耗能減震鋼結構設計體系初探

王春浩 陜吉祿

前言

近年來相繼在汶川、海地、智利、日本等地發生的大地震，無不說明當前全球正處于地震多發活躍期，中國處于太平洋與歐亞板塊交界處，屬于發生大地震頻繁區域，而建筑災害則成為地震災害中最具破壞和殺傷力的災害。在當今地震預報難以取得突破的背景之下，加強建筑抗震是根本!當前我國現存建筑結構主要包括磚混結構、鋼筋混凝土結構、鋼結構以及少量的木結構。而多次震害調查顯示，常見的幾種建筑結構，抗震性能從低到高依次排序為：土木結構、磚混結構、底框架結構、框架結構、框架-剪力墻結構、剪力墻結構、鋼結構。鋼結構以其強度高、自重輕、延性好成為了抗震性能最優良的建筑結構形式，其在地震中的受損率遠低于其它結構形式[1]。2010年智利發生8.8級特大地震，其死亡人數僅有452名。距離震中僅90公里的便是智利第二大城市康塞普西翁市，盡管人口稠密，但造成的傷亡卻很少。其原因就是很多居民建筑都是鋼結構，抗震能力很強。有關調查表明，我國鋼結構住宅的比例不足5%，而發達國家一般都在40%以上，日本這一比例更是接近50%，這說明我國的鋼結構有很大的發展空間。

一、常見的鋼結構體系種類及特點

目前國內外常用的鋼結構體系主要有：冷彎薄壁型鋼體系、框架體系、框架支撐體系、框架剪力墻體系、交錯桁架體系。傳統鋼結構體系各有優缺點及適用范圍，但是在抗震性能方面，都存在不足之處。

1．鋼結構體系種類及特點

（1）冷彎薄壁型鋼體系

構件用薄鋼板冷彎成C形、Z形構件，可單獨使用，也可組合使用，桿件間連接采用自攻螺釘。冷彎薄壁型鋼體系以冷彎薄壁型鋼作為基本承重桿件，是一種新型的輕鋼結構建筑體系，其結構強度高、重量輕，其重量是普通混凝土結構的1/3左右，并能滿足大開間的需要，使用面積比鋼筋混凝土住宅提高10%-15%左右。該體系通常設計成密肋柱并用木質板材蒙皮的板肋構造，這種構造整體性能好，不易被地震力所破壞。但這種體系節點剛性不易保證，抗側能力較差，一般只用于1～2層住宅或別墅。

（2） 框架體系

目前，這種體系在多層鋼結構住宅中應用最廣。縱橫向都設成鋼框架，門窗設置靈活，可提供較大的開間，便于用戶二次設計，滿足各種生活需求。該體系具有受力明確，平面布置靈活，便于大開間的設置，可充分滿足建筑布置要求的特點；同時制作安裝簡單，施工速度較快。鋼框架考慮樓蓋的組合作用，運用在低多層住宅中，一般都能滿足抗側要求。鋼框架體系主要由梁、柱構件剛接而成，依靠梁、柱來承受豎向荷載和水平荷載。但是由于目前框架柱以H型鋼為主，弱軸方向梁柱連接的剛性難以保證，因此設計施工時須慎重處理。此種結構體系側向剛度較小，抗震性能差，建筑成本較高。

（3）框架支撐體系

在風載或地震作用較大區域，為提高體系的抗側剛度，增加軸交支撐或偏交支撐效果很好。這種體系為多重抗側體系，而且梁柱節點、柱腳節點可設計成鉸接、半剛接，施工構造簡單，基礎主要承受軸力，體形較小，因此成為人們青睞的對象。當結構產生層間變形時，支撐承受水平力，從而使體系獲得比純框架結構大得多的抗側力剛度，減少建筑物的層間位移。該體系用鋼量相對較大，由于支撐桿件的存在往往影響墻體和門窗的布置。但此種結構因體系延性小、耗能能力也小。地震荷載作用下，支撐中的受壓桿件容易發生壓屈失穩，致使整個結構體系承載力降低并產生較大側移。該體系主要是利用結構主體耗能，最終將導致主要結構桿件塑性變形過大，難以修復。

（4）框架剪力墻體系

包括鋼筋混凝土剪力墻和鋼板剪力墻兩種形式,一般用在低多層住宅中。此結構體系中，框架為主要承重骨架，剪力墻為結構的主要抗側力體系。國外剪力墻多采用組合剪力墻，即在薄壁鋼板剪力墻兩側增加混凝土板，混凝土板防止鋼板的平面外屈曲，提高剪力墻的強度和耗能能力。此種體系中剪力墻屬于剛性結構，而鋼框架屬于柔性結構，在地震作用下，剪力墻承擔了絕大部分的水平力，有時高達90%，即使將鋼框架做得較強，也難以從根本上改變這種局面，這種體系的二道防線的抗震能力很弱。

（5）交錯桁架體系

交錯桁架結構體系的骨架由房屋外側的柱子和高度為層高、跨度等于房屋寬度的桁架組成。在相鄰柱上為上下層交錯布置，樓板一端支承在桁架上弦桿，另一端支承在相鄰桁架的下弦桿。垂直荷載則由樓板傳到桁架的上下弦，再傳到外圍的柱子。該體系利用柱子、平面桁架和樓面板組成空間抗側力體系，具有平面布置靈活、樓板跨度小、結構自重輕、經濟實用、高效的特點。該體系橫向可看成是支撐框架，縱向則可看成是無支撐框架，結構計算時可從橫向和縱向分別單獨對待。該結構體系在強震作用下的抗震性能很差，由于腹桿較早出現非彈性變形導致桿件承載力及剛度突然減小。

綜上所述，不同的鋼結構體系設計都存在一些問題，在強震作用下都體現出一定的弱點，而每一次結構設計的調整，都以建筑成本的大幅加高為代價。越來越多的事實表明，在當前地震災害造成的人員傷亡顯著下降的背景下，所付出的經濟代價卻令人震驚。例如，1989年美國加州洛馬普里埃塔M7.1級地震，死亡63人，經濟損失為100億美元；1994年，加州北嶺M7.1級地震，死亡73人，經濟損失達到200億美元；1995年，日本阪神M7.1級地震，傷亡5500多人，經濟損失達到創紀錄的1000億美元，震后的基本恢復重建工作花費2年，耗資近1000億美元；2010年我國青海玉樹M7.1級地震，死亡2698人，失蹤270人，經濟損失達1000億美元[2]。與此相比，我國1976年唐山M7.8級大地震的經濟損失僅為50億美元。

2.淺析鋼結構耗能減震設計[3]

傳統鋼結構體系是通過加強結構側向剛度以滿足抗震要求的，但結構越強剛度越大，地震作用也越大。這對于高層、超高層鋼結構，會造成嚴重的制約。而耗能減震抗震設計則是把鋼結構的某些非承重構件設計成耗能構件，或在鋼結構的某些部位 (節點或聯結)安裝耗能裝置。在風荷載或輕微地震時，這些耗能裝置仍處于彈性狀態，結構具有足夠的側向剛度以滿足正常使用要求。在強地震發生時，隨著結構受力和變形的增大，這些耗能裝置將率先進人非彈性變形狀態，即耗能狀態，產生較大的阻尼，大量消耗輸入結構的地震能量，減小結構的地震反應，保護主體結構在強地震中免遭破壞。

在傳統鋼結構抗震設計中，由于鋼結構本身阻尼比很小，依靠結構阻尼耗散的地震能量非常有限。為了終止地震反應，只能依靠主體結構產生大量的塑性變形來吸收地震能量，但是這樣必然導致主體結構的嚴重破環，甚至倒塌。而在鋼結構耗能減震抗震設計中，通常將阻尼器與支撐串聯組成耗能裝置。在地震作用下耗能裝置率先進入工作狀態，大量消耗輸入結構的地震能量。這樣既可以保護主體結構免遭破壞，又可以迅速衰減地震反應，確保結構的安全。基于性能的抗震設計方法要求結構在不同的地震風險水平下滿足不同的性能水平要求，而耗能減震鋼結構通過改變耗能裝置的參數和數量可以方便的控制結構的地震反應，從而實現不同的性能目標。因此將基于性能的抗震設計方法和耗能減震技術相結合，具有重要的現實意義。

鋼結構耗能減震設計形式與鋼框架-中心支撐形式基本相同，但其支撐構件并非中心支撐而是耗能支撐，耗能支撐與主體結構之間一般通過螺栓或焊縫連接。該耗能體系一般可在傳統的結構主體上實現。比如在傳統的鋼框架體系上去掉填充墻，將耗能裝置安裝在結構當中；將鋼框架-中心支撐體系的中心支撐換成耗能支撐；鋼結構耗能減震設計不適合采用鋼框架-偏心支撐的形式，原因就是該體系主要是利用主體結構來耗能的，其主梁在強烈地震作用后一般會產生較大的塑性變形而難以修復；而對于鋼框架-剪力墻體系，可以將剪力墻去掉，換成耗能支撐；對于交錯桁架體系，則可將耗能支撐直接交錯布置在桁架上即可。

3.鋼結構耗能減震設計的優勢

（1） 安全性

由于耗能減震設計模式設有非承重耗能構件或耗能裝置，因而具有很大的耗能能力，在地震中能率先進入耗能工作狀態，消耗地震能量及衰減結構的地震反應，保護主體結構和構件免遭損壞，從而確保結構在強地震中的安全性，而且震后易于修復或更換，使建筑結構物迅速恢復使用。

（2） 經濟性

傳統鋼結構體系主要通過加強結構、加大斷面等途徑提高建筑的 “硬性抵抗”結構抗震性能，使結構的造價明顯提高。鋼結構減震體系是通過 “柔性消能”來減少結構地震反應，可以減小構件斷面，而其抗震性能反而提高。

（3）技術合理性

耗能構件或裝置屬 “非結構構件”，即非承重構件，其功能僅是在結構變形過程中發揮耗能作用，對結構的承載力和安全性不構成任何影響或威脅。所以，耗能減震結構體系在技術上安全可行。

汶川地震、玉樹地震及歷次地震震害均證明，鋼結構具有良好的抗震性能。當前，大眾也認識到了居住建筑安全的重要性，因此從設計規范上盡快出臺耗能減震鋼結構結構設計規范，使耗能減震鋼結構能進入一個快速、良性發展階段。

[1]李國強等.從汶川地震災害看鋼結構在地震區的應用.建筑鋼結構進展,2008.

[2]張愛蓮等.從玉樹地震看鋼結構在震區的發展.科技風，2010（9）

[3]趙風華.鋼結構設計原理.北京:高等教育出版社，2005