高层钢结构Word文件下载.docx

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性能抗震设计需要估计结构的非线性性态，通常有两种方法可实现这一过程:

非线性动力时程分析法（弹塑性时程分析）和静力非线性分析法（推覆分析）。

非线性动力时程分析法从理论上讲是结构抗震分析较可靠的方法。

但是，它对地震动输入较为敏感，且分析技术复杂、计算工作量大，设计师很难对结果进行处理，因此这种分析方法难以在设计中广泛应用。

而静力非线性分析法既考虑了计算的简便性，同时也考虑了构件的弹塑性性能，随着基于性能的设计思想在结构抗震设计中的逐步推广和应用，该方法己经成为当前结构抗震研究的前沿课题之一。

2、高层钢结构抗震设计的研究现状

2、1高层钢结构的抗震设计

高层钢结构房屋由于钢材的材质均匀，强度易于保证，所以在地震作用下，结构的可靠性大;

而材料轻质高强的特点使得钢结构房屋的自重轻，从而减小所遭遇的地震作用;

其良好的延性使结构在很大的变形下仍不致倒塌，从而保证结构在地震作用下的安全性。

但是，由于地震的随机性和实际工程的复杂性，未能避免诸如结构平面和剖面的不规则性，以及沿竖向的刚度突变和强度突变等结构方案，潜伏着结构的薄弱部位和遭受破坏的可能性。

虽然钢结构具有较好的延性，相对于钢筋混凝土结构的破坏程度要小，但还是难以避免连接节点的开裂、支撑的压屈等破坏，如在阪神地震中还发生柱子脆性断裂等震害[12]。

因此，需要在总结震害经验的同时，开展科学研究，逐渐完善钢结构设计。

目前，高层钢结构的抗震设计主要是基于承载力的设计方法，包括线性（弹性）和非线性（弹塑性和其它非线性性质）的设计方法，分别可以通过静力和动力分析过程得以实现，针对不同的设计阶段，可根据不同的结构体系和不同的设计要求选取适宜的分析方法，如振型分解法，时程分析法等。

弹性抗震设计可以保证结构在多遇地震下的正常使用功能，可以确定在设计地震下结构的强度、变形等是否满足规范的要求，并为此阶段的结构设计提供直接可靠的依据。

弹塑性抗震设计可以防止结构在罕遇地震作用下失效，相对于弹性抗震设计而言，可以体现出更多的结构抗震性能，如更加真实地估算结构的地震反应、更加准确地判断结构的薄弱层和薄弱杆件、以及楼层刚度突变等信息。

实现两阶段的抗震设计所涉及到的具体抗震分析方法主要有以下几种:

1.反应谱法

2.时程分析法

3.静力非线性分析法

2.2高层钢结构的减震设计

传统结构抗震设计主要致力于保证结构自身具有一定的强度、刚度和延性，以满足一定的抗震设计要求。

这种设计，结构处于被动抵御地震作用的地位，因此，是一种消极的抗震方式。

为使结构更有效地抵抗地震作用，各国研究者一直在积极寻找新的结构抗震设计途径，以隔震、减震为技术特点的结构抗震新技术，便是这种努力的结果。

高层建筑设计中，侧向刚度是主要考虑的因素，能准确判断结构侧向刚度的参数为水平位移指标，即建筑顶端最大位移与建筑总高度之比。

高层建筑钢结构的刚度相对较小，其地震反应控制按照传统方法仅靠增加结构自身的水平刚度和阻尼是很不经济的，有时甚至是无法做到的，所以难以达到既满足安全性、使用性等要求又满足社会和经济等方面的要求，而结构振动控制突破了传统的设计方法，使仅依靠增加结构本身性能来抵抗动力荷载的方法发展为由结构振动控制体系能动地控制结构的动力反应。

耗能减振（震）技术作为一种有效的结构被动控制方法在近二十年来得到了长足的发展。

耗能减震器的类型也在不断增多。

目前，根据耗能机理的不同可以分为:

金属阻尼器、摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器、粘滞阻尼器和复合型阻尼器。

粘弹性阻尼高层钢结构基于性能的抗震设计方法研究这些耗能装置在强烈地震作用下率先进入非弹性状态，产生较大的阻尼，大量消耗输入结构的振动能量。

采用耗能减震装置的高层钢结构的抗震计算模型需对耗能减震装置按结构构件对待，采取合适的结构单元进行模拟。

一般情况下，宜采用非线性时程分析法和静力非线性分析法，但当主体结构基本处于弹性工作阶段时，也可采用线性分析法简化估算，并根据结构变形特征和高度等，分别采用底部剪力法，振型分解反应谱法和时程分析法进行抗震计算。

第二篇高层钢结构抗震设计的研究现状

基于性能的抗震设计理论的目的就是在未来抗震设计中，在不同强度水平地震作用下，能够有效地控制建筑物的破坏状态，使建筑物实现明确的不同性能水准，从而使建筑物在整个生命周期内，在遭受可能发生的地震作用下，总体费用达到最小的目标。

2.1高层钢结构性能水准的综合描述

根据结构的破坏特征和我国《建筑地震破坏等级划分标准》，同时参考国内外结构性能水准划分标准[5]，把高层钢结构的性能水准分为五个等级，对应五个性能等级的结构破坏程度的描述见下表2-1。

这五个等级能够比较全面地反映结构在地震作用下破坏的性能状况。

表2-1中性能水准所对应的“基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏、基本倒塌”五种破坏状态与《建筑抗震规范》（2001）中的“不坏、可修、不倒”三个等级相比，五个等级划分较细、应用和评估比较容易，其中，“不坏”相当于“基本完好”;

“可修”相当于“中等破坏”;

“不倒”相当于“严重破坏”。

表2-1高层钢结构性态水准及其综合描述

2.2高层钢结构性能水准的量化

为了使基于性能的抗震设计理论能够应用于实际结构的抗震设计中，需要在定性研究的基础上使之达到定量化的程度。

为此，在划分了高层钢结构性能水平之后，需要进一步确定采用什么参数对各性能等级的损坏极限状态进行量化。

国内外学者曾提出过许多参数来量化建筑结构的震害水平，包括强度指标、变形指标、能量指标、低周疲劳指标、变形指标和能量双重指标等，但目前许多学者认为，尽管结构性能由某个参数来划分可能不尽完善，但是基于位移（变形）来划分结构性能水平是方便实用的。

因为变形（或位移）比强度（或承载力）更能体现结构在地震作用下的性能;

变形指标不仅可以较好地体现结构构件的损伤程度，如同结构性能有关的三个主要设计参数，强度、刚度（变形）、延性，一般都可以通过与变形相对应的刚度来调整，而且变形指标还能够用以控制非结构构件的性能水平[72]。

同时，在高层建筑设计中，侧向刚度是主要考虑因素，而能准确判断建筑侧向刚度的参数为水平位移指标（建筑顶端最大位移与建筑总高度之比）。

因此，从工程实用角度，采用变形指标（转角、位移角等）来对各种性能水平的损伤极限状态进行量化是比较合适的。

1.变形限值所考虑的因素

在基于性能的结构抗震设计理论中，要考虑建筑结构构件在未来外荷载作用下的变形与破坏，也要考虑建筑非结构构件的损伤以及装修等级等因素。

如果高层钢结构的变形过大，将会产生很大的p-△效应，将引起建筑装修材料的破损以及非结构构件的严重破坏，这样可能会造成修复费用过高或人员伤亡。

不同性能水准的变形限值须同时考虑结构构件及非结构构件可能发生的损坏情况。

如果结构的侧向变形过大时，对于较高的性能水准，一般必须同时控制结构和非结构构件的损坏程度，而对于较低的性能水准，如中等破坏和生命安全这两个性能水准，往往是结构构件的破坏程度起控制作用。

2.目前国内外规范对于变形限值的规定

（1）中国规范1985年以前，我国高层建筑大都采用钢筋混凝土结构，故对钢筋混凝土结构层间位移的计算和限值的研究较多[12.131，而对钢结构方面的研究较少。

GBJ11-89《建筑抗震设计规范》中没有钢结构部分。

2001年修订的GB50011-2001《建筑抗震设计规范》加入了钢结构部分。

其中弹性和弹塑性层间位移限值的取值参照了日本和美国加州规范。

多、高层钢结构体系地弹性层间位移角限值的选取参照美国加州规范（1998）对基本自振周期大于0.75s的结构的规定，取为1/300，弹塑性层间位移角限值的选取考虑到钢结构具有较好的延性，并参照美国规范，取为1/501侧a1/50['

3]

（2）美国规范有关变形验算的规定高层钢结构具有较高的变形能力，美国ATC-06规定，II类地区危险性建筑（容纳人数较多），层间最大位移角限值为1/67;

美国AISC房屋钢结构抗震规定（1997）中规定，与小震相比，大震时的位移角放大系数，对双重抗侧力体系中的框架一中心支撑结构取5，对框架一偏心支撑结构取4。

如果弹性位移角限值为1/300，则对应的弹塑性位移角限值分别为1/60和1/751'

31。

美国IBC2000规范中的位移限值为弹塑性位移限值，对一般钢结构要求不超过1/50，而对于不同钢结构体系（如中心支撑、偏心支撑等）的弹性层间位移限值均在1/200左右。

大多数美国规范都明确表明他们提供的抗震设防标准是确保生命安全（Life-satelevel）的最低要求，而不是确保结构免遭破坏。

其采用的设计地震在50年内的超越概率为10%（地震重现期为475年），该地震的强度水平正好相当于我国现行抗震设计规范规定的基本烈度。

在这个“中震”水平的地震作用下，美国规范允许结构进入弹塑性状态。

与设计原则相对应，其规范规定用于设计地震下变形验算的层间位移为在设计地震作用下按照弹性分析所得到的层间弹性位移乘以弹塑性位移增大系数以考虑塑性变形的影响。

可见美国规范在设计地震

下的变形验算已经是弹塑性变形验算，与我国规范小震下的弹性变形验算不同，其层间位移角容许值1/250或1/200会比我国规范所规定的限值大

（3）日本有关规范的规定日本建筑标准法规采用双水准的抗震设计原则，第一水准抗震设防是以中等强度地震为对象，其对应的地表有效加速度峰值大约为80-100ga1。

该法规规定钢结构的层间位移角限值为1/200，目的是防止非结构构件严重破坏或脱落而可能引起疏散口堵塞或直接对人员造成伤害。

日本建筑学会的设计指南对罕遇地震下的弹塑性变形验算做出了建议。

具体见表2一3

表2-2日本有关规范对抗弯钢框架所规定的层间位移角限值

（4）欧洲规范的有关规定欧洲规范（Europcode8）的设防标准与美国规范UBC相似，也是采用重现周期为475年的地震作为设计地震，用于变形验算的层间位移也在弹性分析值的基础上乘以一个与结构的延性能力有关的位移性能系数。

不同国家规范对层间位移角限值的规定存在较大的差异，这主要是因为层间位移限值是控制高层建筑结构的一个重要指标，其取值是根据本国的设防目标、计算方法、材料性能及施工构造等因素综合考虑的。

表2-3列出了国内全钢结构工程实例中不同结构体系的层间位移角计算值。

从表中可以看出弹性层间位移角基本能满足弹性位移验算的限值1/300;

罕遇地震作用下弹塑性层间位移角距规定的限值1/50尚有一定的距离。

3.不同性能水准下设计位移的建议取值

根据当前国内外的规范中的对变形限值的规定以及工程实例的计算结果，本节将量化不同性能水准下结构的变形限值。

表2-3全钢结构中不同结构体系的水平位移计算值

（1）性能水准为“充分运行”时变形限值的选取性能水准为“充分运行”，主要是为了保证震后设备继续实行其功能，建筑构件与非建筑构件可能有轻微的破坏，但建筑结构完好，功能不受影响。

而目前我国的《建筑抗震规范》GB50011-2001中验算“小震”下结构的层间位移是为了保证建筑物能完全履行其设计功能，结构及非结构构件不受损坏或只受到轻微损坏。

该水准对应的“基本完好”破坏状态与目前抗震规范规定的“小震不坏”是相当的。

因此，可以偏于安全地选取此水准对应的变形限值为验算小震下的层间弹性位移角限值，即1/300。

另外，从表2.3中也可以看出，一些实际高层钢结构保持弹性工作状态时的最大层

间位移角均小于1/300。

（2）性能水准为“基本运行”时变形限值的选取该水准要求震后结构的关键和重要物品以及室内物品免遭破坏，结构可能损坏，但经一般修理或不需修理仍可继续使用，结构的主要功能可以修复。

这种“中等破坏”的状态与我国抗震规范中设防目标“中震可修”要求建筑物可能有一定损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用的“可修”状态基本相当。

前面在介绍国内外规范对变形限值规定的过程中曾分析过，美国和日本的规范在地震强度水平正好相当于我国现行抗震设计规范规定的基本烈度也就是“中震”水平地震作用下所规定的钢结构层间位移角限值为1/200，本文对大量钢框架模型进行的Pushover分析和弹塑性时程分析的计算结果表明，当结构的最大层间位移角在1/200^-1/152时，结构构件发生的破坏属于“中等破坏”性能水准的宏观描述，建议将性能水准为“基本运行”时对应的变形限值取为1/1500。

（3）性能水准为“生命安全”时变形限值的选取该性能水准要求主体结构有较重损坏但不影响承重，非结构可能坠落，但不致伤人，生命安全仍能保障，此时，结构的局部功能可能丧失。

这种“严重破坏”的状态与目前我国抗震规范规定的建筑物在遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震影响时，建筑物不致倒塌或发生危及生命的严重破坏的“大震不倒”的要求相当，因此，可以取此性能水准所对应的变形限值为罕遇地震作用下弹塑性层间位移角限值1/50。

表2-4显示了高层钢结构的一些性能水准与对应的结构层间位移角限值。

表2-4高层钢结构性态水准与变形限值建议值

2.3地震设防水准

基于性能的抗震设计追求能控制结构在可能发生的所有地震作用下的性能水准，为实现这一目标，需要根据不同重现期确定所有可能发生的对应不同水准或等级的地震动参数，这些具体的地震动参数即成为“地震设防水准”。

它是指工程设计中如何根据客观的设防环境和已定的设防目标，并考虑具体的经济条件来确定采用多大的地震强度作为防御的对象，地震设防水准与一个国家的经济、技术以及传统设计习惯等多学科因素相关，因此各国设防水准不尽相同。

本文选用我国目前抗震规范中的“小震”“中震”和“大震”三个设防水准，它们是在全国基本烈度设防区划图的基础上，采用概率的方法确定的（94l，具体见表2-5.

表2-5三级地震设防水准

2.4高层钢结构性能目标的建立

结构的性能目标是指对所设计的建筑物在每一个设计地震水平下所要求达到的性能水准的总和。

性能目标的建立应根据建筑物的使用要求、功能要求的重要性、经济性（伤亡、财产损伤、业务中断、震后修复）和其它因素（如文化历史遗迹）等综合因素来考虑[[8s]。

本文在上述结构性能水准和地震设防水准的基础上，参考国内外对结构性能目标的划分，根据建筑物的重要性和使用功能，建立高层钢结构性能目标，划分为以下几个层次，见表2-6.

表2-6高层钢结构性能目标

性能目标A:

小震和中震都满足性能水准“充分运行”的要求，大震下满足性能水准“运行”。

该水准代表结构最高的性能要求，相当于“大震不坏”的设防原则。

对于目前《抗震规范》中的规定的甲类建筑，地震中和地震后其使用功能不能中断或存放大量危险品或有毒物品的建筑，可以用此性能目标。

性能目标B:

小震下满足性能水准“充分运行”的要求，中震下满足性能水准“运行”，大震下满足性能水准“基本运行”的要求。

该水准代表了结构较高的性能要求，相当于“中震不坏，大震可修”的设防原则。

对于乙类建筑，在震后短期内恢复或对震后运行起关键作用的重要建筑，可采用此性能目标。

性能目标C:

小震下满足性能水准“充分运行”的要求，中震下满足性能水准“生命安全”，大震下满足性能水准“接近倒塌”的要求，该水准代表了结构较低性能要求，相当于我国现行抗震设计规范中规定的“小震不坏，中震可修和大震不倒”的设防原则。

对于丙类建筑，一般的工业与民用建筑可采用此类性能目标。

性能目标D:

小震下满足性能水准“基本运行”的要求，中震下满足性能水准“生命安全”，大震下满足性能水准“接近倒塌”的要求，该水准代表了结构最低的性能要求，相当于“小震可修和中震不倒”的设防原则。

对于次要的建筑，如遇地震破坏时无生命危害和不易造成严重的经济损伤的建筑可采用此类性能目标。

从性能目标中可以看出:

性能目标A和性能目标B代表了结构最高和较高的性能要求，性能目标C和性能目标D则代表了结构较低和最低的性能要求。

因此，该性能目标的划分可以较为全面的反映结构不同等级的性能水能。

2.5耗能减震技术与高层钢结构性能目标的实现

基于性能抗震设计的特点是使抗震设计从宏观定性的目标向具体量化的多重目标过渡，业主可以按工程实际情况选择所需的性能目标，在抗震设计中更强调实施性能目标的深入分析与论证，这样有利于建筑结构的创新，使用新的结构体系，采用改变结构抗震功能的新材料和新技术。

耗能减震技术便是这种新技术中的典型代表，它区别与传统抗震技术、通过在结构中设置耗能装置，消耗了大量的地震能量，大大减轻了结构的变形和损伤，因此，成为提高建筑结构抗震安全性的新的更加灵活有效的途径。

近年来，耗能减震技术已经成功地应用于世界多幢土木结构中，己成为提高新建结构抗震能力或已有结构抗震加固的重要措施。

实际工程均表明，耗能减震装置将结构的振动能量转化为热能耗散，有效地降低了结构的地震反应，不仅能防止结构自身的破坏，还可以保护结构内部设施的安全。

日本在阪神地震后十余年里建造的高层钢结构几乎全部按制震方法设计，采用了各种减震耗能的技术，广泛采用滞回型阻尼器如屈曲约束型支撑、承剪板、液压阻尼器以及其它粘滞性阻尼器在结构工程中推广和应用。

耗能减震技术的运用为实现性能目标提供了切实可行的技术手段，可以实现更高级别的性能目标。

因此，要真正实现基于性能的结构抗震设计，探索有效的结构抗震性能控制措施是十分必要的。

第三篇粘弹性阻尼高层钢结构基于性能的抗震设计方法

本文第二篇曾论述了耗能减震技术与高层钢结构性能目标的实现关系。

如要实现较高等级的性能目标A、性能目标B，或达到普通的性能目标c，均可以通过在结构中加设粘弹性阻尼器来实现，而不同级别的性能目标，又可以通过调整粘弹性阻尼器的参数和数量来控制。

因此，粘弹性阻尼减震技术对高层钢结构实现基于性能的抗震设计提供了切实可行的技术手段。

目前基于性能的设计实际上是基于位移的抗震设计，由于结构构件在地震作用下的破坏程度与结构的位移响应和结构的变形能力有关，因此，用位移控制结构在大震作用下的行为（performance）更为合理，基于位移的抗震设计是指在一定水准的地震作用下，以结构的位移响应为目标进行设计，使结构达到该水准地震作用下的性能要求。

在具体实现途径上，可大致归纳为三种方法:

按延性系数设计的方法、能力谱方法和直接基于位移的方法。

能力谱法是当前研究较为深入和应用较为普遍的方法。

该方法对于提高结构计算与设计效率、考察结构开裂或屈服过程、分析结构倒塌过程、计算并评估结构抗震能力、指导并改进结构设计具有重要作用，是基于性能的抗震设计方法的有力工具。

本文第四章己经研究了使用能力谱法分析粘弹性阻尼高层钢结构的一些关键问题，本章将以前述章节内容为基础，探讨粘弹性阻尼高层钢结构基于性能的抗震设计方法。

设计基本要求

粘弹性阻尼高层钢结构基于性能的抗震设计包括概念设计、抗震计算与构造措施三方面的内容与要求。

在概念设计上主要强调以性能目标为基础，在抗震计算上主要是以基于位移的方法作为结构的计算分析方法，而在构造措施上则需要着重考虑结构构件与粘弹性阻尼支撑构件之间的连接等问题。

高层钢结构安装粘弹性阻尼器后，可以更好地实现不同级别的性能目标，如第二章所述的性能目标A,B和c。

在上述性能目标下，粘弹性阻尼高层钢结构的设计应符合以下一些要求[14]

1.结构的基本要求

I）由于粘弹性阻尼器不改变结构的基本形式，除粘弹性阻尼装置外的结构构件仍可以按《抗震规范》中相应结构类型的要求进行设计，使其具备传统结构抵抗使用荷载的一切功能;

2）粘弹性阻尼高层钢结构在基本设计地震烈度下应保持弹性，除阻尼器外，其它构件也应具有较好的延性，满足《抗震规范》的要求;

3）粘弹性阻尼高层钢结构的平、立面布置以及主体结构的材料和施工应满足《抗震规范》的要求;

4）粘弹性阻尼高层钢结构的总高度和层数可按国家标准《高层建筑钢结构设计与施工规程》的规定降低一度来考虑;

5）粘弹性阻尼器与支撑构件的连接，应符合钢构件连接的构造要求，并能承担粘弹性阻尼器施加给连接节点的最大作用力。

2.阻尼器及其支撑的基本要求

1）由于粘弹性阻尼器受环境温度和振动频率等因素的影响较大，因此，应选择在使用环境和结构振动频率范围内性能良好的粘弹性材料，如材料的剪切储能模量应尽可能小，而剪切损耗模量和损耗因子应尽可能大，损耗因子的峰值温度应尽量靠近环境温度。

2）粘弹性阻尼器应构造简单、施工方便;

具有优良的耐久性能和较好的易维护性;

还应具有良好的变形跟踪能力，以确保在强震作用下不会出现失稳现象;

3）粘弹性阻尼器及支撑的布置需综合考虑结构类型、建筑功能、美学效果以及施工等方面的要求，应对支撑形式及连接方式进行专门设计和研究，使之成为合理有效的受力体系并且更加符合实际工程的需要。

具体为:

在建筑上，应注重粘弹性阻尼器对结构空间使用功能及立面造型的影响:

在结构受力上，宜在结构层间变形较大的位置或薄弱部位设置，每一层布置时应尽量使结构的刚度中心与质量中心重合，以减小结构在地震作用下的扭转效应，并使粘弹性阻尼器充分发挥消能减震的作用;

在施工要求上，应尽可能降低支撑的数量，以减少其对建筑正常使用的影响。

图5-1显示了一些工程中，粘弹性阻尼器安装在结构体系中的不同型式

图5-1粘弹性阻尼器安装在结构体系中的不同型式

设计步骤

基于性能的抗震设计一般以结构的位移为指标，在设计中主要采用层间位移角作为满足性能目标的控制函数，当结构的层间位移角满足了结构性能目标所对应的层间位移角限值，即认为结构满足了所要求的性能水平，然后在此基础上进行结构设计;

否则，应当继续循环设计，直到满足性能目标为止。

1.确定建筑物的性能目标

结构性能目标的选取，需要综合考虑场地和建筑物的性能与重要性、投资与效益、震后损失与恢复重建、潜在的历史或文化价值、社会效益与业主承受能力等诸多要素。

本文第二章建立了高层钢结构的四级性能目标，可以根据建筑物的重要性和使用功能来选择合适的性能目标。

2.对主体结构的进行分析和初步设计

一些实际工程经验表明[1113,1114]，对于主体结构可以按照降低一度的标准来设计。

初步设计后的结构可以进行基于能力谱法的分析并进行性能评价，从得到的层间位移角和结构的薄弱部位、破坏机制等信息来确定结构当前所属的性能目标，并与要达到的性能目标进行比较，进而初步预估结构所需的阻尼比和确定阻尼器的安放位置。

3.确定达到性能目标时所需的阻尼比

目标阻尼比可以根据经验选取。

一些研究表明在严格的室温25℃时，对于粘弹性阻尼结构，当阻尼比设计成15%时，对于任何地震地面运动和任何结构，都能有效地减小地震反应。

4．设计粘弹性阻尼器及支撑

（1）粘弹性阻尼器