牛超　蔡肖娴

摘要：随着人们对高层钢结构建筑的需求越来越大，其抗震设计越来越引起人们的高度重视。本文阐述了高层钢结构房屋抗震设计的内容：包括概念设计、计算设计和构造要求，以供参考。

关键词：高层钢结构房屋；抗震设计

前言

钢材基本属于各向同性的均质材料，且轻质高强、延性好，是一种很适合于建筑抗震结构的材料。但是，钢结构房屋如果设计与制造不当，在地震作用下，可能发生构件的失稳和材料的脆性破坏或连接破坏，使钢材的性能得不到充分发挥，造成灾难性后果。因此，高层钢结构房屋的抗震设计就显得非常重要和必要。

一、概念设计

1.建筑场地

在选择建筑场地时， 应根据工程需要， 掌握地震活动情况和工程地质的有关资料，对建筑场地做出综合评价。宜选择对建筑抗震有利的地段，如开阔平坦的坚硬场地土或密实均匀的干硬场地土等地段，避开对建筑抗震不利的地段，如软弱场地土、易液化土、条状突出的山嘴、高耸孤立的山丘，非岩质的陡坡、采空区、河岸和边坡边缘等地段。

2.地基和基础

为了避免建筑物不均匀沉降而导致结构产生裂缝、甚至倾斜，使结构构件过早进入塑性区，同一结构单元不应设置在性质截然不同的地基土上，不宜部分采用天然地基，部分采用桩基；地基有软弱粘性土、可液化土或严重不均匀土层时，应加强基础的整体性和刚性。

3.平面和立面布置

为了避免地震时建筑发生扭转和应力集中或塑性变形集中而形成薄弱环节，建筑平面、立面布置宜规则、对称，质量分布和刚度变化宜均匀。当不设置抗震缝时，应采用与实际情况相符合的计算模型，设置抗震缝时，应将建筑物分割成规则的结构单元。我国《抗震规范》对高层钢结构房屋的最大适用高度和钢结构房屋的最大高宽比都有规定。

4.结构体系

应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径；应有多道抗震设防防线，避免因部分结构或构件失效而导致整个体系丧失抗震能力或丧失对重力的承载能力；应具备必要的承载能力，良好的变形能力和耗能能力；应具有合理的刚度分布和承载力分布，避免因局部削弱或突变而形成薄弱部位，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，应采取措施提高其承载能力。

5.结构构件

在抗震结构体系中，应使结构构件和连接部位具有良好的延性，避免脆性破坏，提高抗震结构的整体变形能力。因此，钢结构构件应合理控制尺寸，防止局部失稳或整体失稳，如对梁翼缘和腹板的宽厚比和高厚比都作了明确规定。

6.非结构构件

对于女儿墙、围护墙、雨蓬、封墙等非结构构件，应使其与主体结构有可靠的连接和锚固，避免地震时倒塌伤人，产生附加震害；围护墙、隔墙等与主体结构的连接，应避免设置不当而导致主体结构破坏；应避免吊顶塌落及悬吊较重的装饰物坠落，不可避免时应采取可靠措施。

7.材料和施工质量

建筑物在强震作用下的表现，既是对抗震设计的检验，也是对施工质量的检验。施工质量的好坏，直接影响到钢结构房屋的抗震能力。因此，抗震结构对材料和施工质量的特别要求，应在设计文件上注明。建筑物的施工要特别注意符合图纸上合理的抗震要求，注意材料选择， 确保施工质量。

二、高层钢结构房屋抗震设计

1.结构的自振周期

2.设计反应谱

在高层钢结构设计中，水平地震影响系数曲线中的下降段衰减指数为γ=0 .95，倾斜段的斜率为η1 =0.024，而水平地震影响系数的最大值按相关表取值。

3.地震作用下内力与位移计算

（1）多遇地震作用下：结构在第一阶段多遇地震作用下的抗震设计中，地震作用效应应按弹性方法计算。高层钢结构房屋在进行内力和位移计算时，对于框架、框架—支撑、框架—剪力墙及框筒等结构体系常采用矩阵位移法，且计算时应考虑梁、柱弯曲变形，并应考虑梁柱节点域的剪切变形对侧移的影响。

（2）罕遇地震作用下：高层钢结构第二阶段的抗震验算应采用时程分析法对结构进行弹塑性时程分析，结构计算模型可采用杆系模型、剪切型层模型或剪弯协同工作模型。

4.侧移控制

在小震作用下（弹性阶段），过大的层间变形会造成非结构构件的破坏，而在大震作用下（弹塑性阶段），过大的变形会造成结构的破坏或倒塌， 因此，应控制结构的侧移，使其不超过一定的限值。《抗震规范》规定：在多遇地震作用下，高层钢结构房屋的层间位移不应超过层高的1/250。结构平面端部构件的最大侧移不得超过质心侧移的1.3倍。在罕遇地震作用下，高层钢结构房屋的层间位移不应超过层高的1/70，且结构层间位移的延性比对纯框架应>3.5；对偏心支承框架应>3.0；对中心支承框架应>2.5；对有混凝土剪力墙的钢框架应>2.0。

三、抗震构造要求

1.强柱弱梁

高层钢结构房屋应按照“强柱弱梁”进行设计与计算。这是因为， 在地震作用下，为了避免柱先进入塑性区破坏，导致房屋倒塌。要求塑性铰应在梁端形成而不应在柱端形成，使框架具有较大的内力重分布和耗散地震能量的能力。因此，柱端应比梁端有更大的承载力储备。对于抗震设防框架柱的任一节点处， 柱截面的塑性抵抗矩和梁截面的塑性抵抗矩应满足下列要求：

2.钢框架结构的抗震构造措施

（1）框架柱的长细比， 应符合下列規定：

①不超过12层的钢框架柱的长细比，6～8度时应≤120235/fay，9 度时应≤100 235/fay 。

②>12层的钢框架柱的长细比，应符合相关规定。

（2）梁柱刚性连接时，柱在梁翼缘上下各500mm的节点范围内，翼缘与腹板间或箱形柱壁板间的连接焊缝，应采用坡口全熔透焊缝。

3.钢框架—中心支撑结构抗震构造措施

（1）中心支撑杆件的长细比和板件宽厚比应符合相关规定。

（2）中心支撑节点应满足：支撑与框架连接处，支撑杆端宜做成圆弧；梁在其与V形支撑或人字支撑相交处，应设置侧向支撑；梁柱与支撑连接处应设置加劲肋。

4.钢框架— 偏心支撑结构抗震构造措施

（1）偏心支撑框架消能梁段的钢材屈服强度应≤345MPa。消能梁段及与消能梁段同一跨内的非消能梁段，其板件的宽厚比应不大于相关规定的限值。

（2）耗能梁段还应满足下列要求：耗能梁段的腹板不得贴焊补强板，不得开洞；耗能梁段与支撑连接处，应在其腹板两侧配置加劲肋，且加劲肋的高度应为梁腹板高度；耗能梁段还应按《规范》要求在腹板上设置中间加劲肋。

四、结束语

随着人们对地震的不断认识，为防止出现严重的地震灾害，造成财产损失和生命伤亡，人们对高层钢结构房屋的抗震要求不断提高。本文详细地论述了高层钢结构房屋结构抗震构造的具体要求，为钢结构设计人员进行抗震设计提供参考。

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，2001.

[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.