房屋抗震设计初探

摘要：本文作者介绍了高层建筑抗震结构设计的基本原则，从钢结构抗震体系、钢结构的破坏部位入手，阐述了如何做好钢结构的抗震设计。

关键词: 抗震；设计；初探

Abstract: In this paper, the author introduces the basic principles of the high-rise building seismic structure design, and elaborates on how to do well the steel structure seismic design ,from the steel structure seismic system, steel structure damage position,.

Keywords: seismic; design; expound

中图分类号：TU7文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

钢结构抗震设计始终贯穿于钢结构设计中的各个阶段，它是钢结构建筑抗设计重要组成部分。我们在钢结构建筑体系的设计中要充分了解钢结构住宅的破坏机制以及和破坏过程，灵活运用钢结构抗震设计准则，合理地确定和解决结构设计中的各种问题。这样我们才能设计出经济、合理、安全适用的钢结构建筑。针对钢结构建筑的如此突出的优点，美国等等国家的钢结构建筑已占到所在国内建筑总量的一半以上。近年来地震频发，做好结构的抗震设计尤为重要，对于钢结构而言构抗震设计是钢结构设计的关键一环。2008年四川汶川地震中，作为钢结构建筑的绵阳体育馆也没有受到损坏，成为安置地震灾民的主要地点。

1 高层建筑抗震结构设计的基本原则

1.1 结构构件应具有必要的承载力、刚度、稳定性、延性等方面的性能

1.1.1 结构构件应遵守“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件、强底层柱(墙)”的原则。

1.1.2 对可能造成结构的相对薄弱部位，应采取措施提高抗震能力。

1.1.3 承受竖向荷载的主要构件不宜作为主要耗能构件。

1.2 尽可能设置多道抗震防线

1.2.1 一个抗震结构体系应由若干个延性较好的分体系组成，并由延性较好的结构构件连接协同工作。例如框架—剪力墙结构由延性框架和剪力墙两个分体组成，双肢或多肢剪力墙体系组成。

1.2.2 强烈地震之后往往伴随多次余震，如只有一道防线，则在第一次破坏后再遭余震，将会因损伤积累导致倒塌。抗震结构体系应有最大可能数量的内部、外部冗余度，有意识地建立一系列分布的屈服区，主要耗能构件应有较高的延性和适当刚度，以使结构能吸收和耗散大量的地震能量，提高结构抗震性能，避免大震时倒塌。

1.2.3 适当处理结构构件的强弱关系，同一楼层内宜使主要耗能构件屈服后，其他抗侧力构件仍处于弹性阶段，使“有效屈服”保持较长阶段，保证结构的延性和抗倒塌能力。

1.2.4 在抗震设计中某一部分结构设计超强，可能造成结构的其他部位相对薄弱，因此在设计中不合理的加强以及在施工中以大带小，改变抗侧力构件配筋的做法，都需要慎重考虑。

1.3 对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高其抗震能力

1.3.1 构件在强烈地震下不存在强度安全储备，构件的实际承载能力分析是判断薄弱部位的基础。

1.3.2 要使楼层(部位)的实际承载能力和设计计算的弹性受力的比值在总体上保持一个相对均匀的变化，一旦楼层(部位)的比值有突变时，会由于塑性内力重分布导致塑性变形的集中。

1.3.3 要防止在局部上加强而忽视了整个结构各部位刚度、承载力的协调。

1.3.4 在抗震设计中有意识、有目的地控制薄弱层(部位)，使之有足够的变形能力又不使薄弱层发生转移，这是提高结构总体抗震性能的有效手段。

2 钢结构抗震结构体系

高层抗震墙住宅楼占地面积较小，基底压力较大，单幢建筑面积可观，因此在保证建筑物安全的前提下，合理的地基处理及抗震墙布置方案能够节约工程造价，避免建设资金浪费，纯地下车库则占地面积较大，基地压力较小，基坑开挖深度较深，土方量及钢筋混凝土用量较大。 本文通过对某住宅小区的初步设计文件进行结构优化设计分析，提出合理的优化方案，节约了大量的建设资金，充分说明结构优化设计的重要性。

在钢结构建筑中常见的结构体系有框架一偏心支撑结构、框架一中心支撑结构和框架结构灯等。纯框架钢结构具体延性好，抗震性能好的特点，但是由于它的抗侧刚度比较差，不适宜于层数太高的建筑当中。框架-中心支撑结构的抗侧刚度大，适用层数较多的钢结构建筑，但是由于支撑构件的滞回性能较差，耗散的地震能量比较有限，其抗震性能不如纯框架。框架-偏心支撑结构可以通过偏心连梁的剪切屈服，耗散地震德能量，同时又可以保证支撑不丧失其整体稳定，它的抗震性能优于框架一中心支撑结构。可以采用能与钢框架抗侧刚度相匹配的带竖缝剪力墙以及内藏钢板剪力墙代替支撑，可以构成框架一抗震墙板结构，它的抗震性能优于框架-中心支撑的结构。当建筑刚度更高的时候，可以采用沿建筑周边设置密柱深梁框架构成的框筒钢结构。框筒结构具体抗侧刚度大，并具有较好的抗震性能 [1]。

3 钢结构破坏部位

钢结构的震害主要有节结构的整体倒塌、构件的破坏和点连接的破坏等三种形式。

3.1 节点连接的破坏

3.1.1 框架梁柱节点区的破坏原因

对节点破坏原因的分析：a.裂缝主要出现在节点下翼缘，是因为钢结构梁上翼缘有楼板加强，并且上翼缘焊缝无腹板妨碍施焊；b.梁端焊缝通过孔边缘会出现应力集中，引发裂缝；c.梁翼缘端部全熔透坡口焊的衬板边缘形成人工缝，缝隙在竖向力作用下扩大。

3.1.2 支撑连接的破坏

采用螺栓连接的支撑破坏形式，包括支撑杆件螺孔间剪切滑移的破坏、节点板端部剪切滑移的破坏、以及支撑截面削弱处断裂。支撑是框架一支撑结构当中最重要的抗侧力部分，一旦发生地震的时候，它将首先承受水平地震作用，如某层的支撑发生破坏，将使这个楼层成为薄弱层，造成严重后果。

3.2 构件的破坏

3.2.1 支撑杆件的整体失稳、局部失稳和断裂破坏

当支撑构件的组成板件宽厚比较大时，往往伴随着整体失稳出现板件的局部失稳现象，进而引发低周疲劳和断裂破坏，这在以往的震害中并不少见。

3.2.2 钢柱脆性断裂

在1995年阪神地震当中，位于芦屋市海滨城高层住宅小区，小区当中的2l栋巨型钢框架结构的住宅楼共有57根钢柱发生了断裂现象，所有箱形截面柱的断裂都发生在14层以下的楼层里，并且都是脆性受拉断裂，断口呈水平的形状。

3.3 结构的倒塌破坏

1985年墨西哥发生的大地震中，墨西哥市的某个综合大楼的3个22层的钢结构塔楼之一发生倒塌，其余2栋钢结构塔楼也发生了严重破坏，其中1栋已经接近倒塌。这3栋塔楼的结构体系都是框架-支撑结构。有关分析证明，塔楼发生倒塌或者严重破坏的主要原因，是因为纵横向垂直支撑偏位设置，从而导致刚度中心和质量重心相距太大，所以在地震中产生了较大的扭转效应，致使钢柱的承载力小于作用力大于，引发了3栋相同的塔楼发生了严重破坏甚至倒塌。由此可见，规则对称的结构体系对抗震是十分有利的。

4 钢结构抗震设计的要求

4.1选择对建筑抗震有利的场地和地基

场地影响了钢结结构的地震反应，钢结构地震反应大小决定了钢结构的震害。因此在抗震设计的时候应选择坚硬的中硬土场地，当实在无法避开不利的或者危险的场地的时候，应采取补救措施。

4.2选择合理的结构总体布置

4.2.1 建筑形状力求规则形状较简单建筑物由于受力性能明确，遭受地震时破坏很轻。在抗震设计时要求建筑形状规则，结构要求对称，来减小质量中心和刚度中心的偏离；

4.2.2 强度以及刚度应连续变化抗震结构的刚度、承载力在楼层平面内应均匀，沿结构坚向应连续并且均匀。

4.3选择合理的抗震结构体系

4.3.1 具有明确的计算简图以及合理的地震作用传递途径；

4.3.2结构应该具有多道抗震防线a.结构应有良好“坚韧性”。就是必备的强度，刚度良好的变形和耗能能力。b.抗震体系应有最大可能数量的内部以及外部富余度，能在结构适当部位有意识地建立起有利的屈服区以使结构既能吸收和耗散大量地震能量，万一破坏易于修复。

5 结语

随着我国经济的进一步发展和建筑技术的逐渐进步，钢结构也越来越广泛的应用于建筑当中，其中在建筑结构中，钢结构具有良好抗震性，并且工业化生产程度较高，钢结构施工周期较短，并且具体节能环保、延展性好等优点，特别对于钢结构建筑具有的延展性可以对地震波产生衰减作用，减少地震对钢结构建筑的破坏。

参考文献：

[1] 丰定国，王杜良．抗震结构设计[M]．武汉：武汉工业大学出版社，2006.12-15.

[2] 朱伯龙，张琨联．建筑结构抗震设计原理[M]，上海；同济大学出版社，1999．12-13

[3] 中华人民共和国建设部．建筑抗震设汁规范[s]．北京：中国建筑工业出版社，2006．34-45.

[4] 大岐顺彦，毛春茂。刘忠．建筑物抗震设计法[M]．北京：冶金工业出版社.1990．23-32