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高层钢结构抗震性能分析

张馨月
摘要：高层钢结构建筑具有施工速度快、工业化程度高、综合技术经济指标好、抗震性能优越等特点，钢结构用于高层建筑，具有得天独厚的技术优势，也是我国当前的产业政策。本文介绍了目前高层钢结构建筑采用的几种典型的结构体系，总结了各结构体系的受力特点及应用；以典型的钢结构建筑为例，对其分别采用钢框架结构体系、钢框架-支撑结构体系、钢框架-剪力墙结构体系、钢框架结构体系，利用大型有限元软件ANSYS分析了各种结构体系所具有的抗震性能，得到了一些有益的结论。
关键词：高层建筑；钢结构；抗震性能
0 引言
近几年，我国的建筑产业化发展速度十分迅猛，发展方向突破传统的户型、材料和结构体系呈多元化趋势，关于建筑行业发展的讨论也是百家争鸣、各具特色。作为建筑领域的新兴力量，钢结构住宅的发展和讨论也越来越被业界和学界所重视。而我国属于一个地震多发的国家，建筑灾害成为地震灾害中最具破坏和杀伤力的灾害，这更加强了全国从事钢结构设计和研究的同仁们对于普通住宅建筑抗震的思考。
1高层建筑钢结构的体系
在钢结构建筑中用的较多的结构体系有框架结构、框架- 中心支撑结构和框架- 偏心支撑结构等。纯框架结构延性好，抗震性能好，但由于抗侧刚度较差，不宜用于层数太高的建筑。框架- 中心支撑结构抗侧刚度大，适用层数较多的建筑，但由于支撑构件的滞回性能较差，耗散的地震能量有限，抗震性能不如纯框架。框架- 偏心支撑结构可通过偏心连梁的剪切屈服，耗散地震能量，同时又能保证支撑不丧失整体稳定，抗震性能优于框架- 中心支撑结构。采用能与钢框架抗侧刚度相匹配的内藏钢板剪力墙和带竖缝剪力墙代替支撑，可构成框架- 抗震墙板结构，其抗震性能优于框架- 中心支撑结构。当房屋刚度更高时，可采用沿建筑周边设置密柱深梁框架构成的框筒结构。框筒结构抗侧刚度大，并具有较好的抗震性能。
2 钢结构建筑的抗震结构
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。高层钢结构具有抗震性能高，施工周期短、工业化程度高、环保性能好等特点。
3 钢结构的抗震性能设计
3.1钢结构预制构件拼接建筑结构
在钢结构预制构件拼接建筑结构中，预制钢构件的连接增加了结构的超静定次数，从而增加了塑性铰的形成数量，构成多道抗震防线，不仅提高了结构的抗震可靠度，更延长了结构进入倒塌的过程。即使是纯框架结构之类的楼房，也能大大提高其抗震能力。且这种结构具有施工方便，工期短，自重轻，结构面积小，维修方便等优点，可以作为抗震结构设计类型。
3.2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。
3.3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[3]。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。轻型门式刚架结构体系具有施工速度快、安装方便、造型轻盈美观、造价低廉等诸多优点，近年来已经成为单、多层工业厂房、仓储库房和大跨轻钢结构的主要形式之一。
3.4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。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。
通过试验研究，将四种经典稳定判别准则中的初始缺陷准则应用于非线性有限元分析，提出了研究非线性分叉失稳的初始微小缺陷法。通过分析研究证明了初始微小缺陷法是易行的和符合实际的，揭示了初始微小缺陷是实际结构存在非线性分叉失稳的真正原因，指出在研究肘形刚架时，必须考虑其非线性分叉问题才能全面地了解它的稳定性能。
4 对抗震设计要求
4.1 对钢材性能的要求
1） 抗侧力结构的钢材宜采用等级为B 级的Q235 碳素结构钢和Q345 低合金高强度结构钢，其质量应分别符合国家标准《碳素结构钢》（GB/T700）和《低合金高强度结构钢》（GB/T 1951）的规定。当有可靠根据时，也可以采用其它钢种和钢号的钢材。其性能应符合下列要求：
①钢材的抗拉强度与屈服强度的实测值之比不应小于1.2；
②钢材的伸长率应大于20%，且应有明显的屈服台阶；
③钢材应有良好的焊接性和合格的冲击韧性；
④偏心支撑框架中的耗能连梁不得采用屈服强度高于345N/mm2的钢材。
2）采用焊接连接的节点，当板厚不小于40mm，且沿板厚方向承受拉力作用时，应对该部分钢材提出沿厚度方向受拉试件破坏后的断面收缩率的附加要求，该值不得小于现行国家标准《厚度方向性能钢板》（GB/T5313）规定的Z15 级的容许值。
3）用于抗震设计类别C 类以上的抗侧力体系钢结构中的所有坡口全熔透焊缝的填充金属，其零下30℃的夏比冲击功应大于或等于27J。
4.2 对结构布置的要求
1）建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案。即在进行房屋的平、剖、立面设计和结构体系布置时，应尽可能做到建筑体形简单、平面规则对称，同时建筑中抗侧力结构的布置应尽可能的均匀、对称，使建筑各楼层的总体刚度中心尽可能与楼层的质量中心相重合或相接近，并应尽可能使房屋的刚度和质量沿竖向均匀连续、没有突变。
2）钢结构建筑宜避免采用不规则建筑结构方案，不设防震缝。若房屋必须采用比较复杂的平面形状时，则宜用防震缝将房屋划分为几个平面规则、对称的独立单元，为了避免地震时各部分之间相互碰撞，防震缝的宽度应不小于相应钢筋混凝土结构房屋的1.5 倍。
4.3 对结构设计的要求
1）在进行结构设计时，应根据建筑的抗震设防类别、抗震设计烈度、建筑高度、场地条件、地基、结构材料和施工等因素，经技术、经济和使用条件综合比较，选择合适的结构体系。
2）结构体系应有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径，可考虑多道抗震防线。宜使结构在两个主轴方向的动力特性相近，并尽量使其基本自振周期远离场地的特征周期，以防止共振，减小地震作用。
3）应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。例
如，框架结构应设计成强柱弱梁型，以防止形成柱子倒塌结构。
5结语
钢结构成本高。但是钢结构比混凝土结构建设速度要快50%，这会节省很多时间成本。而且建筑整体重量也比混凝土结构轻50%以上，这样基础处理、运输量的成本都会下降。此外，钢结构柱子的截面小，可以增加5%的空间面积。理想状况下会与混凝土建筑成本持平，最差也不会超过15%。这是我们可以接受的。我国著名钢结构专家、国家钢结构工程技术研究中心总工程师侯兆欣说，“钢结构应成为重建家园的最佳选择。”总之，可以相信，随着钢结构抗震设计研究的不断进步，在不久的将来，会有越来越多让人们“信得过”的钢结构建筑问世。
参考文献
[1]崔辉辉等，支撑布置方式对具水平加强层全钢高层结构抗震性能的影响分析[J].福建建筑，2008(9).
[2]高轩能、李琨，变截面门式刚架地震反应研究进展[J].四川建筑科学研究，2008(6).
[3]徐国林等，巨型梁设置对巨型钢框架结构地震反应的影响[J].地震工程与工程振动，2008(6).

-全文完-