高楼钢构：抗侧力结构工程实例

1.抗侧力结构的基本要求

（1）具有明确的计算简图，合理的地震力传递途径。

（2）具有多道抗震防线，避免因部分结构或构件破坏，而导致整个结构体系丧失整体稳定和继续承载的能力。

（3）具备必要的水平承载力、良好的侧向变形能力和较大的消耗地震能量的能力。

（4）沿房屋高度，具有合理的侧向刚度和水平承载力分布，避免因个别楼层的局部削弱或突变，形成柔软或薄弱部位，引起过大的应力集中或塑性变形集中。

（5）避免结构发生整体失稳，其钢结构构件还应合理控制截面尺寸，避免局部失稳。

（6）结构在两个主轴方向的动力特性宜相近。

2.抗侧力构件耐震性能

（1）钢结构的设计应符合“三强”耐震设计准则，即“强节弱杆、强柱弱梁、强焊弱钢”。

1）“强节弱杆”指对于框架、支撑等杆系构件，使节点的承载力高于杆件的承载力，防止节点的破坏先于杆件的破坏，是确保构件整体性的必要条件。然而，对于钢框架，节点又不可过强，应允许地震时梁-柱节点域的板件能产生一定量的剪切屈服变形，以提高整个框架的延性。

2）“强柱弱梁”型钢框架，易于实现构件总体屈服机制，而“弱柱强梁”型框架则易发生构件楼层屈服机制。此外，地震时构件的坍塌，最终原因是由于其杆件受地震作用损伤后承重能力低于所承担的重力荷载。一般情况下，框架梁仅承担本楼层的重力荷载，而框架柱则需承担本层以上很多楼层的重力荷载，强柱有利于提高框架的防倒塌能力。

3）杆件焊缝的延性，一般均低于被连接板件的钢材延性，“强焊缝、弱钢材”，即焊缝的承载力高于被连接钢材板件的承载力，可以使杆件的屈服截面避开焊缝而位于钢板件之中，从而提高杆件以至整个构件的延性。

（2）水平地震作用下，构件可能出现塑性铰的部位，具有足够的转动能力和耗能容量。

（3）竖向钢支撑在侧力作用下，应防止支撑斜杆发生出平面屈曲，以避免往复地震力作用下斜杆反复屈曲所引起的刚度退化和强度劣化。

（4）螺栓连接的延性等耐震性能优于焊缝连接。高烈度地震区的钢结构，重要的杆件接头和节点宜采用螺栓连接。

3.结构超静定次数要多

（1）防倒塌是建筑遭遇罕遇地震烈度时的最低设防标准。房屋不倒塌，就可以避免人员大量伤亡。

（2）非三角形杆系抗侧力构件，仅当其各个节点或某一楼层全部节点出现塑性铰破坏而变成机动构架后，建筑才会倒塌。结构的超静定次数愈多，能够依次形成的杆件塑性铰的数量就多，结构进入倒塌的过程就长。

（3）在一定烈度和场地条件下，输入某一结构的地震能量大体上是一个定量。

（4）地震作用下，结构每出现一个塑性铰，即可吸收和耗散输入结构的一定数量的地震能量。整个结构在变成机动构架之前，能够出现的杆件塑性铰愈多，耗散地震能量也就愈多，就更能经受住较强地震而不倒塌。超静定次数愈多的结构，抗震可靠度也就愈高。

4.耐震结构屈服机制

（1）最佳破坏机制

1）结构实现最佳破坏机制的特征是：水平地震作用下，结构各杆端陆续出现塑性铰的过程中，在承载力基本保持稳定的条件下，结构持续变形而不倒塌，最大限度地吸收和耗散地震输入能量。

2）控制塑性铰在结构各构件和各杆件中出现的先后顺序，对防止结构倒塌有着重要影响。结构最佳破坏机制的判别条件是：

①结构的塑性铰发展，宜从次要构件开始，或从主要构件的次要杆件（或部位）开始，最后才在主要构件上出现塑性铰，从而构成多道抗震防线。

②构件的塑性铰，首先出现在各水平杆件的端部，最后才在竖向杆件上发生。

③结构中所形成的塑性铰的数量多，塑性变形发展的过程长。

④构件中塑性铰的塑性转动量大，整个结构的塑性变形量大。

（2）屈服机制的类型

1）高层结构构件的屈服机制，可以划归为两个基本类型：①总体屈服机制；②楼层屈服机制。

若按构件的总体变形性质来定名，可称为弯曲型屈服机制和剪切型屈服机制。若就构件中杆件出现塑性铰的位置和次序而论，又可称为柱铰机制和梁铰机制。

2）总体屈服机制，是指构件在侧力作用下，全部水平杆件的屈服均先于竖向杆件，最后才是竖杆底端的屈服。

可能发生总体屈服机制的高层钢结构，有强柱型框架（图2-20a）和强剪型支撑（图2-20b、c）。

3）楼层屈服机制，是指构件在侧力作用下，竖杆件的屈服先于水平杆件，从而导致某一楼层或某几个楼层发生侧向整体屈服。

可能发生楼层屈服机制的高层钢结构，有弱柱型框架（图2-21a、b）和弱剪型支撑（图2-21c）。

（3）总体屈服机制的优点

结构的总体屈服机制是耐震性能最佳的破坏机制。与楼层屈服机制相比较，其优点是：(www.xing528.com)

图2-20 抗侧力构件的总体屈服机制

a）强柱型框架 b）强剪型支撑 c）强剪型偏心支撑 d）侧移曲线

图2-21 抗侧力构件的楼层屈服机制

a）框架底层屈服 b）框架顶层屈服 c）支撑底层屈服 d）侧移曲线

1）结构在侧力作用下临近倒塌之前，可能产生的塑性铰的数量要多很多。

2）总体屈服机制构件的层间侧移，沿竖向分布比较均匀（图2-20d）；而楼层屈服机制构件的层间侧移，沿高度方向呈非均匀分布，薄弱楼层的层间侧移因塑性变形集中而增大若干倍（图2-21d）。

5.结构竖向要等强

（1）各楼层屈服强度系数ξ_y大致相等的结构，称为竖向等强度结构。结构某一层或某几层的ξ_y值小于上一楼层ξ_y值的80%时，称为竖向非等强结构。

（2）楼层屈服强度系数ξ_y，等于按构件实际配筋和材料强度标准值计算的楼层受剪承载力，除以强震作用下（按罕遇地震作用计算）的楼层弹性地震剪力。

（3）强震作用下结构进入弹塑性变形阶段时，竖向等强度结构的各楼层层间侧移，大体是均匀变化的（图2-22a）；而竖向非等强结构，其中柔软层或薄弱层的层间侧移，将因塑性变形集中效应而增大数倍（图2-22b），以致该楼层破坏程度骤然加重，甚至坍塌。

（4）结构薄弱层塑性变形集中效应的强弱，与该楼层屈服强度系数ξ_y的大小成反比。

（5）半高处存在薄弱层的高层建筑，在强烈地震作用下，各楼层的层间侧移延伸率μ沿高度方向的分布曲线，如图2-23所示。比较图中的三条曲线，可以看出：薄弱层的楼层屈服强度系数ξ_y愈小，塑性变形集中效应就愈强烈。

图2-22 强震作用下的结构弹塑性侧移曲线

a）竖向等强度结构 b）竖向非等强结构

图2-23 薄弱层的弹塑性变形集中效应

图中，H为房屋总高度；μ为楼层侧移延伸率（楼层延性系数），等于楼层弹塑性侧移Δμ_p与该楼层屈服侧移Δμ_y的比值。

6.非单一传力路线

一般情况的静定结构竖向支撑，传力路线单一（图2-24a）。水平地震作用下，一根斜杆的杆身或节点破坏后，整个结构就将因传力路线中断而失效。

超静定的X形支撑（图2-24b）或成对布置的单斜杆支撑（图2-24c），超负荷工作时，一个方向斜杆失稳破坏后，其水平地震剪力可以绕道通过另一方向斜杆传至基础。整个结构仍不失为具有一定抗震能力的稳定体系。

图2-24 竖向支撑的传力路线

a）单斜杆支撑 b）X形支撑 c）成对单斜杆支撑

7.多道抗震防线

（1）国内外多次地震的调查发现，采用纯框架之类单一结构体系的楼房，其倒塌率远高于采用框-撑、框-墙、填墙框架等双重结构体系的楼房。除了由于后者水平承载力高于前者外，更重要的是，前者仅具有一道抗震防线，而后者具有两道或三道抗震防线。

（2）地震时建筑场地的地震动，能造成建筑物破坏的强震波（加速度α≥0.05g）持续时间，有时达到十几秒或更长，其频率或是单一的或是变化的。

（3）仅有一道抗震防线的单一结构体系，在前半段强震波冲击下发生破坏，特别是因共振而破坏，后续的强震波就有可能促使楼房倒塌。

（4）具有两道以上抗震防线的双重或多重结构体系，当强震波持续时间较长时，第一道防线的抗侧力构件先期破坏后，第二、三道防线的抗侧力构件随即接替。特别是，第一道防线构件是因结构共振而破坏，第二、三道防线构件接替后，楼房自振周期改变，错开地震动卓越周期，共振现象得以缓解，从而防止破坏程度加重。

（5）具备多道抗震防线的结构体系有：框架-支撑体系、框架-墙板体系、筒体-框架体系和筒中筒体系等（图2-25）。单就竖向支撑而言，X形支撑就比单斜杆支撑多一道防线。

图2-25 具有多道抗震防线的结构体系

a）框架-支撑体系 b）框架-墙板体系 c）筒体-框架体系 d）筒中筒体系