浅谈高层钢结构抗震措施.docx

浅谈高层钢结构抗震措施 【摘要】随着城市建设的发展，钢结构在高层建筑中的应用越来越广泛，因为高层钢结构抗震性能卓越，材料强度、延性良好，施工便利，便于回收，能够可持续利用，空间使用率高、有效节省土地以及节能、降耗等特点。本文主要从高层钢结构的抗震性能及措施进行探讨。 【关键词】 高层建筑 钢结构抗震 【 Abstract 】 With the development of urban construction, steel structures in high-rise building more and more wide application, for high-rise steel structure seismic performance is remarkable, material strength and ductility is good, construction is convenient, easy recycling, able to sustainable use, the space utilization rate is high, effectively save the land and energy saving, consumption reduction e steel structure seismic performance and measures are discus 中图分类号：TU208.3 文献标识码：A文章编号： 前言 我国地处地震带附近，地质灾害影响特别大，而地震对不同的结构产生着不同的影响，不同的结构在地震中的破坏程度和形式也不一样。钢结构可以看作比较理想的弹塑性结构，可以通过结构的塑性变形吸收和消耗地震输入能量，从而具有较高的抵抗强烈地震的能力。同时，钢结构具有建筑功能分区的可变性强、房屋自重轻、抗震性能优越、生产自动化施工装配化程度高和造价低综合经济效益好等优点。但钢结构在抗震设计中还需解决一系列的问题，这些都急需解决。 一、钢结构的抗震性能 不同的结构形式，抗震性能明显不同。混凝土结构的房屋受压较好，但不抗拉力，两种力的差距达10倍。当地震来临时，房屋在地震波循环荷载情况下，极易发生整体垮塌。而钢结构具有良好的延展性，可以将地震波的能耗抵消掉。 钢材基本上属各向同性材料，扛拉、抗压、扛剪强度均很高，而且具有良好的延展性，特别是钢结构凭着自己特有的高延展性减轻了地震反应。钢结构还可以看作比较理想的弹塑性结构，可以通过结构的塑性变形吸收和消耗地震输入能量， 从而具有较高的抵抗强烈地震的能力。钢结构相对于其他结构自重轻，这也大大减轻了地震作用的影响。钢结构除了抗震性能高，施工周期短、工业化程度高、环保性能好的特点也显著优于混凝土结构。 二、钢结构建筑在震害中的破坏形式和原因分析 钢结构具有优越的强度、韧性或延性、强度重量比，总体上看是抗震性能好，抗震能力强。尽管如此，由于焊接、连接、冷加工等工艺技术以及腐蚀环境的影响，钢材性能的优点将受到影响，如果在设计、施工、维护等方面出现问题，就会造成损害或破坏。钢结构较少出现倒塌破坏情况，主要震害表现是构件整体或局部失稳、节点破坏、基础连接破坏、构件破坏等。 1）结构倒塌。钢材发生平面外弯曲失稳造成。2）支撑构件破坏。支撑构件为结构提供较大的侧向刚度，当地震强度较大时，承受的轴向力增加，如果支撑的长度、局部加劲板构造与主体结构的连接构造等出现问题， 就会出现破坏和失稳。 3）节点破坏。铆、拴、焊节点传力集中，构造复杂，施工难度大，容易造成应力集中，强度不均匀现象，再加上可能的焊缝缺陷、构造缺陷，就更容易出现连接破坏。梁柱节点可能破坏现象有加劲板断裂、扭曲，腹板断裂、扭曲，焊接部位拉脱，铆接断裂以及螺栓连接的破坏等等。4）基础锚固破坏。主要有螺栓拉短、混凝土锚固实效、连接板断裂，主要是涉及构造、材料质量、施工质量等问题造成。5）构件破坏。框架梁等的破坏形式主要有腹板开裂、腹板屈曲和翼缘板屈曲、扭转屈曲，框架柱的破坏主要由柱子受拉断裂，翼缘屈曲，翼缘撕裂失稳。构件拉断的原因估计是地震造成的倾覆拉力较大，动应变速率较高，材料变脆等。 三、高层钢结构抗震措施 1、抗震设计基本方法 地震作用是很复杂的，地震作用不是直接作用在结构上的荷载，而是地面运动引起结构的惯性力；地震的地面运动，不仅有两个水平方向的运动分量，而且还有竖向分量以及转动分量；地震作用的发生和强度又具有很大的不确定性。因此，地震作用计算特别是在建筑结构抗震设计的计算，应在符合结构地震反应特点和规律的基础上给予尽量的简化。由于结构的类型和体型简单与复杂的差异等，所以在地震作用计算中又可以分为简化方法和较为复杂的精细方法。目前，抗震设计的基本方法主要为：底部剪力法，反应谱方法和时程分析法。 1）底部剪力法 底部剪力法是计算规则结构水平地震作用的简化方法，按照弹性地震反应谱理论，结构底部总的地震剪力与等效的单质点的水平地震作用相等。由此，可确定结构总水平地震作用及其沿高度的分布，计算时，各层的重力荷载代表值集中于楼盖处，在每个主轴方向可仅考虑一个自由度。 2）反应谱法 反应谱法是以单质点弹性体系在实际地震过程中的反应为基础，来进行结构反应的分析。按照这一理论，应用地震谱曲线，就可以按照实际地面运动来计算建筑物的反应。反应谱曲线，是描述单质点弹性体系对于实际地面运动的最大反应和体系自振周期的函数关系。根据考虑的地震作用来分，可以分为平动的振型分解反应谱法和扭转耦连的振型分解反应谱法。 3）时程分析法 前面所述各类建筑计算结构的抗震设计方法是基于地震反应谱进行设计的方法。按照反应谱进行设计的方法是把地震作用换算为等效的水平静力荷载作用，对结构进行弹性静力分析，从而求得多遇地震作用下结构的弹性内力和变形；同样，对罕遇地震作用下弹性变形乘以考虑结构弹塑性变形性质的变形扩大系数后，即可以求得相应的弹塑性变形。上述的分析方法比较简单，也可以保证多数建筑结构的抗震承载力和变形，但是它不能确切地了解建筑物在地震过程中结构的内力和位移随时间的反应；有时也难以确定建筑结构在地震时可能存在的薄弱环节和可能发生的震害；由于计算简化，抗震承载力和变形的安全度也可能是有疑问的。结构地震反应的时程分析法，也称为直接动力分析法或动态分析法，是将建筑物作为弹性或弹塑性振动系统，直接输入地面地震加速度数值，对运动方程直接积分，从而获得计算系统各质点的位移、速度、加速度和结构构件地震剪力的时程变化曲线以及各杆件出现塑性铰的顺序。 2、具体措施 1）轻型门式刚架设计。实腹式轻型门式刚架结构按截面形式主要有两种类型：等截面门式刚架和变截面门式刚架。门式刚架结构的主体结构一般由等截面或变截面的焊接(或轧制) H型钢门架构成，柱脚常设计为铰接或刚接，维护结构通常采用压型钢板作为轻型外墙和屋面。变截面的焊接H 型钢门式刚架通常将构件腹板制成楔形，只改变腹板宽度，不改变腹板厚度、翼缘的宽度和厚度。依据刚架的弯矩分布特点，门式刚架柱一般由一个楔形构件组成，而梁则由几个楔形构件组成。 2）巨型梁设置。巨型梁的设置对整个巨型钢结构的抗震性能影响很大，是巨型钢结构抗震设计中的一个重要问题。实践研究发现，巨型梁的数量不是越多越好。 此外巨型梁数量要保证结构具有足够的抗侧刚度，且要考虑巨型梁柱线刚度，使其相差不能太大，以利于抗震。在地震动作用下巨型梁位置的改变对结构的反应影响较大，而从反应谱分析中并未看出巨型梁位置改变对结构反应的影响。 3）支撑布置方式。由于高度限制，用于高层钢结构建筑的框架体系常设置支撑。同时，为控制楼层的顶点位移及层间位移，可设置水平加强层。增加支撑体系和水平加强层是提高结构整体刚度，减少梁、柱用钢量的有效方法之一，具有较好的经济效果。不同的支撑布置形式对其地震响应有不同的影响。 四、实例分析 1、工程案例：该住宅楼轴线长482m，宽137m，共6层，主体结构高201m，总高246m，局部凹进48m，建筑高宽比176小于九度抗震限制55，建筑总面积479759m2。 2、墙体材料的选择 由于居民钢结构住宅楼钢结构体系的框架重的特性，故考虑选用轻质块材墙体比较适合，通常包括蒸压加气混凝土砌块墙体、混土小型空心砌块墙体(普通型和轻集料)、粉煤灰砌块墙体等。蒸压加气混凝土砌块是以水泥、石灰、矿渣、砂、粉煤灰、铝粉等为原料经细、计量配料、搅拌浇注、发气膨胀、静停切割、蒸压养护、成品加工、包装工序制造而成的多孔混凝土。它具有质轻、保温、防火、可锯、可加工等特点，选用尺寸规格为(600mm100mm)一(300mm20mm300ram)。加气混凝土表面强度低、空隙率大、吸水性高，用于外墙勒脚处应砌筑200mm高混凝土，以防止潮气渗入。 3、纯钢框架结构的布置 受梁柱体系高跨比的限制，随着跨度的增加，结构钢梁的高度也随之增加，通常结构钢梁高跨比1：1520。从结构受力分析的合理性和经济性两方面考虑，居民钢结构住宅楼大跨度钢结构柱网672m为宜。此时结构梁高约300mm500mm。按建筑层高28m考虑，立面开窗高度能达1.4m以上。 此外在实际住宅建筑过程中，居民钢结构住宅楼将梁柱连接中在梁翼缘部位采取有可靠连接且刚度较大的连接形式，当作刚接，否则，当作铰接。当梁柱连接按刚接或铰接进行框架计算与设计时，其构造应尽量符合刚接或铰接的假定，以使结构内力分析准确，设计安全。 结语 总之，钢结构在抗震过程中有着无可比拟的优势，而且材料强度、延性良好，施工便利，便于回收，能够可持续利用，空间使用率高、有