鋼結構抗震設計分析

錢衛(wèi)華，耿慶花

（寧夏維思拓工程技術有限公司，銀川 750001）

國民經濟的高速發(fā)展導致鋼結構越來越廣泛地應用于現代建筑結構中，其中，建筑結構采用鋼結構具有以下優(yōu)點：1）鋼結構施工周期較傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結構要短，同時工業(yè)化生產程度較高，保證了較短的生產周期；2）鋼結構具有節(jié)能環(huán)保的特點，減少施工過程中對能源的浪費；3）鋼結構具有很好的延展性，在地震等自然災害中具有良好的抗震性能，能吸收部分地震波產生的能量，減小地震對鋼結構的破壞。

針對鋼結構抗震設計，國內很多學者開展了相應的研究，取得了一系列可參考的成果。李國強等人［1－3］針對目前鋼結構抗震設計中存在的2個主要問題，即忽視了鋼結構延性好和彈性階段阻尼比較小的特點，結合現行抗震設計規(guī)范及美國相關規(guī)范的抗震設計規(guī)則，引入了結構體系調整系數，同時對每類鋼結構的抗震設計給出了建議。此外，以5.12汶川大地震為例，概述了該次地震中建筑物的震害情況，介紹了鋼結構的抗震性能，提出了改進鋼結構抗震性能的建議。結合世界各地震害記錄可以發(fā)現，在相同場地條件和地震烈度的情況下，采用鋼結構的建筑震害相對采用傳統(tǒng)鋼筋混凝土結構的建筑要?。?－5］。以1985年9月墨西哥發(fā)生的里氏8.1級大地震為例，對于建造于1976年后的鋼結構建筑而言，沒有發(fā)生一處嚴重破壞或者倒塌，而與之對應的鋼筋混凝土結構，發(fā)生嚴重破壞的有6處，倒塌4處，由此可見，鋼結構在地震災害中表現出良好抗震性能。

鄭玉峰［6］結合多年從事鋼結構抗震設計工作的經驗，從鋼結構抗震體系、鋼結構的破壞部位方面進行分析，總結了鋼結構的抗震設計注意事項。除此之外，結合現行設計規(guī)范，同世界其他地震國家相關規(guī)范進行了對比分析，提出了很多有用建議［7－11］。

1 鋼結構的抗震性能

鋼結構一般具有以下特點：材料重度較低且具有很高的強度、良好的延展性能和滯回曲線比較飽滿等，以下進行詳細說明。

1）從材料強度方面來講，鋼材的強度約為混凝土材料的8倍，而材料重度方面，前者重度僅為混凝土重度的3.2倍，因此，針對相同承載條件下，鋼材料結構在重量方面比混凝土結構要輕很多。其次，從結構構件的橫截面形狀來看，鋼結構構件一般為空腹截面，常用的如槽鋼、工字鋼、角鋼等，鋼構件對橫截面具有較高的利用率；相應的混凝土結構構件，一般為實腹截面，如長方形、正方形等。對于高層鋼結構建筑，采用鋼結構可以明顯降低結構整體重量，因此，在地震中減小結構所承受的地震力，減小地震對鋼結構的影響。

2）根據鋼材和混凝土材料的應力應變曲線可以發(fā)現，相對于混凝土材料，鋼材具有很好的彈塑性，表現出更好的延展性，這可以通過鋼材材料的延伸率來判斷，其材料延伸率可超過20%。在地震中可充分利用材料的延展性來抵抗地震對結構的影響，減小地震對鋼結構的破壞。

3）比較鋼材與混凝土材料的滯回曲線可以發(fā)現，鋼結構材料的滯回曲線通常情況下都比較飽滿，在地震中能更好的消耗地震作用中產生的能量；而鋼筋混凝土結構的滯回曲線與前者相比，表現出明顯的捏攏效應。對于結構材料來講，其結構滯回性能越好，在地震中對地震作用反應越小，對地震作用有更好的抗震性能。鋼結構材料的滯回曲線如圖1所示。

2 鋼結構的抗震結構體系

純框架結構、框架－中心支撐結構及框架－偏心支撐結構等結構體系是鋼結構建筑中常見的集中體系，不同的結構體系有不同的特點。一般來講，純框架結構體系雖然具有良好的延性，但是受結構體系的側方向剛度限制，較高層數的建筑結構中一般不采用?？蚣埽行闹谓Y構雖然具有較大的抗側向剛度，但是受支撐結構滯回性能較差的限制，同時由于吸收地震能量有限，該結構體系的抗震性能還不如純框架結構?？蚣埽闹谓Y構因為可以通過偏心連梁的剪切屈服來消耗地震過程中的能量，保證支撐結構體系不發(fā)生整體失穩(wěn)，因此，該結構體系較純框架結構和框架－中心支撐結構具有更好的抗震性能。對于一些高度更高的建筑結構，可以在建筑周圍設置密柱深梁框架形成的框筒鋼結構，其具有很大的抗側剛度，因此具有較好的抗震性能。

3 鋼結構破壞部位

根據對國內外多次地震震害的統(tǒng)計分析，可以得到鋼結構在地震中發(fā)生的主要破壞有以下幾種：1）結構節(jié)點連接的破壞；2）結構構件的破壞；3）結構的整體倒塌。

1）結構節(jié)點連接的破壞 一般來講，節(jié)點連接破壞的原因在于以下幾點：（1）節(jié)點的下翼緣通常是裂縫出現的區(qū)域，這是由于鋼結構的梁上翼緣部位有樓板的加強，同時，上翼緣焊縫無腹板在施焊過程中會影響施工過程；（2）焊接過程中，由于梁端孔邊緣結構會出現應力集中的現象，由此導致裂縫的產生；（3）在梁翼緣端部采用全溶性透坡口焊的襯板邊緣形成了人工縫，裂縫在豎向荷載作用下會進一步發(fā)展延伸。

節(jié)點連接支撐采用螺栓連接時發(fā)生支撐破壞的形式主要有以下幾種：節(jié)點板端部剪切滑移的破壞、支撐桿件螺孔間剪切滑移的破壞和支撐截面削弱處斷裂。對于鋼結構建筑來講，支撐是框架－支撐結構體系中最為重要的抗側力部分，當發(fā)生地震時，支撐部分是首先承受水平地震作用的部分，比如鋼結構中某層的支撐一旦發(fā)生破壞，將導致該樓層成為地震薄弱層，在地震中極易造成嚴重的后果。

2）結構構件的破壞 當支撐構件的組成板件寬厚比較大時，往往伴隨著整體失穩(wěn)出現板件的局部失穩(wěn)現象，導致進一步引發(fā)低周疲勞和斷裂破壞，這在以往的地震震害中并不少見。根據試驗研究表明，要防止板件在往復塑性應變作用下發(fā)生局部失穩(wěn)，進而引發(fā)低周疲勞破壞，必須對支撐板件的寬厚比進行限制，且應比塑性設計的還要嚴格。

以1995年日本阪神大地震為例進行說明，位于蘆屋市海濱城高層住宅小區(qū)的21棟巨型鋼框架結構的住宅樓共有57根鋼柱發(fā)生了斷裂現象，所有箱形截面柱的斷裂都發(fā)生在14層以下的樓層里，并且都是脆性受拉斷裂，斷口呈水平的形狀。分析認為有以下原因：（1）有的鋼柱斷裂發(fā)生在拼接焊縫附近，這里可能正是焊接缺陷構成的薄弱部位；（2）與當時的環(huán)境溫度有關系，結合當時的情況可知，柱暴露于室外，當時正值日本的嚴冬，鋼材溫度低于0℃；（3）豎向地震及傾覆力矩在柱中產生較大的拉力。

3）結構的整體性倒塌 以1985年墨西哥發(fā)生的8.1級大地震為例進行說明，墨西哥市內的某個綜合大樓的3個22層的鋼結構塔樓之一發(fā)生倒塌，其余2棟鋼結構塔樓也發(fā)生了嚴重破壞，其中1棟已經接近倒塌。通過研究分析發(fā)現，該3棟樓的結構體系都是框架－支撐結構。同時，塔樓發(fā)生倒塌或者嚴重破壞的主要原因在于塔樓抗震結構體系的縱橫向垂直支撐偏位設置，從而導致剛度中心和質量重心之間的距離相距太大，由此導致在地震中產生了較大的扭轉效應，致使鋼柱的承載力小于作用力，引發(fā)了3棟相同的塔樓發(fā)生了嚴重破壞甚至倒塌。由此可見，規(guī)則對稱的結構體系對抗震是十分有利的。

4 改進鋼結構抗震性能的措施

通常來講，對于鋼結構建筑，最重要的是控制結構薄弱點，因此可以通過改進節(jié)點和支撐來進行改進，以此提高鋼結構的抗震性能。下面進行說明：

1）改進節(jié)點連接設計 針對節(jié)點連接設計，學者也提出了一些有效措施，例如在梁腹板和抗剪連接板之間補充焊縫，在梁端加蓋板和梁端加腋等加強連接的方法。其中，采用梁柱半剛性連接也是一種很有效的方法。根據研究發(fā)現，該連接方式具有良好的延性，梁柱間相對轉角的變形能力可以超過0.06rad。同時，在豎向荷載作用下，采用梁柱半剛性連接比剛性和鉸接更能充分地利用截面，如圖2所示。

2）采用屈曲約束支撐 屈曲約束支撐是在核心支撐外面添加一個約束構件，同時，核心支撐和約束構件之間可以發(fā)生自由滑動。在工作狀態(tài)中，只有核心支撐是與框架結構進行連接的，而約束構件的作用則是防止核心支撐的側向變形，最終防止核心支撐在豎向壓力作用下發(fā)生整體失穩(wěn)。因此，屈曲約束支撐在拉壓作用下可以達到完全屈服。同時，該支撐具有較好的延性和飽滿的滯回曲線，因此，其抗震性能明顯優(yōu)于普通的鋼支撐。

5 建議和結論

1）選擇對建筑抗震有利的場地和地基，場地情況很大程度上影響了鋼結構的地震反應，鋼結構地震反應大小決定了鋼結構的震害。因此在抗震設計的時候應選擇堅硬的中硬土場地，當實在無法避開不利的或者危險的場地的時候，應采取補救措施。

2）選擇合理的結構總體布置，主要注意以下兩點：（a）建筑形狀力求規(guī)則。在抗震設計時要求建筑形狀規(guī)則、結構對稱，以此來減小質量中心和剛度中心的偏離；（b）強度以及剛度應連續(xù)變化。抗震結構的剛度、承載力在樓層平面內應均勻，沿結構豎向應連續(xù)并且均勻。

3）選擇合理的抗震結構體系，這主要包括應該具有明確的計算簡圖以及合理的地震作用傳遞途徑；同時，鋼結構應該具有多道抗震防線，保證結構必要的強度和剛度，在地震中具有良好的變形和耗能能力。

［1］ 李國強，孫飛飛.關于鋼結構抗震存在的問題及建議［J］.地震工程與工程振動，2006，26（3）：108－114.

［2］ 李國強，陳素文.從汶川地震災害看鋼結構在地震區(qū)的應用［J］.建筑鋼結構進展，2008，10（4）：1－7.

［3］ 李國強，石文龍.平端板連接半剛性梁柱組合節(jié)點的轉動能力［J］.工程抗震與加固改造，2006，28（6）：34－38.

［4］ Shakir－Khalil H..Experimental Study of Concrete－filled Rectangular Hollow Section Columns［J］.Structural Engineering Review，1994，6（2）：85－96.

［5］ Ge Han－bin，Usami T.Cyclic Tests of Concrete－filled Steel Box Columns［J］.J Struct Engrg ASCE，1996，122（10）：1169－1177.

［6］ 鄭玉峰.淺析鋼結構抗震設計［J］.科技創(chuàng)新導論，2011（15）：24.

［7］ 沈祖炎，孫飛飛.關于鋼結構抗震設計方法的討論與建議［J］.建筑結構，2009，39（11）：115－122.

［8］ 陳小峰，鄧開國，郝際平.關于鋼結構抗震設計的探討［J］.建筑結構，2009，39（增刊）：465－471.

［9］ 陳曉光.鋼結構抗震設計淺談［J］.建筑與結構設計，2008，11：30－32.

［10］張 保，聶子云.鋼結構的抗震性能分析與設計［J］.工程科學，2009：80.

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