高层钢结构建筑抗震设计分析

目前，钢结构广泛应用于各类民用建筑，更广泛应用于高层、超高层建筑。 与混凝土结构相比，钢结构具有韧性好、强重比高、抗震性能优越等优点； 然而，如果钢结构房屋在结构设计、材料选择、施工、生产、维护等方面存在问题。 那么其优良的钢材性能就得不到充分发挥，在地震作用下还会造成结构破坏或整体倒塌。

一、高层建筑发展概况

20世纪80年代是我国高层建筑设计计算和施工技术各方面快速发展的阶段。 在大中城市，普遍建造高度在100m左右或以上、以钢筋为主的建筑物。 建筑层数和高度不断增加，功能和类型越来越复杂，结构体系日趋多样化。 比较有代表性的高层建筑有上海锦江饭店，它是一座现代化的高档酒店，总高度153.52m。 全部采用框架-核心墙全钢结构体系。 深圳发展中心大厦高43层，加天线高165.3m。 总高度185.3m，这是我国第一座大型高层钢结构建筑。 20世纪90年代，我国高层建筑的设计和施工技术进入了一个新阶段。 不仅结构体系和建筑材料多样化，而且高度也有了巨大的飞跃。深圳地王大厦于1995年6月封顶，高81层，钢结构385.95m。 目前在世界建筑中排名第四。

2、高层钢结构震害现象及原因分析

钢结构被认为具有优异的抗震性能。 在历次地震中，钢结构房屋的震害均小于钢筋混凝土结构房屋。 整体损坏或倒塌很少发生。 但由于焊接、连接、冷加工等工艺技术以及外界环境的影响，钢材的优势会受到影响。 特别是，不当的设计、施工和维护可能会导致结构损坏。 根据历次地震中钢结构的破坏模式，将可能的破坏形式分为以下几类：

1、结构倒塌

结构倒塌是地震期间最严重的结构损坏形式。 结构倒塌的主要原因是由于结构楼板屈服强度系数和变形刚度沿高度分布不均匀而形成结构软弱层。 这就要求在设计过程中应尽可能避免上述不利因素。

2. 节点销毁

节点损坏是地震中最常见的损坏形式。 具有刚性连接的结构构件一般采用铆接或焊接的方式连接。 如果节点设计和施工时结构和焊缝存在缺陷，节点区域可能会出现应力集中、应力均匀性小，地震时容易发生连接破坏。 梁柱节点可能的损伤现象主要有：铆接断裂、焊接位置错位、加劲板断裂、屈曲、腹板断裂、屈曲等。

3、元件损坏

在历次地震中，多层建筑钢结构构件的破坏形式主要包括支撑破坏和失稳以及梁、柱的局部破坏。 (1)支架破坏、失稳。 当地震烈度较大时，支座将承受反复拉压的轴力。 一旦压力超过支撑的临界屈曲力，就会发生损坏或不稳定。 (2)梁、柱局部损坏。 对于框架柱，主要存在翼缘屈曲、翼缝撕裂，甚至框架柱出现水平裂缝或断裂。 对于框架梁来说，主要有翼缘屈曲、腹板屈曲和开裂、扭转屈曲等破坏模式。

4、基础锚固破坏

钢构件与基础之间的锚固破坏主要表现为柱脚处地脚螺栓脱落、混凝土破碎锚固失效、连接板断裂等，这种形式的破坏已多次发生。 根据上述钢结构房屋的震害特征，分析表明，虽然钢结构具有较好的抗震能力，但在历次地震中都会出现不同程度的震害。 原因是这些要素与结构设计、结构施工、施工质量、材料质量、日常维护等有关。为了防止上述地震破坏的发生，减少地震破坏造成的损失，建筑物的抗震设计多层钢结构房屋必须严格按照相关手续办理。

3 抗震设计基本要求

1、钢结构房屋结构型式

钢结构房屋常见的结构体系有框架结构、框架支撑结构、框架抗震墙板结构、简化结构和巨型框架结构等。 钢结构房屋的抗震性能取决于结构的选择。 在进行实际工程设计时，需要综合考虑多种因素来优化方案，并在优化过程中确定合适的结构体系。

2、钢结构房屋结构布置原则

钢结构房屋结构体系和结构布置的选择关系到结构的安全性、适用性和经济性。 与其他类型的建筑结构一样，多层钢结构住宅应尽量采用常规的建筑方案。 当结构形状复杂、平面立面特别不规则时，可根据实际需要在适当位置设置抗震延伸部分，从而形成多个较规则的抗侧力结构单元。 由于钢结构能承受的结构变形比混凝土结构大雨棚钢结构，一般来说，不宜设置抗震缝。 必须设置时，抗震缝宽度不应小于相应钢筋混凝土结构房屋宽度的1.5倍。

3、钢结构房屋适用的最大高度和长宽比

根据结构总高度和抗震设防烈度确定结构类型和最大适用高度。 结构的高宽比是影响结构整体稳定性和抗震性能的重要参数。 它对结构刚度、横向移动和振动形式有直接影响。 高比是指房屋总高度与平面图较小宽度的比值。 当长宽比较大时，一方面结构会产生较大的水平位移和PA效应，另一方面柱子会因倾覆力矩而产生较大的轴向力。 因此，有必要对钢结构建筑的最大高宽比设定一个限值，该限值不应大于合理限值。 如果超过限度，应进行专门研究并采取必要的抗震措施。

4 抗震设计的一般方法

钢基本上是一种各向同性的均质材料。 它重量轻、强度高、延展性好。 它是一种非常适合建造抗震结构的材料。 高层钢结构房屋由于钢材材质均匀，在地震作用下很容易保持强度。 结构可靠性高； 其自重轻、强度高，使钢结构房屋重量轻，从而减少地震影响； 其良好的延展性可以防止结构在大变形下倒塌，从而保证结构在地震作用下的耐久性。 安全。 但钢结构房屋如果设计制造不当，在地震作用下可能会出现构件失稳、材料脆性破坏或连接失效，使钢材的性能无法充分发挥，造成灾难性后果。 。 因此，高层钢结构建筑的抗震设计非常重要和必要。

1、施工现场

选择建设地点时，需要根据工程需要掌握地震活动和工程地质的相关信息，并对建设地点进行综合评价。 宜选择有利于建筑物抗震的地点，如开阔平坦的硬场地土或致密均匀的干燥硬场地土。 避开场地土质松软、易液化土、突出的山水喷口等不利于建筑物抗震的地点。 、高耸的孤山、非岩石陡坡、采空区、河岸和坡缘。

2.基础与基础

为避免建筑物不均匀沉降引起裂缝甚至结构倾斜，使结构构件过早进入塑性区，同一结构单元不应设置在性质完全不同的地基土上。 不宜部分采用天然基础，部分采用桩基础。 ; 当地基含有弱粘性土、可液化土或土层严重不均匀时，应加强地基的整体性和刚性。

3、平面、立面布置

为避免地震时建筑物内产生扭转和应力集中或塑性变形等薄弱环节，建筑物平面、立面布置应规则、对称，质量分布和刚度变化均匀。 但当不设置抗震缝时，应采用符合实际情况的计算模型。 设置抗震缝时，应将建筑物划分为规则的结构单元。 我国《抗震规范》规定了高层钢结构建筑的最大适用高度和钢结构建筑的最大纵横比：

(1)结构体系应有清晰的计算图和合理的地震作用传递路径； 应有多条抗震防线，避免因某些结构或构件失效而导致整个系统失去抗震或重力承载能力。 ; 应具有必要的承载能力、良好的变形能力和耗能能力； 应具有合理的刚度分布和承载能力分布，避免因局部弱化或突变而形成薄弱点，造成应力过度集中或塑性变形集中。 针对可能存在的薄弱点，应采取措施提高其承载能力。

(2)抗震结构体系中，结构构件和连接件应具有良好的延性，以避免脆性破坏，提高抗震结构的整体变形能力。 因此雨棚钢结构，应合理控制钢结构构件的尺寸，防止局部失稳或整体失稳。 例如，明确规定了梁翼缘、腹板的宽厚比、高厚比。 此外，应加强构件之间的连接以保证结构的完整性，抗震支撑系统应保证结构在地震时的稳定性。

（3）女儿墙、挡土墙、雨篷、墙封等非结构构件应与主体结构可靠连接、锚固，避免地震时倒塌伤人及附加地震破坏； 应避免挡土墙、隔墙等及与主体结构的连接，以免因设置不当造成主体结构损坏； 应避免吊顶倒塌和重物悬吊坠落，不可避免时应采取可靠措施。

(4)建筑物在强震作用下的性能不仅是对抗震设计的考验，也是对施工质量的考验。 施工质量的好坏直接影响钢结构房屋的抗震能力。 因此，设计文件中应注明抗震结构对材料和施工质量的特殊要求。 建筑物在施工过程中，应特别注意遵守图纸上合理的抗震要求，并注意材料的选择，以保证施工质量。

随着人们对地震的不断认识，为了防止严重地震引发严重灾害，造成财产损失和生命伤亡。 人们对高层钢结构建筑的抗震要求不断提高。 本文明确，设计者在进行高层钢结构房屋抗震设计时，首先应从概念设计入手，制定更加合理的设计方案，以保证房屋抗震设防目标的实现。

钢结构各工序中应注意的事项

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（1）制作：钢结构制作包括放线、编号、切割、校正等多个环节。 高强螺栓处理后的摩擦面抗滑移系数应符合设计要求。

生产质量检验合格后，进行除锈、喷漆。 一般安装焊缝处留有30~50mm，暂时不涂漆。

（2）焊接：焊工必须经考试合格，取得证书，并必须在其审批范围内进行焊接。 焊缝焊接完毕后，必须在工艺规定的焊缝和位置上加盖焊工钢印。

焊接材料应与母材相匹配，采用超声波探伤方法检查全焊透的初焊缝和二次焊缝的内部缺陷。 当超声波探伤无法确定缺陷时，应采用射线探伤。

施工单位首次使用的钢材、焊接材料、焊接方法等都会对焊接工艺进行评价。

(3)运输：运输钢构件时，必须根据钢构件的长度和重量选择车辆。 车辆上钢构件的支点、两端延伸长度、绑扎方式应保证构件不变形、不损伤涂层。

（4）安装：钢结构安装必须按照施工组织设计进行，安装程序必须保证结构的稳定性，不造成永久变形。 安装立柱时，每根立柱的定位轴线必须从地面控制轴线向上。 钢结构的柱、梁、屋架等主要构件安装到位后，必须立即校正、固定。

工厂加工好的部件摩擦面在安装前必须重新测试防滑系数。 测试合格后方可安装。

(5)防火、防锈：

1）钢结构的耐火性能较差。 当温度达到550℃时，钢材的屈服强度下降至常温屈服强度的0.7左右，结构达到其强度设计值，可能会损坏。

设计应依据有关消防规范，使建筑结构符合相应消防标准的要求。 在防火标准要求的时间内，钢结构的温度不应超过临界温度，以保证结构的正常承载能力。

2）裸露的钢结构可能会受到大气特别是污染大气的严重腐蚀，最常见的就是生锈。 这就需要对构件表面进行防腐处理，以保证钢结构的正常使用。 防腐处理的方法根据构件的表面状况和使用寿命要求来确定。