高层钢结构房屋抗震设计要点分析

高层钢结构房屋抗震设计要点分析摘要：高层钢结构建筑主要是建立在钢铁工业发展的基础上，并且具有较长的发展历史。随着我国社会经济和科学技术不断发展，我国钢产量和钢材产量也得到很大幅度的提升，在这一背景下，也促进我国钢结构建筑获得进一步发展。然而国外其他国家相比较，我国的高层钢结构房屋工程发展比较晚，但是人们对于房屋居住质量提出了更高的要求，其中尤其是高层钢结构房屋的抗震设计，越来越受到人们高度重视。在本文中，对高层钢结构发展及应用优势进行阐述，并对高层钢结构房屋抗震设计各项要点进行具体的分析，以此确保高层钢结构房屋建设质量，在地震作用下也能够发挥良好的抗震效果。关键词：高层钢结构；房屋；抗震设计；要点；分析在现代，钢结构被普遍运用于民用建筑工程中，在高层和超高层建筑工程中也得到了广泛的应用。与混凝土结构的房屋建筑工程结构相比较，钢结构具有超强韧性、强度大、重量比较高等优势特点，同时还能够发挥很好的抗震性能。随着近几年我国各项地质灾害频频发生，也为高层房屋建设和管理增加了一定难度，其中尤其是地震的发生，对高层房屋的安全性和稳定性造成极大的影响。因此，在现代高层钢结构房屋工程建设中，需要重视防震设计，以确保房屋安全和稳定。基于此，对高层钢结构房屋抗震设计要点进行分析。1高层钢结构房屋抗震设计基本概述1.1对高层钢结构房屋进行抗震设计的重要性分析随着我国社会经济不断发展，对我国自然生态环境造成一定影响，再加上近几年我国地质灾害发生频率的增加，其中尤其是地震灾害，所涉及到的范围、破坏性和影响力都十分巨大，对房屋建筑安全和稳定在造成严重的影响，也引发社会各界广泛的关注。因此，在对现代高层钢结构房屋工程建造时，也要对高层房屋进行抗震设计，通过在高层钢结构房屋建设中安装阻尼器、隔振器等方式，有效阻挠地震对房屋造成的不良影响，进而保障人民群众生命财产安全，有效维护社会的和谐稳定。长时间以来，很多发达国家对高层钢结构房屋的抗震设计开展探索和研究，不断完善和优化高层房屋抗震设计，在实际中进行应用也取得很好的应用效果，但是由于我国对高层钢结构房屋建筑抗震设计的研究和探索时间比较晚，致使抗震设计方案在实际应用中出现诸多问题，也对后期房屋使用安全性和稳定性造成一定影响，也迫切的需要相关专业人才和先进技术在其中发挥作用，不断总结经验和完善房屋抗震设计，提高承受地质灾害的能力，也有效保障房屋安全和稳定。1.2高层钢结构房屋进行抗震设计的优势分析做好高层钢结构房屋抗震设计，对开展抗震、防震都能够起到积极促进作用。并且对高层房屋进行良好的隔震设计，一旦发生地震灾害，还能够有效分解地震对高层房屋造成的损害，确保高层房屋建筑结构完整性和安全性。与此同时，在高层钢结构房屋抗震设计中，主要是通过对刚度调整的方式实现对房屋结构的调整，以此达到防震、降低损坏的作用。通常情况下，在抗震设计中，较常选择隔震设计方案，其主要目的是可以达到降低成本、提高防震效果的目的。除此之外，后期所耗费的维修费用也比较低，并且适用于高层钢结构房屋建筑设计。1.3高层钢结构房屋抗震设计技术的特点分析在高层钢结构房屋抗震设计中运用隔震技术，主要是借助隔震装置发挥效用，以起到延长房屋结构周期、降低地震灾害所带来的损害和保障人民群众生命财产安全。在实际设计过程中，也要确保减震装置设计和安装的科学合理性，同时提高抗震系统各个构件的可塑造性，进而更好的保证高层房屋建筑安全性。以外，在高层钢结构房屋设计过程中，为保障和提高上部结构总体设计灵活性，实现抗震措施的简化，也避免由于附属构件过多对最终的抗震效果造成不利影响，也需要进行科学合理的隔震设计，这样就可以降低非结构构件出现损坏，确保机械、仪表等处于正常工作状态，也能够使得抗震效益发挥到最大。2高层钢结构地震灾害现象及形成原因与混凝土结构高层房屋结构相比较，钢结构形式的房屋结构更能够发挥出其自身良好的抗震性能，根据我国经历的地震灾害了解到，其采用钢结构建造的高层房屋遭受到的震害要低于混凝土结构建造的高层房屋，并且高层钢结构房屋出现坍塌和整体破坏的机率也比较少。然而，就算是钢结构的高层房屋受到震害较少，也会在实际建设过程中受到焊接、冷加工、自然环境等因素影响，导致钢结构的抗震效果。其中尤其是由于高层钢结构房屋抗震设计、施工和维护不当原因，还会对高层钢结构房屋结构造成严重影响，对其在地震灾害中的房屋结构破坏形态，对破坏的形式进行归纳和分析，具体如下：2.1结构倒塌结构倒塌作为地震灾害造成的最为严重的破坏形态，导致这一情况发生的主要原因在于房屋结构薄弱层的形成，在对高层钢结构房屋设计和施工过程中，结构楼层强度系数与抗变刚度不能够随着高度，实现均匀的分布。也因此，在对高层钢结构房屋抗震设计时注重各楼层强度和刚度系数的控制，避免不利因素在抗震设计中出现。2.2破坏节点破坏节点作为地震灾害中发生最为广泛的一种破坏形式。通常情况下，剐性连接的钢结构构件主要是运用焊接、铆接方式进行。若是在开展节点设计和施工过程中，其构件焊缝存在缺陷，在节点区都会引发应力集中、受力不均匀的情况，一旦遭受到地震灾害的影响，就很容易出现连接性的破坏。针对梁柱节点出现破坏，主要是体现在以下几方面：（1）铆接出现断裂情况；（2）进行焊接的部位出现位脱现象；（3）腹板发生断裂、屈曲等情况。图1圆钢支撑连接破坏2.3构件破坏高层钢结构房屋受到地震灾害影响而出现构件破坏情况，主要分为两种情况：（1）支撑破坏与失稳；（2）梁柱局部破坏。其中导致出现支撑破坏与失稳的情况，主要是由于发生地震灾害的强度比较大，支撑所要承受的反复拉压作用，如果所承受的压力已经超过支撑屈曲的临界力，就会影响支撑稳定性或对支撑造成破坏。而针对出现的梁柱局部破坏，主要体现为框架柱，其中又包含了翼缘屈曲、翼缝撕裂等；针对框架梁又包含了腹板屈曲、翼缘屈曲等情况。图2梁柱连接破坏2.4基础锚固破坏地震灾害对基础锚固造成破坏，主要体现在柱脚处螺栓脱落、混凝土破碎、连接板断裂等方面，上述所提到的情况也是发生地震灾害较常出现的现象，站在钢结构房屋出现地震灾害的角度，我们可以知道，虽然钢结构在高层房屋建造中进行应用，本身就具有较好的防震性，但是在经历过多次震害条件下，也会对高层钢结构房屋造成不同程度的影响，究其根本原因，还是与结构设计、材料质量、施工质量及日常的维护密切相关。为有效减少这些情况发生，也要求在对高层钢结构房屋抗震设计时严格遵循相关规范和标准，以确保最终抗震效果。3高层钢结构房屋抗震设计的基本要求3.1房屋结构类型在现代，较为常见的钢结构房屋体系包含了框架——抗震墙板结构、框架——支援结构、巨型框架结构等等，其最终高层钢结构房屋的抗震效果在一定程度上也取决于选择的房屋结构类型，在对实际房屋工程设计时，也要对各方面因素进行综合考虑，并不断对结构体系加以完善和优化。3.2结构布置原则高层钢结构房屋结构体系及其对结构合理布置，也直接关系到最终房屋经济性和安全性。与其他房屋建筑结构相类似，高层钢结构房屋构造也较多采用规则的建设方案，如果是房屋钢结构整体体型较为复杂，并且结构的平立面比较不规则，就可以结合实际需求，设置防震续，使之形成多个规则的抗侧立结构单元。与此同时，钢结构与混凝土结构的耐受变形程度进行比较，钢结构往往要大于混凝土结构，也就不适合设置抗震缝，如果必须进行设置，其抗震缝的宽度应当要高于相对应混凝土结构房屋1.5倍。针对结构布置的其他要求，在高层钢结构房屋抗震设计中适宜设置地下室，其中尤其是在框架——支撑体系中，竖向连续布置的剪力墙板需要延伸到基础，对地下室进行设置则至少延伸到地下一层。8、9度时就比较适合运用偏心支撑，可以运用带缝钢筋混凝土剪力墙板、外伸臂框架或者其他类型的消能支撑。也因此，在抗震结构布置中要优先采用延性较好的结构方案。3.3高层钢结构房屋适用的高度和高宽比表1各种钢结构房屋建筑体系适用的最大高度（m）结构体系设防烈度6、789框架1109050框架——支撑（剪力墙板）220200140筒体（框筒、束筒）、巨型框架300260180表2各种钢结构房屋建筑体系适用的高宽比烈度6、789最大高宽比6.56.05.5确定高层钢结构房屋适用的高度和高宽比，需要结合房屋结构总体高度和实际抗震设防的烈度进行确定，其中由于结构高宽比会对最终整体结构抗震性能和稳定性参数造成影响，同时还会影响到结构的刚度和侧移。因此，在实际确定时，如果结构的高宽比值比较大，不仅会导致结构出现水平位移现象，还会受到倾覆力的影响，导致矩使柱产生很大的轴向力。在我国《抗震规范》中，对高层钢结构房屋适用的最大高度和高宽比也做出了以下规定：（1）在结构体系中，应当具备较为明确的计算简图及作用途径，同时设置多条抗震防线，以预防由于构件失效原因影响实际抗震能力，此外也要对刚度和承载力进行合理的分布，针对较为薄弱的环节采取适当措施，以达到提高承载力的作用；（2）确保结构构件及连接部位在抗震体系中具备良好的延性，提高整体变形能力，同时加强各个构件之间的连接性和完整性，充分发挥保障结构稳定的效果；（3）针对围护墙、封墙等非结构的构件，需要保障其与主体结构之间连接的稳固性；（4）对钢结构房屋抗震设计进行试验，这也是对最终施工质量的检验，所选择的抗震结构材料也应当满足设计文件要求，使其符合图纸抗震要求。4高层钢结构房屋抗震设计4.1自振周期在高层钢结构房屋抗震设计中，针对刚度及重量分布较为均匀的结构的自振周期进行计算，可以采用顶点位移法：T=1.7ss;=GAmg212在该公式中：GA表示柱剪切的刚度；表示分布不均的剪应力系数；s代表了受剪应力影响出现的顶点位移；其T则表示高层钢结构自振周期。在对钢结构房屋进行初步的抗震设计时，也可以根据经验公式进行计算，其公式主要是:T=0.1n。在该公式中:n主要表示钢结构房屋层数，但是房屋的地下部分和小塔楼不被包含在内。4.2反应谱设计在钢结构房屋抗震设计中，由于受到水平地震因素影响，导致在系数曲线当中，其下降段出现衰减的曲线指数为=0.95，斜率为1=0.024，其中水平地震影响系数的最大值则需要按照相关表进行取值。4.3计算内力和位移钢结构房屋在地震的作用下，对其内力和位移加以计算，可以分为以下两种情况：（1）多遇地震背景下，对钢结构房屋进行抗震设计，地震作用的效应就需要建立在弹性计算的基础上，而在计算内力和位移时，针对框架——支撑、框架——剪力墙等钢结构房屋体系可以运用矩阵位移法，在实际计算的过程中，也要充分考虑到梁、柱等出现弯曲或者是变形的情况对抗震设计效果所造成的不利影响；（2）罕遇地震背景下，对钢结构房屋抗震设计进行验算，可以运用弹塑性时程分析方法，其结构所采用的计算模型，也可以运用杆系模型、剪弯协同工作模型等等。4.4侧移控制钢结构房屋在小震作用下，也就是所说的弹性阶段，出现过大的层间变形也会导致非结构构件出现损坏。若是钢结构房屋在大震的作用下，也就是在弹塑性阶段，出现过于大的层间变形将会对结构造成较大的影响，甚至在一定情况下，还会出现倒塌现象。因此，在对高层钢结构房屋抗震设计时需要对结构的侧移进行有效控制，使其不超过其规定的限值。在我国《抗震规范》中也明确的提到：“在多遇地震背景下，钢结构房屋出现位移的情况不能够大于层高1/250。处于钢结构平面端部构件出现的侧移情况，不能够大于质心侧移1.3倍。而在罕遇地震背景下，一般情况下，钢结构房屋出现的层间位移现象不能够大于过层高1/70，结构层间出现的位移情况应当大于纯框架3.5，针对中心支撑框架应大于2.5。”图3强柱弱梁型框架图4强梁弱柱型框架5高层钢结构房屋抗震构造要求5.1强柱弱梁对高层钢结构房屋进行强柱弱梁计算，主要目的在于：一旦受到地震作用，为避免柱遭受到塑性变形，甚至出现倒塌的情况。也要求在同样结构顶点位移条件下，强柱弱梁型框架最大层间变形要小于强梁弱柱型框架。为确保钢结构房屋框架是强柱弱梁型，在框架的任意梁柱节点处也都需要满足：pcw（ycf-N/CA）pbwybf其中pcw主要是指柱的塑性截面模量pbw主要指梁的塑性截