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廣東欣輝鋼結構有限公司
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高層鋼結構建筑抗震設計探析


目前,鋼結構普遍應用于各種類型的民用建筑中,在高層及超高層建筑中的應用則更為廣泛。同混凝土結構相比,鋼結構具有韌性好、強度與重量比高的優點,具有優越的抗震性能;但是,如果鋼結構房屋在結構設計、材料選用、施工制作和維護上出現問題。則其優良的鋼材特性將得不到充分的發揮,在地震作用下同樣會造成結構的局面破壞或整體倒塌。
一、高層建筑發展概括
80年代,是我國高層建筑在設計計算及施工技術各方面迅速發展的階段。各大中城市普遍興建高度在100m左右或100m以上的以鋼筋為主的建筑,建筑層數和高度不斷增加,功能和類型越來越復雜,結構體系日趨多樣化。比較有代表性的高層建筑有上海錦江飯店,它是一座現代化的高級賓館,總高153.52m,全部采用框架一芯墻全鋼結構體系,深圳發展中心大廈43層高165.3,加上天線的高度共185.3m,這是我國第一幢大型高層鋼結構建筑。進入90年代我國高層建筑的設計與施工技術進入了新的階段。不僅結構體系及建筑材料出現多樣化而且在高度上長幅很大有一個飛躍。深圳于1995年6月封頂的地王大廈,81層高,385.95m為鋼結構,它居目前世界建筑的第四位


二、高層鋼結構震害現象及其原因分析
鋼結構被認為具有卓越的抗震性能,在歷次的地震中,鋼結構房屋的震害要小于鋼筋混凝土結構房屋。很少發生整體破壞或倒塌現象。盡管如此,由于焊接、連接、冷加工等工藝技術以及外部環境的影響,鋼材材料的優點將受到影響。特別是因設計、施工以及維護不當,就很可能造成結構的破壞。根據鋼結構在歷次地震中的破壞形態,可能破壞形式分為以下幾類:

1、 結構倒塌
結構倒塌是地震中結構破壞最嚴重的形式。造成結構倒塌的主要原因是結構薄弱層的形成,而薄弱層的形成是由于結構樓層屈服強度系數和抗變4剛度沿高度分布不均勻造成的。這就要求在設計過程中應盡量避免上述不利因素的出現。
2、 節點破壞
節點破壞是地震中發生最多的一種破壞形式。剮性連接的結構構件一般采用鉚接或焊接形式連接。如果在節點的設計和施工中,構造及焊縫存在缺陷,節點區就可能出現應力集中、受力小均的現象,在地震中很容易出現連接破壞。梁柱節點可能出現的破壞現象主要表現為:鉚接斷裂,焊接部位位脫,加勁板斷型、屈曲,腹板斷裂、屈曲等。
3、 構件破壞
在以往所有地震中,多高層建筑鋼結構構件破壞的主要形式有支撐的破壞與失穩以及梁柱局部破壞兩種。(1)支撐的破壞與失穩。當地震強度較大時,支撐承受反復拉壓的軸向力作用,一旦壓力超出支撐的屈曲臨界力時,就會出現破壞或失穩。(2)梁柱局部破壞。對于框架柱,主要有翼緣屈曲、翼縫撕裂,甚至框架柱會出現水平裂縫或斷裂破壞。對于框架梁,主要有翼緣屈曲、腹板屈曲和開裂、扭轉屈曲等破壞形態。

4、基礎錨固破壞
鋼構件與基礎的錨固破壞主要表現為柱腳處的地腳螺栓脫開、混凝土破碎導致錨固失效、連接板斷裂等,這種破壞形式曾發生多起,根據對上述鋼結構房屋震害特征的分析可知,盡管鋼結構抗震性能較好,但在歷次的地震中,也會出現不同程度的震害。究其原因,元素是和結構設計、結構構造、施工質量、材料質量、日常維護等有關,為了預防以上震害的出現,減輕震害帶來的損失,多高層鋼結構房屋抗震設計必須嚴格遵循有關規程進行。


三、抗震設計基本要求


1、鋼結構房屋結構類型
常見的鋼結構房屋的結構體系有框架結構、框架一支援結構、框架一抗震墻板結構、簡體結構以及巨型框架結構等。鋼結構房屋的抗震性能的優劣取決于結構的選型,進行實際工程設計時,需要綜合考慮多種因素進行方案的優化,在優化過程中確定其適宜的結構體系。
2、鋼結構房屋結構布置原則
鋼結構房屋的結構體系和結構布置的選擇關系到結構的安全性、適用性和經濟性。和其他類型的建筑結構一樣,多高層鋼結構房屋應盡量采用規則的建筑方案。當結構體型復雜、平立面特別不規則時,可按實際需要在適當部位設置防震續,從而形成多個較規則的抗側力結構單元。由于鋼結構可耐受的結構變形大于混凝土結構,一般來說,不宜設抗震縫,必須設置時,抗震縫寬應不小于相應鋼筋混凝土結構房屋的1.5倍。
3、 鋼結構房屋適用的最大高度和高寬比
根據結構總體高度和抗震設防烈度確定結構類型和最大適用高度。結構的高寬比是影響結構整體穩定性和抗震性能的重要參數,它對結構剛度、側移和振動形式有直接影響。高度比指房屋總高度與平面較小寬度之比。高寬比值較大時,一方面使結構產生較大的水平位移及P—A效應,還由于傾覆力矩使柱產生很大的軸向力。因此,需要對鋼結構房屋的最大高寬比制定限值,不宜大于合理的限值,超過時應進行專門研究,采取必要的抗震措施。

四、抗震設計的一般方法
鋼材基本屬于各向同性的均質材料,且質輕高強、延性好,是一種很適合于建筑抗震結構的材料,在地震作用下,高層鋼結構房屋由于鋼材材質均勻,強度易于保證,所以結構的可靠性大;輕質高強的特點使得鋼結構房屋的自重輕,從而所受地震作用減小;良好的延性使結構在很大的變形下仍不致倒塌,從而保證結構在地震作用下的安全性。但是,鋼結構房屋如果設計和制造不當,在地震作用下,可能發生構件的失穩和材料的脆性破壞或連接破壞,使鋼材的性能得不到充分發揮,造成災難性后果。因此高層鋼結構房屋的抗震設計就顯得非常重要和必要。

1、建筑場地

在選擇建筑場地時,應根據工程需要,掌握地震活動情況和工程地質的有關資料,對建筑場地做出綜合評價。宜選擇對建筑抗震有利的地段,如開闊平坦的堅硬場地土或密實均勻的干硬場地土等地段,避開對建筑抗震不利的地段,如軟弱場地土、易液化土、條狀突出的山嘴、高聳孤立的山丘,非巖質的陡坡、采空區、河岸和邊坡邊緣等地段。
2、地基和基礎
為了避免建筑物不均勻沉降而導致結構產生裂隙、甚至傾斜,使結構構件過早進入塑性區,同一結構單元不應設置在性質截然不同的地基土上,不宜部分采用天然地基,部分采用樁基;地基有軟弱粘性土、可液化土或嚴重不均勻土層時,應加強基礎的整體性和剛性。
3、平面和立面布置
為了避免地震時建筑發生扭轉和應力集中或塑性變形集中而形成薄弱環節,建筑平面、立面布置宜規則、對稱,質量分布和剛度變化宜均勻。但不設置抗震縫時,應采用與實際情況相符合的計算模型,設置抗震縫時,應將建筑物分割成規則的結構單元。我國《抗震規范》對高層鋼結構房屋的最大適用高度和鋼結構房屋的最大高寬比都有規定:
(1)、結構體系應具有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑;應有多道抗震設防防線,避免因部分結構或構件失效而導致整個體系喪失抗震能力或喪失對重力的承載能力;應具備必要的承載能力,良好的變形能力和耗能能力;應具有合理的剛度分布和承載力分布,避免因局部削弱或突變而形成薄弱部位,產生過大的應力集中或塑性變形集中,對可能出現的薄弱部位,應采取措施提高其承載能力。
(2)、在抗震結構體系中,應使結構構件和連接部位具有良好的延性,避免脆性破壞,提高抗震結構的整體變形能力。因此,鋼結構構件應合理控制尺寸,防止局部失穩或整體失穩,如對梁翼緣和腹板的寬厚比和高厚比都作了明確規定。此外,還應加強各構件之間的連接,以保證結構的整體性,抗震支承系統應保證地震作用時結構的穩定。
(3)、對于女兒墻、圍護墻、雨篷、封墻等非結構構件,應使其與主體結構有可靠地連接和錨固,避免地震時倒塌傷人,產生附加震害;圍護墻、隔墻等與主體結構的連接,應避免設置不當而導致主體結構破壞;應避免吊頂塌落及懸吊較重的裝飾物墜落,不可避免時應采取可靠措施。
(4)、建筑物在強震作用下的表現,既是對抗震設計的檢驗,也是對施工質量的檢驗。施工質量的好壞,直接影響鋼結構房屋的抗震能力。因此,抗震結構對材料和施工質量的特別要求,應在設計文件上注明。建筑物的施工要特別注意符合圖紙上合理的抗震要求,注意材料選擇,確保施工質量。
隨著人們對地震的不斷認識,為防止出現嚴重的地震的嚴重災害,造成財產損失和生命傷亡。人們對高層鋼結構房屋的抗震要求不斷提高。本文闡明了設計人員進行高層鋼結構房屋抗震設計時,應首先從概念設計著手,制定比較合理的設計方案等,確保房屋抗震設防目標的實現。

鋼結構各種流程應注意的事項
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(1)制作:鋼結構制作包括放樣、號料、切割、校正等諸多環節。高強度螺栓處理后的摩擦面,抗滑移系數應符合設計要求。
制作質量檢驗合格后進行除銹和涂裝。一般安裝焊縫處留出30~50mm暫不涂裝。
(2)焊接:焊工必須經考試合格并取得合格證書,且必須在其考試合格項目及其認可范圍內施焊。焊縫施焊后須在工藝規定的焊縫及部位打上焊工鋼印。
焊接材料與母材應匹配,全焊透的一、二級焊縫應采用超聲波探傷進行內部缺陷檢驗,超聲波探傷不能對缺陷作出判斷時,采用射線探傷。
施工單位首次采用的鋼材、焊接材料、焊接方法等,進行焊接工藝評定。
(3)運輸:運輸鋼構件時,要根據鋼構件的長度和重量選車輛。鋼構件在車輛上的支點、兩端伸出的長度及綁扎方法均應保證構件不產生變形、不損傷涂層。
(4)安裝:鋼結構安裝要按施工組織設計進行,安裝程序須保證結構的穩定性和不導致永久性變形。安裝柱時,每節柱的定位軸線須從地面控制軸線直接引上。鋼結構的柱、梁、屋架等主要構件安裝就位后,須立即進行校正、固定。
由工廠處理的構件摩擦面,安裝前須復驗抗滑移系數,合格后方可安裝。
(5)防火與防銹
1)鋼結構防火性能較差。當溫度達到550℃時,鋼材的屈服強度大約降至正常溫度時屈服強度的0.7,結構即達到它的強度設計值而可能發生破壞。
設計時應根據有關防火規范的規定,使建筑結構能滿足相應防火標準的要求。在防火標準要求的時間內,應使鋼結構的溫度不超過臨界溫度,以保證結構正常承載能力。
2)外露的鋼結構可能會受到大氣,特別是被污染的大氣的嚴重腐蝕,最普通的是生銹。這就必須對構件的表面進行防腐蝕處理,以保證鋼結構的正常使用。防腐處理的方法根據構件表面條件及使用壽命的要求決定。

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