摘要：高層鋼結構建筑具有施工速度快、工業化程度高、綜合技術經濟指標好、抗震性能優越等特點，鋼結構用于高層建筑，具有得天獨厚的技術優勢，也是我國當前的產業政策。本文介紹了目前高層鋼結構建筑采用的幾種典型的結構體系，總結了各結構體系的受力特點及應用；以典型的鋼結構建筑為例，對其分別采用鋼框架結構體系、鋼框架-支撐結構體系、鋼框架-剪力墻結構體系、鋼框架結構體系，利用大型有限元軟件ANSYS分析了各種結構體系所具有的抗震性能，得到了一些有益的結論。
　　
　　關鍵詞：高層建筑；鋼結構；抗震性能
　　
　　0引言
　　近幾年，我國的建筑產業化發展速度十分迅猛，發展方向突破傳統的戶型、材料和結構體系呈多元化趨勢，關于建筑行業發展的討論也是百家爭鳴、各具特色。作為建筑領域的新興力量，鋼結構住宅的發展和討論也越來越被業界和學界所重視。而我國屬于一個地震多發的國家，建筑災害成為地震災害中最具破壞和殺傷力的災害，這更加強了全國從事鋼結構設計和研究的同仁們對于普通住宅建筑抗震的思考。
　　1高層建筑鋼結構的體系
　　在鋼結構建筑中用的較多的結構體系有框架結構、框架-中心支撐結構和框架-偏心支撐結構等。純框架結構延性好，抗震性能好，但由于抗側剛度較差，不宜用于層數太高的建筑。框架-中心支撐結構抗側剛度大，適用層數較多的建筑，但由于支撐構件的滯回性能較差，耗散的地震能量有限，抗震性能不如純框架。框架-偏心支撐結構可通過偏心連梁的剪切屈服，耗散地震能量，同時又能保證支撐不喪失整體穩定，抗震性能優于框架-中心支撐結構。采用能與鋼框架抗側剛度相匹配的內藏鋼板剪力墻和帶豎縫剪力墻代替支撐，可構成框架-抗震墻板結構，其抗震性能優于框架-中心支撐結構。當房屋剛度更高時，可采用沿建筑周邊設置密柱深梁框架構成的框筒結構。框筒結構抗側剛度大，并具有較好的抗震性能。
　　2鋼結構建筑的抗震結構
　　不同的結構形式，抗震性能明顯不同。混凝土結構的房屋受壓較好，但不抗拉力，兩種力的差距達10倍。當地震來臨時，房屋在地震波循環荷載情況下，極易發生整體垮塌，而鋼結構具有良好的延展性，可以將地震波的能耗抵消掉。鋼材基本上屬各向同性材料，扛拉、抗壓、扛剪強度均很高，而且具有良好的延展性，特別是鋼結構憑著自己特有的高延展性減輕了地震反應。鋼結構還可以看作比較理想的彈塑性結構，可以通過結構的塑性變形吸收和消耗地震輸入能量，從而具有較高的抵抗強烈地震的能力。鋼結構相對于其他結構自重輕，這也大大減輕了地震作用的影響。高層鋼結構具有抗震性能高，施工周期短、工業化程度高、環保性能好等特點。
　　3鋼結構的抗震性能設計
　　3.1鋼結構預制構件拼接建筑結構
　　在鋼結構預制構件拼接建筑結構中，預制鋼構件的連接增加了結構的超靜定次數，從而增加了塑性鉸的形成數量，構成多道抗震防線，不僅提高了結構的抗震可靠度，更延長了結構進入倒塌的過程。即使是純框架結構之類的樓房，也能大大提高其抗震能力。且這種結構具有施工方便，工期短，自重輕，結構面積小，維修方便等優點，可以作為抗震結構設計類型。
　　3.2支撐布置方式
　　由于高度限制，用于高層鋼結構建筑的框架體系常設置支撐。同時，為控制樓層的頂點位移及層間位移，可設置水平加強層。增加支撐體系和水平加強層是提高結構整體剛度，減少梁、柱用鋼量有效方法之一，具有較好的經濟效果。不同的支撐布置形式對其地震響應有不同的影響。
　　3.3輕型門式剛架設計
　　實腹式輕型門式剛架結構按截面形式主要有兩種類型:等截面門式剛架和變截面門式剛架。門式剛架結構的主體結構一般由等截面或變截面的焊接(或軋制)H型鋼門架構成，柱腳常設計為鉸接或剛接，維護結構通常采用壓型鋼板作為輕型外墻和屋面。變截面的焊接H型鋼門式剛架通常將構件腹板制成楔形，只改變腹板寬度，不改變腹板厚度、翼緣的寬度和厚度[3]。依據剛架的彎矩分布特點，門式剛架柱一般由一個楔形構件組成，而梁則由幾個楔形構件組成。輕型門式剛架結構體系具有施工速度快、安裝方便、造型輕盈美觀、造價低廉等諸多優點，近年來已經成為單、多層工業廠房、倉儲庫房和大跨輕鋼結構的主要形式之一。
　　3.4巨型梁設置
　　巨型梁的設置對整個巨型鋼結構的抗震性能影響很大，是巨型鋼結構抗震設計中的一個重要問題。巨型梁的數量不是越多越好。此外巨型梁數量要保證結構具有足夠的抗側剛度，且要考慮巨型梁柱線剛度，使其相差不能太大，以利于抗震。在地震動作用下巨型梁位置的改變對結構的反應影響較大，而從反應譜分析中并未看出巨型梁位置改變對結構反應的影響。
　　通過試驗研究，將四種經典穩定判別準則中的初始缺陷準則應用于非線性有限元分析，提出了研究非線性分叉失穩的初始微小缺陷法。通過分析研究證明了初始微小缺陷法是易行的和符合實際的，揭示了初始微小缺陷是實際結構存在非線性分叉失穩的真正原因，指出在研究肘形剛架時，必須考慮其非線性分叉問題才能全面地了解它的穩定性能。
　　4對抗震設計要求
　　4.1對鋼材性能的要求
　　1）抗側力結構的鋼材宜采用等級為B級的Q235碳素結構鋼和Q345低合金高強度結構鋼，其質量應分別符合國家標準《碳素結構鋼》（GB/T700）和《低合金高強度結構鋼》（GB/T1951）的規定。當有可靠根據時，也可以采用其它鋼種和鋼號的鋼材。其性能應符合下列要求：
　　①鋼材的抗拉強度與屈服強度的實測值之比不應小于1.2；
　　②鋼材的伸長率應大于20%，且應有明顯的屈服臺階；
　　③鋼材應有良好的焊接性和合格的沖擊韌性；
　　④偏心支撐框架中的耗能連梁不得采用屈服強度高于345N/mm2的鋼材。
　　2）采用焊接連接的節點，當板厚不小于40mm，且沿板厚方向承受拉力作用時，應對該部分鋼材提出沿厚度方向受拉試件破壞后的斷面收縮率的附加要求，該值不得小于現行國家標準《厚度方向性能鋼板》（GB/T5313）規定的Z15級的容許值。
　　3）用于抗震設計類別C類以上的抗側力體系鋼結構中的所有坡口全熔透焊縫的填充金屬，其零下30℃的夏比沖擊功應大于或等于27J。
　　4.2對結構布置的要求
　　1）建筑設計應符合抗震概念設計的要求，不應采用嚴重不規則的設計方案。即在進行房屋的平、剖、立面設計和結構體系布置時，應盡可能做到建筑體形簡單、平面規則對稱，同時建筑中抗側力結構的布置應盡可能的均勻、對稱，使建筑各樓層的總體剛度中心盡可能與樓層的質量中心相重合或相接近，并應盡可能使房屋的剛度和質量沿豎向均勻連續、沒有突變。
　　2）鋼結構建筑宜避免采用不規則建筑結構方案，不設防震縫。若房屋必須采用比較復雜的平面形狀時，則宜用防震縫將房屋劃分為幾個平面規則、對稱的獨立單元，為了避免地震時各部分之間相互碰撞，防震縫的寬度應不小于相應鋼筋混凝土結構房屋的1.5倍。
　　4.3對結構設計的要求
　　1）在進行結構設計時，應根據建筑的抗震設防類別、抗震設計烈度、建筑高度、場地條件、地基、結構材料和施工等因素，經技術、經濟和使用條件綜合比較，選擇合適的結構體系。
　　2）結構體系應有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑，可考慮多道抗震防線。宜使結構在兩個主軸方向的動力特性相近，并盡量使其基本自振周期遠離場地的特征周期，以防止共振，減小地震作用。
　　3）應避免因部分結構或構件破壞而導致整個結構喪失抗震能力或對重力荷載的承載能力。例
　　如，框架結構應設計成強柱弱梁型，以防止形成柱子倒塌結構。
　　5結語
　　鋼結構成本高。但是鋼結構比混凝土結構建設速度要快50%，這會節省很多時間成本。而且建筑整體重量也比混凝土結構輕50%以上，這樣基礎處理、運輸量的成本都會下降。此外，鋼結構柱子的截面小，可以增加5%的空間面積。理想狀況下會與混凝土建筑成本持平，最差也不會超過15%。這是我們可以接受的。我國著名鋼結構專家、國家鋼結構工程技術研究中心總工程師侯兆欣說，“鋼結構應成為重建家園的最佳選擇。”總之，可以相信，隨著鋼結構抗震設計研究的不斷進步，在不久的將來，會有越來越多讓人們“信得過”的鋼結構建筑問世。
　　參考文獻
　　[1]崔輝輝等，支撐布置方式對具水平加強層全鋼高層結構抗震性能的影響分析[J].福建建筑，2008(9).
　　[2]高軒能、李琨，變截面門式剛架地震反應研究進展[J].四川建筑科學研究，2008(6).
　　
　　[3]徐國林等，巨型梁設置對巨型鋼框架結構地震反應的影響[J].地震工程與工程振動，2008(6).