淺談鋼結構抗震的存在問題和改進

■章 源 ■湖南中鐵五新鋼模有限責任公司，湖南 長沙 410100

我國位于環太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，地震斷裂帶十分活躍。雖然我國近幾十年來在監測預報和震后救援工作上已取得突破進展，但抗震建筑的設計和修建相較于發達國家仍存在較大差異。鋼結構由于其自身優越性能，已廣泛應用到建筑之中，因此加強對鋼結構抗震結構體系的認識，對防震抗震工作的實施有著決定性作用。

1 鋼結構抗震結構體系

1.1 鋼框架結構

框架結構體系包含兩部分，由房屋縱向和橫向的框架結構和抵抗側向力的構件構成。純框架結構體系由于構造簡單、施工周期短，已成為一種廣泛應用的結構體系。純框架結構側向剛度較小，當建筑樓層較高時，只能通過加大梁和柱的截面來提高抗側移剛度，而這容易產生失穩性破壞，因此通常適用于30 層以下的建筑。框架——支撐框架結構中支撐桁架部分起到類似剪力墻的作用，其中支撐桁架中支撐構件僅承受拉、壓軸向力，由于桿件的軸向變形剛度比桿件的剪彎剛度大得多，因此大大提高了結構的抗側力剛度。

1.2 鋼框架—抗剪結構

鋼框架—抗剪結構體系在純框架結構的基礎強化了抗側移功能，以此提高側向剛度，用以滿足超過30 層的高層建筑在風負載或地震中的使用需求。由于框架剪力墻結構體系中存在剪力墻剛度較大的現象，因此當受到強地震荷載時容易出現應力集中的現象，進而引發脆性破壞。帶縫剪力墻的出現便很好地解決了這一難題。帶縫剪力墻通過鋼筋混泥土墻板中的豎縫設置，利用豎縫中兩塊重疊的石棉纖維板在地震表現出的塑性狀態，達到吸收大量的能量，確保建筑承載力的目的。

1.3 巨型結構

巨型鋼結構是為了滿足特殊功能或綜合功能而產生的一種建筑，實踐證明其具有良好的建筑適應性和潛在的高效結構性能。巨型結構在抗推剛度上表現出其他結構難以比擬的優勢，以德國法蘭克福商業銀行大樓為例，這座1997 年建成的超高層建筑體現了巨型鋼結構的設計精髓。該建筑的“巨型柱”是以三角形頂點的三個獨立框筒構成，“巨型梁”則是通過八層樓高的鋼框架相連接構成，最終“巨型柱”和“巨型梁”構成了一個完整的巨型筒體系，其極好的整體效應決定了其極佳的抗震效能。巨型結構體系也可與其他常規體系進行組合運用，經實踐證明已表現出相當的性能優越性。

1.4 筒體結構

筒體結構同樣是一種應用于超高層建筑的結構體系。簡體結構有單筒和束筒之分，其主要區別在于閉合體的多少，由于兩者的腹板框架都需要承擔絕大部分剪力而翼緣框架承擔絕大部分彎矩，因此無論是單筒還是束筒都有可能存在剪力滯后的問題。針對這一情況應從根據設置剪力墻式內筒、采用密排框架柱和各層樓蓋處的深梁剛接的外筒、其他豎向構件來承受主要豎向荷載等不同的受力特點來具體分析，來提高結構體系的抗側移剛度和抗扭性能。

2 鋼結構破壞部位

2.1 節點連接的破壞

節點連接對于抗震結構設計具有重要意義，建筑中的鋼結構都是由豎桿、水平桿、斜桿用焊縫或螺栓拼裝成抗側力的框架和框架支撐結構。這些由桿件組成的框架結構之所以能承受豎向荷載和水平荷載靠的是桿件之間的節點將其連接為一個非機動構架。因此一旦節點連接發生破壞便會影響整個框架結構的承載能力。通過對1994 年的美國北嶺地震和1995 年的日本阪神地震中的建筑受損情況進行分析，節點破壞原因與梁受壓翼板傳來的壓力和拉力使柱腹板翹曲和焊縫斷裂有關。

2.2 構件的破壞

鋼結構構件中其脆性破壞主要是失穩和脆性斷裂，因此避免鋼結構構件的脆性破壞是鋼結構抗震結構體系設計的關鍵。例如，在1995年的阪神地震當中，當時一棟位于蘆屋市的住宅小區內共有57 根鋼柱發生了斷裂現象，其中14 層以下的樓層大多出現箱形截面柱斷裂，并且斷口呈水平的形狀，可判斷都是由脆性破壞造成。通過對保存的記錄資料分析可作如下推斷。第一，鋼柱的斷裂多發生在拼接焊縫附近，可能由于拼接焊縫區域屬于鋼柱的薄弱部位;第二，箱形截面柱的壁厚達50mm，可能由于焊接過熱造成的鋼材延展性降低;第三，地震發生時正是日本嚴冬，低溫是鋼材脆性增加的隱患因素之一。

3 鋼結構抗震設計的要求

3.1 選擇對建筑抗震有利的場地和地基

場地選擇上應盡量避開對建筑抗震不利的地段，選擇有利于抗震的場地。通常來說抗震危險地段多指地質情況復雜區域，常因地震的能量釋放進而引發崩塌、滑坡、泥石流等二次災害。因此，在選擇高層抗震建設用地時應盡力避開不利地段，選擇具有較大“平均剪切波速”的堅硬場地上，從而減輕地震對鋼結構的損害。

3.2 合理選擇結構類型

鋼結構抗震結構體系涉及內容較多，因此在施工時應根據建筑的層高、場地、地基、基礎、材料并結合經濟、技術條件綜合比較確定。

3.3 建立多道抗震防線

多道抗震防線設計應該貫穿于鋼結構建筑設計的始終，當建筑物處在地震荷載作用下時，較大的抗推剛度的結構能夠滿足當前變形方面的要求，并利用贅余桿件的屈服和彈塑性變形來消耗盡可能多的地震輸入能量;而當遭遇更高地震烈度，建筑物面臨的承載力驟然增加時，利用贅余桿件的破壞和退出工作，以此來吸收和耗散地震能量，最終確保結構從一種穩定體系過度到仍然穩定的另一種體系。

4 結束語

通過上文的分析不難看出，隨著人們對鋼結構建筑抗震要求的不斷提高，如何進一步完善現有的鋼結構抗震結構體系，并根據鋼結構的特點，改進鋼結構的構造設計方法，已經成為了當前工作的重要內容。而通過本文對鋼結構抗震結構體系的探討，進一步加強了對其的認識，有利于促進我國建筑抗震的設計與發展。

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