高层钢结构抗震设计分析
高层钢结构抗震设计分析
随着高层建筑的快速发展，钢结构因其强度高、韧性好等优点，在高层及超高层建筑中得到广泛应用。然而，如果设计、施工和维护不当，钢结构的优良特性将无法充分发挥，甚至可能在地震中造成严重破坏。本文将从高层建筑发展概况、钢结构震害现象分析以及抗震设计要点等方面，全面探讨高层钢结构建筑的抗震设计问题。
一、高层建筑发展概况
20世纪80年代，我国高层建筑在设计计算及施工技术方面取得了迅速发展。各大中城市纷纷兴建高度在100米左右或更高的建筑，建筑层数和高度不断增加，功能和类型也越来越复杂，结构体系日趋多样化。
具有代表性的高层建筑包括上海锦江饭店，这是一座现代化的高级宾馆，总高153.52米，全部采用框架-芯墙全钢结构体系。深圳发展中心大厦则高达43层，总高165.3米，加上天线高度达到185.3米，是我国第一幢大型高层钢结构建筑。
进入90年代，我国高层建筑的设计与施工技术迈入新阶段。不仅结构体系及建筑材料呈现多样化，建筑高度也有了显著提升。深圳地王大厦就是一个典型例子，该建筑高达81层，总高385.95米，采用钢结构，当时位居世界建筑第四位。
二、高层钢结构震害现象及其原因分析
尽管钢结构被认为具有卓越的抗震性能，但在地震中仍可能出现各种破坏形式。根据历次地震中的破坏形态，主要可以分为以下几类：
结构倒塌：这是地震中结构破坏最严重的形式。薄弱层的形成是导致结构倒塌的主要原因，而薄弱层的形成通常与结构楼层屈服强度系数和抗变刚度沿高度分布不均匀有关。
节点破坏：节点破坏是地震中最常见的破坏形式之一。刚性连接的结构构件通常采用铆接或焊接形式连接。如果在节点的设计和施工中存在缺陷，节点区就可能出现应力集中、受力不均的现象，在地震中很容易出现连接破坏。梁柱节点可能出现的破坏现象包括铆接断裂、焊接部位脱焊、加劲板断裂、腹板断裂或屈曲等。
构件破坏：多高层建筑钢结构构件破坏的主要形式包括支撑的破坏与失稳以及梁柱局部破坏。支撑在地震中承受反复拉压的轴向力作用，一旦压力超出支撑的屈曲临界力时，就会出现破坏或失稳。对于框架柱，可能出现翼缘屈曲、翼缝撕裂，甚至框架柱会出现水平裂缝或断裂破坏。对于框架梁，可能出现翼缘屈曲、腹板屈曲和开裂、扭转屈曲等破坏形态。
基础锚固破坏：钢构件与基础的锚固破坏主要表现为柱脚处的地脚螺栓脱开、混凝土破碎导致锚固失效、连接板断裂等。
三、抗震设计基本要求
钢结构房屋结构类型：常见的钢结构房屋结构体系包括框架结构、框架-支撑结构、框架-抗震墙板结构、筒体结构以及巨型框架结构等。结构选型的优劣直接影响到房屋的抗震性能。
钢结构房屋结构布置原则：钢结构房屋的结构体系和布置选择关系到结构的安全性、适用性和经济性。应尽量采用规则的建筑方案，当结构体型复杂时，可设置防震缝形成多个较规则的抗侧力结构单元。由于钢结构具有较好的延性，一般情况下不宜设抗震缝，必须设置时，抗震缝宽度应不小于相应钢筋混凝土结构房屋的1.5倍。
钢结构房屋适用的最大高度和高宽比：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。高宽比值较大时，会使结构产生较大的水平位移及P-Δ效应，同时由于倾覆力矩使柱产生很大的轴向力。因此，需要对钢结构房屋的最大高宽比制定限值，不宜大于合理的限值，超过时应进行专门研究，采取必要的抗震措施。
四、抗震设计的一般方法
建筑场地选择：宜选择对建筑抗震有利的地段，如开阔平坦的坚硬场地土或密实均匀的干硬场地土等地段，避开软弱场地土、易液化土、条状突出的山嘴、高耸孤立的山丘、非岩质的陡坡、采空区、河岸和边坡边缘等地段。
地基和基础处理：为了避免建筑物不均匀沉降，同一结构单元不应设置在性质截然不同的地基土上，不宜部分采用天然地基，部分采用桩基。地基有软弱粘性土、可液化土或严重不均匀土层时，应加强基础的整体性和刚性。
平面和立面布置：建筑平面、立面布置宜规则、对称，质量分布和刚度变化宜均匀。结构体系应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径，应有多道抗震设防防线，避免因部分结构或构件失效而导致整个体系丧失抗震能力或丧失对重力的承载能力。
非结构构件的连接：女儿墙、围护墙、雨篷、封墙等非结构构件应与主体结构有可靠地连接和锚固，避免地震时倒塌伤人。围护墙、隔墙等与主体结构的连接应避免设置不当而导致主体结构破坏。
施工质量控制：施工质量的好坏直接影响钢结构房屋的抗震能力。施工单位首次采用的钢材、焊接材料、焊接方法等，应进行焊接工艺评定。焊工必须经考试合格并取得合格证书，且必须在其考试合格项目及其认可范围内施焊。
五、钢结构制作与安装注意事项
制作：钢结构制作包括放样、号料、切割、校正等诸多环节。高强度螺栓处理后的摩擦面，抗滑移系数应符合设计要求。制作质量检验合格后进行除锈和涂装，一般安装焊缝处留出30～50mm暂不涂装。
焊接：焊工必须经考试合格并取得合格证书，且必须在其考试合格项目及其认可范围内施焊。焊缝施焊后须在工艺规定的焊缝及部位打上焊工钢印。焊接材料与母材应匹配，全焊透的一、二级焊缝应采用超声波探伤进行内部缺陷检验，超声波探伤不能对缺陷作出判断时，采用射线探伤。
运输：运输钢构件时，要根据钢构件的长度和重量选用车辆。钢构件在车辆上的支点、两端伸出的长度及绑扎方法均应保证构件不产生变形、不损伤涂层。
安装：钢结构安装要按施工组织设计进行，安装程序须保证结构的稳定性和不导致永久性变形。安装柱时，每节柱的定位轴线须从地面控制轴线直接引上。钢结构的柱、梁、屋架等主要构件安装就位后，须立即进行校正、固定。由工厂处理的构件摩擦面，安装前须复验抗滑移系数，合格后方可安装。
防火与防锈：
- 钢结构防火性能较差。当温度达到550℃时，钢材的屈服强度大约降至正常温度时屈服强度的0.7，结构即达到它的强度设计值而可能发生破坏。设计时应根据有关防火规范的规定，使建筑结构能满足相应防火标准的要求。
- 外露的钢结构可能会受到大气，特别是被污染的大气的严重腐蚀，最普通的是生锈。这就必须对构件的表面进行防腐蚀处理，以保证钢结构的正常使用。防腐处理的方法根据构件表面条件及使用寿命的要求决定。
随着人们对地震的不断认识，为防止出现严重的地震的严重灾害，造成财产损失和生命伤亡。人们对高层钢结构房屋的抗震要求不断提高。本文阐明了设计人员进行高层钢结构房屋抗震设计时，应首先从概念设计着手，制定比较合理的设计方案等，确保房屋抗震设防目标的实现。