(gòu)件破壞

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(shí)，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(shí)，就會(huì)出現(xiàn)破壞或失穩(wěn)。

（2）梁柱局部破壞。對(duì)于框架柱，主要有翼緣屈曲、翼縫撕裂，甚至框架柱會(huì)出現(xiàn)水平裂縫或斷裂破壞。對(duì)于框架梁，主要有翼緣屈曲、腹板屈曲和開(kāi)裂、扭轉(zhuǎn)屈曲等破壞形態(tài)。

4、基礎(chǔ)錨固破壞

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(kāi)、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(duì)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(huì)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(lái)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。

二、抗震設(shè)計(jì)基本要求

1、鋼結(jié)構(gòu)房屋結(jié)構(gòu)類(lèi)型

常見(jiàn)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(jiǎn)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(shí)，需要綜合考慮多種因素進(jìn)行方案的優(yōu)化，在優(yōu)化過(guò)程中確定其適宜的結(jié)構(gòu)體系。

2、鋼結(jié)構(gòu)房屋結(jié)構(gòu)布置原則

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(lèi)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(shí)，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(gè)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(lái)說(shuō)，不宜設(shè)抗震縫，必須設(shè)置時(shí)，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。

3、鋼結(jié)構(gòu)房屋適用的最大高度和高寬比

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(lèi)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(duì)結(jié)構(gòu)剛度、側(cè)移和振動(dòng)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(shí)，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(duì)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(guò)時(shí)應(yīng)進(jìn)行專門(mén)研究，采取必要的抗震措施。

三、抗震設(shè)計(jì)的一般方法

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小；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(chǎng)地

在選擇建筑場(chǎng)地時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程需要，掌握地震活動(dòng)情況和工程地質(zhì)的有關(guān)資料，對(duì)建筑場(chǎng)地做出綜合評(píng)價(jià)。宜選擇對(duì)建筑抗震有利的地段，如開(kāi)闊平坦的堅(jiān)硬場(chǎng)地土或密實(shí)均勻的干硬場(chǎng)地土等地段，避開(kāi)對(duì)建筑抗震不利的地段，如軟弱場(chǎng)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)生裂隙、甚至傾斜，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件過(guò)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(duì)稱，質(zhì)量分布和剛度變化宜均勻。但不設(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(guó)《抗震規(guī)范》對(duì)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：

（1）結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具有明確的計(jì)算簡(jiǎn)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(gè)體系喪失抗震能力或喪失對(duì)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(guò)大的應(yīng)力集中或塑性變形集中，對(duì)可能出現(xiàn)的薄弱部位，應(yīng)采取措施提高其承載能力。

（2）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(duì)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(shí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

（3）對(duì)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(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。

（4）建筑物在強(qiáng)震作用下的表現(xiàn)，既是對(duì)抗震設(shè)計(jì)的檢驗(yàn)，也是對(duì)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(duì)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。

隨著人們對(duì)地震的不斷認(rèn)識(shí)，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(duì)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(shí)，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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原標(biāo)題：高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如何保證抗震效果？

 

本文來(lái)源：土木工程網(wǎng)     文徑網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心：劉紅娟 尹維維 編輯     劉真 方俊 審核

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