高層鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震設(shè)計(jì)探析
發(fā)布人： 發(fā)布時(shí)間：2018-05-23
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(huì)造成結(jié)構(gòu)的局面破壞或整體倒塌。
一、高層建筑發(fā)展概括
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(jí)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(gè)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
高層鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震設(shè)計(jì)探析
二、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：
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、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。
高層鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震設(shè)計(jì)探析
三、抗震設(shè)計(jì)基本要求
1、鋼結(jié)構(gòu)房屋結(jié)構(gòu)類型
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(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)，一般來說，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，超過時(shí)應(yīng)進(jìn)行專門研究，采取必要的抗震措施。
四、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《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)。
鋼結(jié)構(gòu)各種流程應(yīng)注意的事項(xiàng)
（1）制作：鋼結(jié)構(gòu)制作包括放樣、號(hào)料、切割、校正等諸多環(huán)節(jié)。高強(qiáng)度螺栓處理后的摩擦面，抗滑移系數(shù)應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。
制作質(zhì)量檢驗(yàn)合格后進(jìn)行除銹和涂裝。一般安裝焊縫處留出30～50mm暫不涂裝。
（2）焊接：焊工必須經(jīng)考試合格并取得合格證書，且必須在其考試合格項(xiàng)目及其認(rèn)可范圍內(nèi)施焊。焊縫施焊后須在工藝規(guī)定的焊縫及部位打上焊工鋼印。
焊接材料與母材應(yīng)匹配，全焊透的一、二級(jí)焊縫應(yīng)采用超聲波探傷進(jìn)行內(nèi)部缺陷檢驗(yàn)，超聲波探傷不能對(duì)缺陷作出判斷時(shí)，采用射線探傷。
施工單位首次采用的鋼材、焊接材料、焊接方法等，進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。
（3）運(yùn)輸：運(yùn)輸鋼構(gòu)件時(shí)，要根據(jù)鋼構(gòu)件的長度和重量選用車輛。鋼構(gòu)件在車輛上的支點(diǎn)、兩端伸出的長度及綁扎方法均應(yīng)保證構(gòu)件不產(chǎn)生變形、不損傷涂層。
（4）安裝：鋼結(jié)構(gòu)安裝要按施工組織設(shè)計(jì)進(jìn)行，安裝程序須保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和不導(dǎo)致永久性變形。安裝柱時(shí)，每節(jié)柱的定位軸線須從地面控制軸線直接引上。鋼結(jié)構(gòu)的柱、梁、屋架等主要構(gòu)件安裝就位后，須立即進(jìn)行校正、固定。
由工廠處理的構(gòu)件摩擦面，安裝前須復(fù)驗(yàn)抗滑移系數(shù)，合格后方可安裝。
（5）防火與防銹：
1）鋼結(jié)構(gòu)防火性能較差。當(dāng)溫度達(dá)到550℃時(shí)，鋼材的屈服強(qiáng)度大約降至正常溫度時(shí)屈服強(qiáng)度的0.7，結(jié)構(gòu)即達(dá)到它的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值而可能發(fā)生破壞。
設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)有關(guān)防火規(guī)范的規(guī)定，使建筑結(jié)構(gòu)能滿足相應(yīng)防火標(biāo)準(zhǔn)的要求。在防火標(biāo)準(zhǔn)要求的時(shí)間內(nèi)，應(yīng)使鋼結(jié)構(gòu)的溫度不超過臨界溫度，以保證結(jié)構(gòu)正常承載能力。
2）外露的鋼結(jié)構(gòu)可能會(huì)受到大氣，特別是被污染的大氣的嚴(yán)重腐蝕，最普通的是生銹。這就必須對(duì)構(gòu)件的表面進(jìn)行防腐蝕處理，以保證鋼結(jié)構(gòu)的正常使用。防腐處理的方法根據(jù)構(gòu)件表面條件及使用壽命的要求決定。