多层和高层钢结构房屋的抗震设计

摘要：多层和高层钢结构房屋的抗震设计是在现有的科学水平和我国当前经济条件的前提下以抗震设防三水准为目标，对结构的整体、局部进行合理分析和计算以及对构件及节点进行相应构造措施的设计。

关键词：结构设计；多层和高层钢结构；抗震设计

中图分类号：TU318文献标识码： A

近几十年来随着我国经济的高速发展，以及钢结构强度高、自重轻、整体刚性好、变形能力强，建筑工期短，工业化程度高等特点，钢结构建筑在我国得到普及和快速发展，各种规模的钢结构企业数以万计，世界先进的钢结构加工设备基本齐全。近几年，我国钢产量每年多达6亿多吨。在建筑设计行业，相应多、高层钢结构房屋的设计业务也越来越多，相较于其他结构形式钢结构设计与之有较多相通之处，也有它的独特之处。现就多、高层钢结构房屋的抗震设计作一些探讨。

一. 多、高层钢结构房屋的抗震设计水准目标

以现有的科学水平和经济条件为前提。多层和高层钢结构房屋的抗震设计遵循我国抗震设防三个水准目标，即小震不坏，中震可修、大震不倒。

三个地震烈度水准相应的抗震设防目标：

1.1 一般情况下，遭遇第一水准烈度即众值烈度（多遇地震）时，建筑处于正常使用状态，从结构抗震角度为弹性体系，采用弹性反应谱进行弹性分析。

1.2 当遭遇第二水准烈度即基本烈度（设防地震）时，结构进入非弹性工作阶段，但非弹性变形或结构体系的损坏是控制在可修复的范围内。

1.3当遭遇第三水准烈度即最大预估烈度（罕遇地震）时，结构有较大的非弹性变形，但控制在规度的范围内，以免倒塌。

二. 整体布置原则

2.1 根据工程需要和地震活动情况，工程地质和地震地质资料，对抗震有利、一般、不利和危险地段评价。对不利地段提出避开要求当无法避开时应采取有效措施。对危险地段严禁建造甲、乙类的建筑，不应建丙类建筑。对不同的建筑场地类别不同类别的建筑对应相应的抗震设防烈度和采取相应的抗震构造措施。

2.2 建筑设计根据抗震概念设计要求，对建筑形体尽可能做到规则。对不规则的建筑采取加强措施，特别不规则的进行专门研究和论证，不采用严重不规则的建筑。

2.2.1 建筑形体平面不规则

平面凹进的尺寸大于相应投影方向尺寸的30%；楼板的尺寸和平面刚度急剧变化，例如有效楼板宽度小于该层典型宽度的50%，或开洞面积大于该楼面面积的30%，或较大的楼层错层；在规定的地震作用下，楼层的最大弹性水平位移大于该楼层两端弹性水平位移平均值的1.2倍。

2.2.2建筑形体竖向不规则

该层的侧向刚度小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度的平均值的80%；除顶层或出屋面小建筑外，局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的25%；竖向抗侧力构件的内力由水平转换构件向下传递；抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一楼层的80%。

2.2.3 平面不规则而竖向规则的建筑采用空间结构计算模型，对扭转不规则，计入扭转影响，且楼层竖向构件最大的弹性水平位移和层间位移平均值的1.5倍，当最大层间位移远小于限值时，可适当放宽；凹凸不规则或楼板局部不连续时，采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型；高烈度或不规则程度较大时，计入楼板局部变形的影响。平面不对称且凹凸不规则或局部不连续，可根据实际情况分块计算扭转位移比，对扭转较大的部位 采用局部的内力增大系数。

2.2.4 平面规则而竖向不规则的建筑，采用空间结构计算模型，刚度小的楼层的地震剪力乘以不小于1.15的增大系数。其薄弱层按规定进行弹塑性变形分析。

2.2.5平面不规则且竖向不规则的建筑，应根据不规则类型的数量和程度，有针对性的采取各项抗震措施。特别不规则的建筑，经专门研究，采取更有效的加强措施或对薄弱部位采用相应的抗震性能化设计方法。

2.2.6 体型复杂、平立面不规则的建筑根据不规则程度、地基基础条件和技术经济等因素的比较分析，宜将其分成多个较规则的抗侧力结构单元。

三. 多、高层钢结构房屋的抗震设计分析和计算

3.1 根据设防分类、烈度和房屋高度采用不同的抗震等级。

3.2 抗震计算的阻尼比取值：多遇地震下，高度不大于50m时可取0.04；高度大于50m且小于200m时取0.03；高度大于200m时取0.02。当偏心支撑框架部分承担的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%时，其阻尼比相应增加0.005。在罕遇地震作用下的弹塑性分析阻尼比取0.05。

3.3 多、高层钢结构在地震作用下的内力和变形分析

3.3.1计入重力二阶效应。

3.3.2 框架梁按梁端截面的内力设计。对工字形截面柱，计入梁柱节点域剪切变形对结构侧移的影响；对箱形柱框架、中心支撑框架和不超过50m的钢结构，其层间位移计算不计入梁柱节点域剪切变形影响，近似按框架轴线进行分析。

3.3.3钢框架-支撑结构的斜杆可按端部铰结计算；其框架部分按刚度分配计算得到的地震层剪力乘以调整系数，达到不小于结构底部总地震力的25%和框架部分计算最大层剪 力1.8倍二者的较小值。

3.3.4中心支撑框架的斜杆轴线偏离梁柱轴线交点不超过支撑杆件的宽度时仍按中心支撑框架分析，但应计入由引产生的附加弯矩。

3.3.5 偏心支撑框架中与消能梁段相连构件的内力设计值应进行调整。

3.3.6 转换构件下的钢框架，地震内力应乘以1.5的增大系数。

四.构件及节点的抗震验算

4.1对钢框架进行节点处的抗震承载力验算，实现强柱弱梁的抗震设计的基本要求。其中当轴压比较小时可不验算强柱弱梁；对于节点域，注意太厚了使节点域不能发挥耗能作用，太薄将使框架侧向位移太大。

4.2 中心支撑框架构件的抗震承载力验算主要是对支撑斜杆的受压承载力进行验算；人字支撑和V形支撑的框架梁在支撑连接处要保持连续，并按不计入支撑支点作用的梁验算重力荷载和支撑屈曲时不平衡力作用下的承载力：不平衡力应按受拉支撑的最小屈服承载力和受压支撑最大屈曲承载力的0.3倍计算。必要时，人字支撑和V形支撑可沿竖向交替设置或采用拉链柱。

4.3 偏心支撑框架构件的抗震承载力验算主要是对消能梁段的受剪承载力进行验算；支撑斜杆与消能梁段连接的承载力不得小于支撑的承载力。若支撑需抵抗弯矩，支撑与梁的连接按抗压弯连接设计。

4.4抗侧力构件连接的承载力设计值不小于相连构件的承载力设计值；抗侧力构件连接的极限承载力大于相连构件的屈服承载力；对梁与柱刚性连接，支撑与框架，梁、柱、支撑的拼接极限承载力以及柱脚与基础的连接承载力进行验算，使符合强连接弱构件的设计原则。

五.抗震构造措施

5.1 根据钢框架的抗震等级确定框架柱、支撑的长细比，以及框架梁、柱、支撑板板的宽厚比，以确保构件的局部稳定。

5.2 梁柱构件受压翼缘根据需要设置侧向支承，在出现塑性铰的载面，上下翼缘均应设置侧向支承。

5.3 梁柱的连接宜采用柱贯通式，梁柱连接节点要求对梁端采用塑性铰外移构造，如采用加厚加宽梁端或加高加腋梁端的措施或采用骨形连接措施。当节点域的腹板厚度不满足要求时，采取加厚柱腹板或贴焊补强板的措施。在罕遇地震作用下，框架节点将进入塑性区，保证结构在塑性区的整体性是很必要的。

5.4 刚接柱脚采用外包或埋入式。在底烈度区和不超过50m时也可采用平板或靴梁式柱脚。

5.5 支撑杆件宜采用H 型钢制作，两端与框架采用刚接构造。框架-支撑结构的框架部分，当房屋高度不高于100m且框架部分按计算分配的地震力不大于结构底部总地震剪力的25%时，一、二、三级的抗震构造措施可按框架结构降低一级的相应要求采用。

结语：多层和高层钢结构房屋的抗震设计应把握住从整体到局部的分析计算，再从构造上保证的设计思路，运用计算机进行大量的结构方案优化比较，从而给业主提供结构安全，用材经济的房屋设计图纸。