高层钢结构建筑中的抗震设计思路分析

高层钢结构建筑中的抗震设计思路分析【摘要】随着当今高层钢结构建筑的增多，探讨如何进行高层钢结构建筑的防震设计成为备受关注的焦点。本文从概念设计、结构计算以及构造上入手，其设计结果经实践证明符合抗震水准。

【关键词】高层钢结构建筑；抗震；设计

钢结构建筑与传统的混凝土建筑结构相比具有突出的优点，例如强度与重量比高、韧性好，因此被广泛的应用与各种类型的民用建筑以及商用的高层、超高层建筑中。但是由于钢结构建筑的发展时间较短，很多现实的问题没有得到充分的解决，致使钢结构建筑的优势得不到充分的发挥，在面临地震作用下也会形成一定的破坏和损失。

1 概念设计

概念设计即采用一种从总体上、大概的进行抗震的工程决策，以免盲目的进行计算工作，可以实现合理的抗震设计。

1.1 建筑场地

场地的选择要充分的掌握了相关的工程地质资料以及地震活动情况的基础上对于建筑用地进行综合的评估。经验表明，密实坚硬或者开阔平坦的坚硬场地食欲建筑使用，而易于液化土、软弱场地土、孤立的山丘、采空区以及河岸或者边坡均不适于建筑使用。

1.2地基与基础

由于不均匀的沉降会给建筑物带来巨大的危害，因此要在地基的设置上避免将同一个结构单元设置于不同性质的地基土上，同时

避免天然地基与桩基混用。当遇到严重不均匀土层、软弱粘性土时要着重的加强基础的刚性与整体性。

1.3 平面与立面的布置

由于钢结构建筑在地震中易于发生扭转、塑性变形以及应力集中的现象，从而使得抗震效果减弱。而均匀的刚度变化、质量分布以及规则、对称的立面、平面设置可以有效的环节地震带来的破坏。同时合理的设置抗震缝，将建筑物分割为规则的结构单元也可以起到加强房屋抗震的作用。在此方面，我国已经出台了官运钢结构房屋的使用高度、高宽比的规定，如下表1、2：

1.4 结构体系

结构体系一般有着如下的规范要求：具备相当的承载力、耗能力与变形力；设置多重的抗震防线，以免发生部分的结构失效所带来的整体建筑破坏的后果；设计要满足刚度分布、承载力合理以及不发生因局部的削弱而导致的薄弱环节，同时对于可能会出现的薄弱环节要及时的采取措施提高其承载力。

1.5 结构构件

高层钢结构建筑中使用的构件要控制合理，避免发生部分或者整体的失稳现象以及脆性破坏。尤其是对梁翼缘和腹板的高、宽厚度要严格的按照施工的要求，此外还要注意各个构件之间的连接，提高整体性。

1.6 材料及施工质量

建筑物的抗震能力是对于抗震设计及施工质量的考验，而施工

质量是决定抗震能力的关键。因此在设计高层钢结构建筑时要明确的标注对于施工质量及材料的具体要求。

此外对于可能引起伤害的非结构构件也要予以重视，例如避免封墙、维护强等倒塌伤人，悬吊较重的装饰无坠落以及吊顶坍落等，因此要使其与主结构有很好的锚固。

2 计算设计

2.1 结构的自振周期

对于高层钢结构建筑，由于其刚度和重量是沿着高度均匀的分布，因此其自振周期可以使用如下的公式计算：

其中：ga表示柱子的剪切高度，△表示在剪力的作用下顶点的位移，表示剪应力的不均匀分布系数。或者也可以根据经验式子0.1n表示，n为建筑物的层数。

2.2 反应谱的设计

一般的高层钢结构建筑的倾斜段的斜率设定为0.024，水平地震影响系数曲线所涉及到的衰减系数设定为0.95，而水平地震影响系数的最大值参考下表3进行设定：

2.3 位移与内力的计算

在第一阶段的多遇地震作用下，地震的作用效应按照弹性方法计算，而对于框架、框架—剪力墙以及框筒结构的体系，其内力与位移的计算按照矩阵位移法，并且要考虑到梁柱的弯曲形与节点处的剪切形变；对于第二阶段的罕遇地震的作用情况，其抗震的计算要使用时程分析法进行弹塑性时程的分析，使用杆系模型进行结构

计算。

2.4 侧移的控制

控制结构的侧移，使其不超过一定的限度可以避免小震作用下的非结构件的破坏以及大震作用下的结构件的倒塌或者破坏。

3 构造设计

3.1 强柱弱梁的原则

高层钢结构建筑的设计构造要遵循强柱弱梁的原则。这种设计方法可以保证塑性铰在梁段形成而不是在柱端形成，从而增强了框架的耗散地震能量、内力重分布的能力。为此，梁段要比柱端设置较少的承载力储备，一般要求框架柱的任一节点处的柱截面、梁截面的塑性抵抗矩要满足：

其中，wpc、wpb为梁柱的塑性截面模量；mpb1、mpb2为节点处的受弯承载力；n、ac、vp 分别为柱子的轴向压力值、柱截面面积、节点处的体积与折减系数；fye、fyb为屈服度；fv、η为抗剪强度和强柱的系数。

3.2 钢框架结构的抗震构造和措施

一般的高层钢结构建筑的长细比要符合以下的规则：当楼层在12层内，6-8度时要小于120 ，9度时要小于100 ；而高于12层的建筑要满足下表4的规范：

此外，还要注意在梁柱的刚性连接时要注意使用坡口全熔透焊缝。

3.3 偏心支撑结构抗震构造措施

使用的消能梁段的钢材的屈服强度应该小于345mpa，并且在消能梁段的同一个跨内部的其它类型的梁段的厚度比要符合以下要求：

表5偏心支撑框架梁板件宽厚比限值

同时耗能梁段还要满足：耗能梁段的腹板要设置中间加劲肋；支撑连接处要设置加劲肋，且其高度应等于梁的腹板高度；耗能梁段的腹板不能开洞，不能贴焊补强板。

4 结束语

随着我们对于地震灾害的认识的深化以及人们对于防范自然灾害的重视的提升，对于钢结构建筑的防震的要求也越来越高。上文已高层钢结构建筑的抗震设计思路为中心，重点的论述了设计的思路及设计中注意事项，并提出了科学制定抗震设计方案的关键：从概念设计、计算设计与构造设计三方面着手，以此达到对于建筑的抗震能力的提升。

参考文献

[1] 瞿伟廉，等.高层建筑和高耸结构的防震控制设计[m].武汉：武汉财经太学出版社.2007.

[2] 刘开国.结构tld防震控制设计与计算建筑结构，2003（7）：7～10.

[3] 耿进萍，王永富.设置tmd—tld控制系统的高层建筑防震分析与设计方法.地震工程与工程振动[m]，2004（2）：61～74.

[4] 李春祥.刘艳霞，熊学玉.tmd系统最优参数的实用设计方法