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【摘 要】高层钢结构抗震性能的设计已得到设计行业的重视，在复杂的设计条件下，抗震概念设计可以从宏观上实现合理抗震，使设计者对高层建筑设计进行总体把握，本文就常见的抗震概念设计原则做了简单归纳和总结。
【关键词】高层钢结构；抗震；概念设计
0.引言
作为建筑领域的新兴力量，我国多高层钢结构建筑行业发展迅速。混凝土结构的房屋受压较好，但抗拉能力极弱，二者强度差距达10倍，当地震来临时，房屋在地震波循环荷载作用下，极易发生整体垮塌。而钢结构具有良好的延展性，可以将地震波的能耗抵消掉。由于钢材基本上属各向同性材料，抗拉、抗压、抗剪强度均很高，而且具有良好的延展性，特别是钢结构凭着自己特有的高延展性减轻了地震反应，所以钢结构可以看作比较理想的弹塑性结构，通过结构的塑性变形吸收和消耗地震输入能量，从而具有较高的抵抗强烈地震的能力，同时钢结构相对于其他结构自重轻，这也大大减轻了地震作用的影响。
1.高层钢结构建筑抗震性能化设计目标
在高层钢结构建筑抗震性能化的设计过程中，任何高层钢结构建筑结构抗震性能设计的相关目标都有两个：一是地震发生时，不会因为高层建筑物的钢结构遭到结构破坏而影响建筑内人员的逃生；二是在地震发生时，不致因高层建筑物的钢结构遭到结构破坏而使建筑产生的损失更大。
为了满足总体目标的规则和要求，高层建筑的结构抗震设计的相关功能目标必须包括以下两点：一是高层建筑物的某些部位的结构构件以及高层建筑物的子结构及结构整体在有地震发生后的某一段的时间内不能够产生整体坍塌状况，从而以保证高层建筑内的工作人员和居住人员有足够的时间逃生；二是建筑物的某些部位的结构构件以及高层建筑物的整体结构在发生地震下不能产生严重的影响，能够继续使用，不会迅速地变形或产生倒塌现象，从而在震后建筑物的结构功能能够最大程度上尽快得到恢复，从而相对程度上减少高层建筑在发生地震时直接和间接的经济损失和人员伤亡。
2.高层钢结构抗震概念设计的一般原则
概念设计一般指不通过数值计算，只根据结构体系震害、力学关系、结构破坏机理、试验现象与工程经验，对一些比较复杂、难以做出精确、理性的分析或规范中难以规定的工程问题，而获得的基本设计构思。抗震概念设计根据抗震设计的复杂性，避免了无必要的繁琐计算，为抗震计算创造便于计算的模型，使计算分析结果更能反映地震时结构反应的实际情况，从宏观上实现了合理抗震。目前国内有一些高层钢结构设计软件，但对抗震计算的可靠性仍值得商榷，应先由概念设计对高层建筑设计进行总体把握。
在实际结构设计中，高层钢结构抗震概念设计一般原则包括：
2.1建筑的体形要简单，平立面布置宜规则
体形简单和规则的建筑，受力性能明确，设计时容易分析结构在地震作用下的实际反映及其内力分布，构件细部构造也容易处理；反之，刚度和强度的突变，引起的应力集中或变形集中，容易形成薄弱环节，造成严重后果。
2.2建筑的质量和刚度变化要均匀
建筑的刚度和质量分布不对称，容易在水平地震作用下发生扭转震动，设计时对质量和刚度分布不连续的情况应加以限制，采取必要的构造措施。
2.3选择合理的抗震结构体系，设置多道抗震防线
当设计既抗风又抗震的高层建筑时，希望设计成在风荷载和规范规定的地震作用下是刚性的结构体系，但当地震作用非常大时，又可通过控制其屈服而变成有延性的结构。可将大型竖向和水平构件联结成巨型框架，竖向构件既可单独抵抗横向剪力，在地震作用下，与水平构件又可组成整体结构，而竖向独立构件与整体结构的振动周期是明显不同的。
2.4增加抗弯结构体系的有效宽度
稳固高层建筑物的一个办法是把重量向边缘转移，在高度一定的情况下，限制建筑物的高宽比，国外70年代及以前建造的高层钢结构，高宽比较大的，如纽约世界贸易中心双塔为6.6，其它建筑很少超过此值。
2.5设计结构分体系应使其构件以最有效的方式相互作用
大量研究表明，偏心支撑具有弹性阶段刚度接近于延性框架的特点，是一种良好的抗震结构，其原理是强柱，强支撑和弱消能梁段，即在大震时消能梁段屈服形成塑性铰，且具有稳定的滞回性能，即使消能梁段进入应变硬化阶段，支撑斜杆、柱和其余梁段仍能保持弹性。
2.6每层楼盖应足以起水平隔板作用
我国抗震规范推荐钢结构的楼盖宜采用压型钢板现浇钢筋混凝土组合楼板或非组合楼板，对超过12层的钢结构，必要时可设置水平支撑，总的来说，就是要保证楼盖的整体性。
2.7设置粘弹性阻尼器
粘弹性阻尼器是一种十分有效的减振耗能构件，它可以有效的减小结构构件的地震设计内力和结构横风向的风振加速度。
2.8埋入式和外包混凝土式柱脚具有较好的抗震能力，地震区应优先采用
地震区设计锚栓时，应充分考虑地震剪力，增强锚栓的抗震强度，我国钢结构中外露式柱脚应用普遍，而埋入式或外包混凝土这种柱脚在罕遇地震下的抗震性能值得我们注意。
2.9材料使用
高层建筑钢结构的钢材，宜采用Q235等级B、C、D的碳素结构钢，以及Q345等级B、C、D、E的低合金高强度结构钢，有可靠根据，可采用其他牌号的钢材；抗震结构钢材的强屈比不应小于1.2；应有明显的屈服台阶；伸长率应大于20%；应有良好的可焊性。对承受沿板厚方向的拉力作用的焊接构件，当板厚度超过限值时，应检验其z向性能。
2.10降低地震作用效应
在建筑物顶部装一个“大型调节减震器”，地震时在惯性作用下通过上了润滑油的金属片向相反方向倾斜，从而对建筑物的振动产生阻尼作用，减少建筑物的位移。此方法也可用于对建筑抗风不足予以弥补。
3.结束语
目前，高层钢结构的抗震概念设计已经越来越得到结构设计界的重视。由于各个地区之间的经济水平、地质地貌、设计水平及设计软件普及等都存在较大差异，所以，在复杂的设计条件下，概念设计应该是保证结构抗震安全性的关键手段，也将是建筑抗震设计的首要步骤。
【参考文献】
[1]张煜，蔡焕琴.概念设计优化高层钢结构抗震[J].工业建筑，2006（增刊）.
[2]丁志耀.多高层钢结构住宅抗震性能探究[J].华东科技（学术版），2012（4）.
[3]丁强等.建筑结构的抗震设计浅谈[J].科技与生活，2012（7）.
[4]建筑抗震设计规范（GB 5001-2010）.中国建筑工业出版社，2010.
【关键词】高层钢结构；抗震；概念设计
0.引言
作为建筑领域的新兴力量，我国多高层钢结构建筑行业发展迅速。混凝土结构的房屋受压较好，但抗拉能力极弱，二者强度差距达10倍，当地震来临时，房屋在地震波循环荷载作用下，极易发生整体垮塌。而钢结构具有良好的延展性，可以将地震波的能耗抵消掉。由于钢材基本上属各向同性材料，抗拉、抗压、抗剪强度均很高，而且具有良好的延展性，特别是钢结构凭着自己特有的高延展性减轻了地震反应，所以钢结构可以看作比较理想的弹塑性结构，通过结构的塑性变形吸收和消耗地震输入能量，从而具有较高的抵抗强烈地震的能力，同时钢结构相对于其他结构自重轻，这也大大减轻了地震作用的影响。
1.高层钢结构建筑抗震性能化设计目标
在高层钢结构建筑抗震性能化的设计过程中，任何高层钢结构建筑结构抗震性能设计的相关目标都有两个：一是地震发生时，不会因为高层建筑物的钢结构遭到结构破坏而影响建筑内人员的逃生；二是在地震发生时，不致因高层建筑物的钢结构遭到结构破坏而使建筑产生的损失更大。
为了满足总体目标的规则和要求，高层建筑的结构抗震设计的相关功能目标必须包括以下两点：一是高层建筑物的某些部位的结构构件以及高层建筑物的子结构及结构整体在有地震发生后的某一段的时间内不能够产生整体坍塌状况，从而以保证高层建筑内的工作人员和居住人员有足够的时间逃生；二是建筑物的某些部位的结构构件以及高层建筑物的整体结构在发生地震下不能产生严重的影响，能够继续使用，不会迅速地变形或产生倒塌现象，从而在震后建筑物的结构功能能够最大程度上尽快得到恢复，从而相对程度上减少高层建筑在发生地震时直接和间接的经济损失和人员伤亡。
2.高层钢结构抗震概念设计的一般原则
概念设计一般指不通过数值计算，只根据结构体系震害、力学关系、结构破坏机理、试验现象与工程经验，对一些比较复杂、难以做出精确、理性的分析或规范中难以规定的工程问题，而获得的基本设计构思。抗震概念设计根据抗震设计的复杂性，避免了无必要的繁琐计算，为抗震计算创造便于计算的模型，使计算分析结果更能反映地震时结构反应的实际情况，从宏观上实现了合理抗震。目前国内有一些高层钢结构设计软件，但对抗震计算的可靠性仍值得商榷，应先由概念设计对高层建筑设计进行总体把握。
在实际结构设计中，高层钢结构抗震概念设计一般原则包括：
2.1建筑的体形要简单，平立面布置宜规则
体形简单和规则的建筑，受力性能明确，设计时容易分析结构在地震作用下的实际反映及其内力分布，构件细部构造也容易处理；反之，刚度和强度的突变，引起的应力集中或变形集中，容易形成薄弱环节，造成严重后果。
2.2建筑的质量和刚度变化要均匀
建筑的刚度和质量分布不对称，容易在水平地震作用下发生扭转震动，设计时对质量和刚度分布不连续的情况应加以限制，采取必要的构造措施。
2.3选择合理的抗震结构体系，设置多道抗震防线
当设计既抗风又抗震的高层建筑时，希望设计成在风荷载和规范规定的地震作用下是刚性的结构体系，但当地震作用非常大时，又可通过控制其屈服而变成有延性的结构。可将大型竖向和水平构件联结成巨型框架，竖向构件既可单独抵抗横向剪力，在地震作用下，与水平构件又可组成整体结构，而竖向独立构件与整体结构的振动周期是明显不同的。
2.4增加抗弯结构体系的有效宽度
稳固高层建筑物的一个办法是把重量向边缘转移，在高度一定的情况下，限制建筑物的高宽比，国外70年代及以前建造的高层钢结构，高宽比较大的，如纽约世界贸易中心双塔为6.6，其它建筑很少超过此值。
2.5设计结构分体系应使其构件以最有效的方式相互作用
大量研究表明，偏心支撑具有弹性阶段刚度接近于延性框架的特点，是一种良好的抗震结构，其原理是强柱，强支撑和弱消能梁段，即在大震时消能梁段屈服形成塑性铰，且具有稳定的滞回性能，即使消能梁段进入应变硬化阶段，支撑斜杆、柱和其余梁段仍能保持弹性。
2.6每层楼盖应足以起水平隔板作用
我国抗震规范推荐钢结构的楼盖宜采用压型钢板现浇钢筋混凝土组合楼板或非组合楼板，对超过12层的钢结构，必要时可设置水平支撑，总的来说，就是要保证楼盖的整体性。
2.7设置粘弹性阻尼器
粘弹性阻尼器是一种十分有效的减振耗能构件，它可以有效的减小结构构件的地震设计内力和结构横风向的风振加速度。
2.8埋入式和外包混凝土式柱脚具有较好的抗震能力，地震区应优先采用
地震区设计锚栓时，应充分考虑地震剪力，增强锚栓的抗震强度，我国钢结构中外露式柱脚应用普遍，而埋入式或外包混凝土这种柱脚在罕遇地震下的抗震性能值得我们注意。
2.9材料使用
高层建筑钢结构的钢材，宜采用Q235等级B、C、D的碳素结构钢，以及Q345等级B、C、D、E的低合金高强度结构钢，有可靠根据，可采用其他牌号的钢材；抗震结构钢材的强屈比不应小于1.2；应有明显的屈服台阶；伸长率应大于20%；应有良好的可焊性。对承受沿板厚方向的拉力作用的焊接构件，当板厚度超过限值时，应检验其z向性能。
2.10降低地震作用效应
在建筑物顶部装一个“大型调节减震器”，地震时在惯性作用下通过上了润滑油的金属片向相反方向倾斜，从而对建筑物的振动产生阻尼作用，减少建筑物的位移。此方法也可用于对建筑抗风不足予以弥补。
3.结束语
目前，高层钢结构的抗震概念设计已经越来越得到结构设计界的重视。由于各个地区之间的经济水平、地质地貌、设计水平及设计软件普及等都存在较大差异，所以，在复杂的设计条件下，概念设计应该是保证结构抗震安全性的关键手段，也将是建筑抗震设计的首要步骤。
【参考文献】
[1]张煜，蔡焕琴.概念设计优化高层钢结构抗震[J].工业建筑，2006（增刊）.
[2]丁志耀.多高层钢结构住宅抗震性能探究[J].华东科技（学术版），2012（4）.
[3]丁强等.建筑结构的抗震设计浅谈[J].科技与生活，2012（7）.
[4]建筑抗震设计规范（GB 5001-2010）.中国建筑工业出版社，2010.