浅析多高层钢结构抗震概念设计

【摘要】    1

【Abstract】    2

一、概念设计的含义    3

二、概念设计的意义    3

三、多高层钢结构的抗震概念设计要求    3

四、结构选型    5

五、结构平面布置    6

（1）建筑型状力求简单规则    6

（2）建筑平立面的刚度和质量分布力求对称均匀    6

六、节点设计的基本原则    8

七、保证结构的延性抗震能力    9

参考文献    11

浅析多高层钢结构的抗震概念设计

【摘要】

钢结构的强度高、延性好、重量轻，抗震性能好。总体来说，在同等场地、烈度条件下，钢结构房屋的震害较钢筋混凝土结构房屋的震害要小。由于，地震的不确定性，及地震的不可预测性，总结震害经验发现：对于抗震设计来说，“概念设计”远比“计算设计”更重要。然而抗震设计的重要性和丰富内涵往往在严格的规范规定和一体化的程序设计中被淡化了。本文从震害分析，概念设计中的结构，钢结构节点设计等方面阐述钢结构的抗震概念设计。

【关键词】 多高层钢结构建筑  概念设计  结构选型  抗震设计

Seismic concept design of 

high-rise steel structure

【Abstract】

Steel structure high strength, good ductility, light weight, good seismic performance. Generally speaking, in the same site conditions, intensity, earthquake damage to buildings of steel structure houses are small compared with reinforced concrete structure. Because of the uncertainty, earthquakes, and earthquake can be unpredictable, summarize the earthquake experience showed that: for the seismic design, the concept of "design" is far more important than "design". However, the importance of the seismic design and rich connotation in program design often strict norms and integration was weakened. In this paper, from the analysis of the damage of the structure, in the concept design, the seismic concept design of steel structure of steel structure joint design etc.

【Key words】 High-rise steel structure building   Conceptual design Selection of structure   Seismic design

一、概念设计的含义

所谓概念设计是相对于数值设计而言的，其着眼于结构的总体地震反应，可以理解成运用人的思维和判断能力，从宏现上决定结构设计中的基本问题，抗震概念设计是根据地震震害和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想，进行建筑结构总体布置并确定基本抗震措施的。

二、概念设计的意义

由干地震作用的随机性、复杂性、间接性和偶然性，尤其在高层建筑中结构自振周期。材料性能、阻尼变化和基础差异沉降等因素的影响，使结构在地震作用下表现出极大的复杂性和计算假定与实际情况的不符。且目前各国所制定的抗震设计规范差异较大，甚至反映在定性分析上其结论完全相反，使计算结果差距很大。因此，在结构的抗震设计上不能完全依赖计算设计，在很大程度上。结构抗震性能的决定因素是良好的概念设计。

三、多高层钢结构的抗震概念设计要求

钢结构房屋属于装配式结构，其抗震设计不仅要遵守各类结构共同的基本规定外，还要针对钢结构的特点，采取专门的设计手法。主要的抗震概念设计要求是：

1.建筑结构的规则性、不规则性和特别不规则，采取相应的设计计算方法；不应采用严重不规则的建筑方案。

 2．具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径。通过设置线并考虑重力二阶效应，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。

3．整个结构具备必要的抗震承载力，良好的变形能力和消耗地震能量的能力；有合理的刚度和承载力分布，避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形集中。对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高抗震能力。

4．结构在两个主轴方向的动力特性宜相近，减少结构的扭转地震效应。

5．钢框架结构应具有强柱、弱梁、更强节点的性能。

6．梁、柱、支撑等结构构件应合理控制长细比和宽厚比，避免局部失稳或整个构件失稳。

7．构件节点的破坏，不应先于其连接的构件；结构构件的连接，应能保证结构的整体性。

8．选用合适的结构钢材，要求具备必要的塑性、可焊性和冲击韧性。

与《高钢规程》相比，新国家标准的主要改进是： 

1． 明确要求钢结构房屋应根据其设防烈度和房屋层数的不同，选用不同的结构类型，并采用不同的内力调整系数和不同的抗震构造措施。

2．调整了规则、不规则的划分，如凹凸尺寸、洞口面积、偏心率控制改为扭转位移比控制等；并进一步明确了相应的计算要求和不规则的上限，尤其是软弱层和竖向构件不连续的设计方法。

3．增加了结构在两个主轴方向的基本周期和振型宜相近的要求。

4．保持结构钢材应符合强屈比大于1.2、有明显的屈服台阶、伸长率大于20%(标距50mm)要求的同时，增加了冲击韧性的要求；注意到钢材含硫量较高就会出现焊接裂缝，引起层状撕裂，根据我国钢材的实际情况，规定厚度不小于40mm的厚钢板应满足国家标准《厚度方向性能钢板》的要求。只要是按新产品标准《高层建筑结构用钢板》YB 4104－2000生产的钢板，已降低了钢板的硫、磷含量和焊接碳当量，提高了屈服点和冲击功，可保证厚度方向性能Z15至Z35级。

四、结构选型

在结构选型上，多层和高层钢结构无严格的界限。但是为了区分结构的重要性对结构抗震构造措施的要求不同，应该多注意优先选用延性好的结构形式，在地震区应优先采用。然而，铰接框架有施工方便以及中心支撑框架有刚度大承载力高的优点，也可以在地震区采用。我国家《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2001）将超过12层的建筑归为高层钢结构建筑，将不超过12层的建筑归为多层钢结构建筑。具体选型是应该注意：

（1）多层钢结构可采用全刚连接框架及部分刚接框架。不允许采用全铰接框架及全铰接框架加支撑的结构形式。当采用部分刚接框架时，结构外围周边框架应采用刚接框架。

（2）高层钢结构应采用全刚接框架。当结构刚度不够时，可采用中心支撑框架。钢框架—混凝土芯筒结构形式；但是在高烈度区（8度和9度），宜采用偏心支撑框架和钢框筒结构。

有抗震要求的多高层建筑钢结构可以采用纯框架结构体系、框架--中心支撑体系、框架—偏心支撑结构体系及框架结构体系。框架结构体系的梁柱节点宜采用刚接。

框架结构的延性好，但是抗侧刚度较差。中心支撑框架通过支撑提高框架的刚度，但是支撑受压区会屈曲，支撑屈曲将导致原结构承载力降低。偏心支撑框架可通过偏心梁段剪切屈服支撑受压屈曲，从而保证结构具有稳定的承载力和良好的耗能性能，而结构抗侧刚度介于纯框架和中心支撑框架之间。框筒实际上是密柱框架结构，由于梁跨刚度大，使周围柱近似构成一个整体受弯的薄壁筒体，具有较大的抗侧刚度和承载力，因而框筒结构多用于高层建筑。

五、结构平面布置

（1）建筑型状力求简单规则

总的来说就是指平立面不出现凹角的结构。对难以避免的凹角，应满足下列要求：房屋平面的突出部分的长度不大于其宽度，且不大于该方向总长度的30％。房屋立面局部收进的尺寸不大于该方向总尺寸的25％（不包括局部突出的楼.电梯间）。房屋平面的总长度不宜过长，结构平面的长宽比不宜过大。

（2）建筑平立面的刚度和质量分布力求对称均匀

力求对称均匀是抗震概念设计十分重要的原则。因为不对称结构由于地震作用引起的扭转作用十分明显，在设计时应采取加强措施：周边构件的强度和刚度不对称，布置时应在总体上减小刚度偏心，计算时要充分估计薄弱侧的较大位移及构件的内力和变形；建筑外形对称但抗侧力结构不对称，可用抗震缝把结构分隔成简单规则的单元。（3）尽可能满足建筑竖向均匀性

均匀性问题存在于建筑的竖向布置中，无论是几何图形还是楼层刚度变化。其规则匀称应该是立面设计中优先考虑的。布置不均匀的结果产生了刚度、强度的突变。引起竖向的应力集中或变形集中，以致在中小型地震中损坏，在大震时倒塌。但是，要使结构做到完全均匀性，在实际设计中也有一定的困难。均匀性问题表现如下：

其一，竖向收进问题。竖向收进是常见的建筑处理方式，结构上产生的问题是在凹角处应力集中。由于房屋的不同部分共振动特征不同，所以在收进处的横隔（楼盖或屋面板）产生应力突变。为此，在抗震设计时，可考虑几种处理方法：收进尺寸；当设置防震缝有利时，可设缝把复杂的体型划分成若干简单、规则的单元，分割后的建筑体型应是均衡的。不致过分细高；不设缝时应进行较细致的空间动力分析。对刚度突变的构件采取加强措施。

其二，柔性层框架。建筑上往往因底层需要开敞或任意层需要大的空间。使结构处上下不连续状况。产生竖向刚度突变。特别是柔性底层建筑，在历次大地震中，震害都很普遍，甚至完全倒塌。分析研究表明，这类构件的应力和变形集中是非常严重的，所以在抗震设计时应力求避免，底层应尽可能配置具有相当强韧性的构件以承受大的侧移。

其三，同一层间的柱子刚度不同。建筑上由于空间需要或由于艺术构思，使得同一层间柱子的刚度差异较大，通常在刚性较大的柱子上产生较大的内力。为此设计时宜从抗震的角度去重新安排结构系统，以使刚度尽量均衡。

其四，抗震墙的不连续。由于建筑上的需要，可能出现上下不连续的抗震墙，这就产生了不均匀性，为此在设计上应考虑上下层的刚度变化以及抗震墙的连续性。

六、节点设计的基本原则

要实现强节点弱杆件的目标，就必须在梁柱连接点的节点设计中实现，不仅仅要对罕遇地震时节点的极限承载力进行计算，而且更应该对在常遇地震是弹性设计阶段的节点承载力进行计算。

1．在弹性阶段，梁柱连接处的抗弯能力必须大于框架梁的抗弯能力，并使二者之比≥K（K为连接承载力抗震调整系数与框架梁承载力抗震调整系数之比）。防止受大震作用时因梁柱连接处可能存在的某些缺陷导致框架横梁在尚未出现塑性铰之前，节点连接就过早地发生脆性破坏。

2．在满足基本原则1后，在弹塑性阶段，塑性铰必然将离开柱面向外移，为此在弹性设计阶段就应预测并人为控制塑性铰的位置，使该位置梁截面最外纤维的最大弯曲应力高于梁柱连接处焊逢的最大弯曲应力，以便在大震时促使框架梁在可能出现塑性铰的部位，其翼缘在高应力下首先屈服，产生塑性变形，形成塑性铰，以达到耗散地震能量的目的。

为了实现以上两个基本原则，就必须排除在常规的等截面梁上未加任何加强或削弱就直接与柱连接的作法（不论是全焊接连接还是栓焊混合连接）。在构造上必须打破常规，采取一些改进措施来满足上述要求。

七、保证结构的延性抗震能力

结构主要靠延性来抵抗较大地震作用下的非弹性变形，因此，地震作用下，结构的延性与结构的强度具有同等重要的意义。为了使钢筋混凝土结构在地震引起的动力反应过程中表现出必要的延性，就必须使塑性变形更多地集中在比较容易保证良好延性性能或者具有一定延性能力的构件上。具体思路有三步：

（1）第一步是选择一个可接受的塑性变形机构。现在普遍使用“梁柱铰机构”即是通常所说的“强柱弱梁”。为了实现能力设计方法中的强柱弱梁机构，我们通常的做法是对柱截面的组合弯矩乘以增大系数；也可以对由梁端实际配筋反算出梁端可抵抗弯矩，即实配弯矩乘以增大系数的方法来实现，并用增大后的弯矩值进行柱端控制截面的承载力设计。

（2）第二步是要通过人为增大各类构件的抗剪能力，使其不致在强烈地震作用下，在结构延性未发挥出来之前出现非延性的剪切破坏，这即是我们通常所说的强剪弱弯。通常的做法是用剪力增大系数增大梁端.柱端.剪力墙端.剪力墙洞口连梁端以及梁柱节点处的组合剪力值, 并用增大后的剪力设计值进行受剪控制截面控制条件，进行验算和设计。具体措施也有两类：一类是直接对一跨梁两端截面

顺时针或反时针方向的组合弯矩值乘以增大系数，再与梁上作用的竖向重力荷载代表值一起从平衡关系中求得梁端剪力；另一类是沿顺时针或反时针方向求得一跨梁两端截面按实际配筋能够抵抗的弯矩，对其乘以增大系数，再与梁上作用的竖向重力荷载代表值一起从平衡关系中求得梁端剪力。

（3）第三步是通过相应的构造措施，保证可能出现塑性铰的部位具有所需的塑性转动能力和塑性耗能能力。通常通过箍筋加密，轴压比等措施来给予保证。

参考文献

[1] 傅恒  多层和高层钢结构节点抗震设计  [J]科技信息2007年第一期

[2] 高峰  抗震概念设计探讨  [J]中国科技信息2008年第12期 

[3] 《建筑结构抗震设计》 中国建筑工业出版社  第三版 李国强 李  杰  苏小卒

[4] 刘程彦 建筑结构的抗震设计探讨[J]. 四川建材, 2010,(01) 

[5] 杭银龙；冯宏团  结构设计中的抗震措施与抗震构造措施[J]. 陕西建筑, 2008,(12)

[6] 翁启锋 建筑结构的抗震设计分析[J]. 科技资讯, 2010,(21) 

[7] 刘  琳； 吴 洋 对建筑框架结构设计抗震技术的阐述[J]. 住宅产业, 2010,(Z1)