鋼結構抗震設計研究

占文才

摘要：由于鋼結構良好的抗震性、延展性等優點，使其在現代建筑中得到廣泛應用。抗震設計是鋼結構設計的重要考慮因素，如何在當前鋼結構建筑中減少地震對鋼結構的破壞成為設計人員日益重視的問題。文章就鋼結構在震害中的主要破壞部位出發，探討了提高鋼結構抗震設計的具體要求，以期對鋼結構設計人員提供參考。

關鍵詞：鋼結構；抗震設計

目前，隨著科學技術的快速發展和建筑技術的不斷進步，鋼結構越來越廣泛的應用到現代建筑中。鋼結構施工周期短、節能環保，并且具有良好的延展性。特別是良好的延展性特點可以有效減弱地震波的擴散，減少地震對建筑的破壞。因此，加強鋼結構抗震設計，以增強鋼結構抗震性能，對于提高鋼結構整體設計質量和安全性具有重要意義。

1鋼結構易受破壞部位

1.1結構的整體倒塌破壞

根據對墨西哥大地震鋼結構塔樓倒塌的調查研究發現，地震發生時，由于偏位設置縱橫向垂直支撐，造成塔樓質量中心和剛度中心距離差距太大，在地震中引發了強烈的扭轉效應，導致鋼柱承受力遠小于其受到的作用力，從而造成塔樓發生嚴重破壞和結構性倒塌。根據對阪神地震的研究發現，按照新規范設計建造的鋼結構要比按原有水平設計的鋼結構擁有更好地防震性能，這充分說明了鋼結構損害的嚴重程度與鋼結構抗震設計水平存在很強的正相關關系。

1.2節點連接的破壞

1.2.1支撐連接斷裂破壞。在多次地震中都發現了支撐與柱之間的連接破壞或支撐與節點板之間連接的破壞。框架-支撐結構中最重要的抗側力部分是支撐，地震發生時，它會直接受到水平地震的沖擊作用，一旦某處樓層的支撐遭到破壞，那么該樓層便成為承受力薄弱的隱患樓層，會帶來嚴重后果。采用螺栓連接的支撐其主要破壞形式有支撐桿件落空間剪切滑移受到破壞、節點板端部剪切滑移受到破壞和支撐截面削弱處發生斷裂等情況。

1.2.2框架梁柱節點裂穿破壞。調查發現裂縫破壞起源于焊縫的概率達到95%，起源于母材的只有5%。主要原因可能是梁端焊縫通過孔邊緣發生了應力集中引起裂縫，進而擴展到平材；在下翼緣梁端現場焊縫中部存在缺陷，檢查和焊接過程受到腹板的阻礙，出現了焊接不連續；焊縫金屬有很低的沖擊韌性；梁翼緣端全熔頭坡口焊在襯板邊緣形成了較大的人工縫，在豎向力的作用下不斷加大；梁上翼緣焊縫沒有相應的腹板妨礙焊接同時上翼端有樓板作用加強，因此裂縫主要發生在下翼端。

1.3構件的破壞

1.3.1鋼柱發生脆性斷裂。發生原因主要為：箱形截面柱壁厚過大，在焊接過熱的情況下容易降低焊縫附近鋼材的延展性；焊接缺陷造成的缺陷部位容易引起鋼柱斷裂；傾覆性力矩和豎向地震在鋼柱內產生了強大的拉力。

1.3.2支撐桿件的斷裂破壞、整體失穩和局部失穩

支撐桿件可以看做是兩端簡支軸心受力的構件，在多遇地震和風荷載作用下，能夠保持彈性工作狀態，如果設計合理恰當，在一般情況下是不會失去整體穩定的。但當遭遇大型地震的情況下，強烈的往復壓力會作用在中心支撐構件上，構件為耗散能量會產生塑性屈服，這時就會發生整體失穩現象。支撐在壓力作用下逐漸失去穩定形成了壓彎桿，此時的支撐承載力下降很快，在桿中間部位也會形成塑性鉸。在接著的壓力作用下殘余塑性彎曲變形又會形成反向塑性鉸，全截面便會受拉屈服。要避免板件在往復壓力作用下形成局部失穩或斷裂破壞，就要適當限制支撐板件的寬厚比。

2改善鋼結構抗震設計的要求

2.1采用恰當的抗震結構體系。結構體系應該具有恰當的地震作用傳遞手段和明確清晰的計算簡圖，并根據建筑高度、抗震類別、地基、結構條件、抗震設計烈度等綜合考慮選擇恰當的體系。同時還要有多重抗震屏障：體系內部應該包含最大限度數量的外部或內部富余度，使其能夠在結構合適的部位形成有力的屈服區以保證結構可以盡可能的耗散和吸收地震能量；結構應保持良好的耗能、變形能力，具備必須的剛度強度以形成優良的堅韌性；體系內部應當分成多個延展性比較好的分體系，并用優良的聯系構件進行連接。

2.2實施合理的結構設計。要加強技術設計提高抗震能力以應對構件可能形成的薄弱部位，如為防止支撐連接節點會在桿件破壞前發生變形彎曲或斷裂就應該加強弱構件強節點的設計理念；要盡量防止因部分構件或結構破壞而造成整個結構失去對重力荷載的承受能力或抗震能力，如為避免柱體內部形成倒塌結構應加強框架結構弱梁強柱的設計理念；為盡量體現小震不壞、強震不倒的設計目標，宜采用按彈塑性進行變形驗算的二階段設計應對罕遇地震、按彈性設計應對多遇地震的方法進行有針對性的抗震設計，在進行大地震驗算時鋼結構會進入彈塑性形態，此時阻尼比可相對增大，保持在0.05左右，在進行小地震驗算時鋼結構一般進入的是彈性形態，此時阻尼比應相對減小，保持0.02左右；可采用在節點處安置加強梁段或在節點周圍削弱梁翼絕緣面的辦法，來使承受最大應力的截面脫離梁柱接觸表面，以發揮消耗地震能量和塑性轉動的能力，從而防止梁柱剛性節點發生破壞。

2.3采取正確的結構布置。對于鋼結構建筑房屋應該盡量防止采用不規則建筑結構方案，如果特殊情況下必須要選用相對復雜的平面形狀時，應該盡可能根據防震縫把房屋劃分成幾個平面對稱、規則的獨立部分，同時防震縫寬度應當大于或等于相應鋼筋混凝土結構房屋的1.2倍，以防止地震發生時各結構房屋之間發生碰撞；根據抗震設計要求應拒絕采用嚴重不規則的建筑設計方案，在布置房屋的立面、平剖面和結構體系時，應盡可能的做到房屋平面規則相互對稱、屋型簡單，并盡量使房屋的質量和剛度在豎向方向上沒有突變，保持連續均勻。

2.4嚴格選取鋼結構材料。鋼結構性能應該滿足以下要求：鋼材應具有良好的沖擊韌性和合適的焊接性；鋼材的屈服強度和抗拉強度之間的實測比應該不低于1.2；應采用屈服強度低于345N/mm2鋼材作為偏心支撐框架的耗能連梁；鋼材要有可見的屈服臺階，其伸長率不應小于20%；對于抗震級別為C類以上的抗側力鋼結構，其全部的破口應為全熔透焊縫的填充金屬，同時保證其零下30攝氏度的夏比沖擊功不小于25J；進行焊接連接的節點，當出現板厚大于40mm并在沿板厚方向會承受相應的拉力時要嚴格規定沿厚度方向受拉破壞后斷面收縮率的要求。

2.5選取有利的建筑抗震地基和場地。建筑場地地質、地形等方面直接影響了建筑鋼結構遭遇地震時的反應，而鋼結構地震反應的大小又間接決定了鋼結構的破壞程度，所以抗震設計時應該盡可能選取堅硬的中硬土場地，對于不可避免的不利場地要最大限度的采取應對和補救措施。

3結語

鋼結構抗震設計是貫穿在鋼結構設計中的重要組成部分，它直接關系鋼結構建筑的抗震能力和質量，是鋼結構設計人員需要高度重視的關鍵問題。針對以往地震中出現的鋼結構整體倒塌、連接節點發生破壞、構件發生破壞等損壞問題，設計人員應當充分了解和掌握鋼結構建筑遭遇地震時的破壞過程和破壞機制，根據鋼結構抗震設計的各種準則和要求，加強技術突破和新技術的應用，綜合分析靈活運用各種條件，確保鋼結構抗震設計符合實際需求，并不斷提高鋼結構的抗震能力和質量，以加強鋼結構建筑的安全性。

參考文獻

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