鋼結(jié)構(gòu)的抗震優(yōu)越性

吳培祥

山東華興鋼構(gòu)有限公司

鋼結(jié)構(gòu)的抗震優(yōu)越性

吳培祥

山東華興鋼構(gòu)有限公司

本文針對鋼結(jié)構(gòu)的自重、強度、塑性與耗能等方面的特點，并且結(jié)合實例分析、對比了鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)建筑物在地震過程中受破壞程度，得出鋼結(jié)構(gòu)在抗震作用上有明顯的優(yōu)越性的結(jié)論。

鋼結(jié)構(gòu)；混凝土結(jié)構(gòu)；抗震性能；優(yōu)越性

鋼結(jié)構(gòu)實用于普通建筑、高層建筑、大跨結(jié)構(gòu)。許多標志建筑大都為鋼結(jié)構(gòu)，如：紐約的西爾斯大廈、北京的鳥巢、水立方、上海金茂大廈、深圳地王大廈、蘇通長江大橋。鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛與其良好抗震性能密不可分，許多地震實例表明其可以減少地震對建筑的破壞。

1　強度高、自重輕

鋼材強度比混凝土材料強度高很多，以Q235與C30混凝土相比，鋼的抗壓強度為混凝土的14倍，而密度僅為混凝土的3.2倍，因而對相同承載力要求的構(gòu)件，材質(zhì)采用鋼比混凝土構(gòu)件斷面小，自重輕。鋼構(gòu)件采用空腹截面和格構(gòu)型式來增大截面慣性矩，從而很大程度地提高了材料的利用率，減輕結(jié)構(gòu)重量。另外鋼結(jié)構(gòu)的配套封閉墻體一般為復(fù)合石膏板、ALC輕質(zhì)板體等輕質(zhì)彩鋼夾心板，而混凝土結(jié)構(gòu)的填充墻多用相對密度大的加氣混凝土砌塊、空心磚，這不僅加大結(jié)構(gòu)的重量，減小結(jié)構(gòu)的自震周期，而且很容易使結(jié)構(gòu)柱形成短柱。結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)性可以用材料的質(zhì)量密度和強度的比值來衡量，比值越小，結(jié)構(gòu)相對越輕。

2　塑性變形好、耗能強

鋼材其組織均勻，為理想的彈塑性體，鋼材的延伸率可超20%。這使結(jié)構(gòu)剛度減小，結(jié)構(gòu)自震周期大，能衰減地震波，減小地震破壞。

3　各種體系的抗震性能

3.1框架體系抗展性能

框架體系由沿縱橫方向的多福框架構(gòu)成及承擔水平荷載的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，同時也是承擔豎向荷載的結(jié)構(gòu)。

在高烈度地震區(qū)，鋼結(jié)構(gòu)體系自重較輕，確保了結(jié)構(gòu)的可靠性和抗震安全性，它在抵御地震方面處于其它材料無法與之相比的優(yōu)勢地位，而且，其利用整體的空間作用功能，形成較強的側(cè)向剛度，承擔地震，能夠具有較好的延性。

3.2框架一支撐體系抗展性能

框架一支撐體系是在框架體系中沿結(jié)構(gòu)的縱、橫兩個方向均與布置一定數(shù)量的支撐所形成的結(jié)構(gòu)體系。在框架一支撐體系中，框架是剪切型結(jié)構(gòu)，底部層間位移大，支撐為彎曲型結(jié)構(gòu)，底部層間位移小，兩者并聯(lián)，可以明顯減小建筑物下部的層間位移，因此，在相同的側(cè)移限值標準的情況下，框架-支撐體系可以用于比框架體系更高的房屋。

3.3中心支撐指斜桿與橫梁及柱交匯于一點，或兩根斜桿與橫桿交匯于一點，也可與柱子交匯于一點，但是匯交時均無偏心距。主要類型有X型、單斜支撐、人字型支撐、K型支撐及V型支撐。

中心支撐是一種常用的支撐類型，具有較大的側(cè)向剛度，對減小結(jié)構(gòu)的水平位移和改善結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布是有效的，但在反復(fù)的水平地震下，會產(chǎn)生下列后果：支撐斜桿重復(fù)壓曲后，其抗壓承載力降低；支撐的兩側(cè)柱子產(chǎn)生壓縮變形和拉伸變形時，由于支撐的端節(jié)點實際構(gòu)造做法并非鉸接，引發(fā)支撐產(chǎn)生很大的內(nèi)力和應(yīng)力；斜桿從受壓的壓曲狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾鞝顟B(tài)，將對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊作用，使支撐及其節(jié)點和相鄰的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的附加應(yīng)力；同一支撐框架內(nèi)的斜桿輪流壓曲又不能恢復(fù)，樓層的受剪承載力迅速降低。因此，對于地震區(qū)建筑，不得采用斜桿兩端鉸接的K型支撐，因K型支撐的斜桿因受壓屈曲或者受拉屈服時，使柱子發(fā)生屈曲甚至嚴重破壞。

3.4偏心支撐偏心支撐是指支撐斜桿的兩端，至少有一端與梁相交（不在柱節(jié)點處），另一端可在梁與柱交點處連接，或偏離另一根支撐斜桿一段長度與梁連接，并在支撐斜桿桿端與柱子之間構(gòu)成一消能梁段，或者在兩根支撐斜桿之間構(gòu)成一消能梁段的支撐。

偏心支撐的消能原理：在多遇地震時，它們都處于彈性狀態(tài)，罕遇地震時消能梁段屈服形成塑性鉸，且具有穩(wěn)定的滯回性能。

當消能梁段由于較大的地震力作用進人了應(yīng)變硬化階段時，其余構(gòu)件如支撐斜桿、柱和梁的其他梁段仍能保持彈性工作狀態(tài)。消能梁段的屈服過程使結(jié)構(gòu)剛度降低、減小了地震作用，即起到消能或結(jié)構(gòu)的“保險絲”作用。偏心支撐耗能梁段的設(shè)置部位決定支撐的布置。

根據(jù)震害經(jīng)驗，偏心支撐最好采用消能梁段位于橫梁中部的支撐形式，因為與柱相連的消能梁段地震時易損壞。

3.5框架一抗展墻板體系抗展性能

以框架為主，并配置一定數(shù)量的抗震墻板。其特點是可以根據(jù)需要布置在任何位置上，布置靈活。另外抗震墻板可以分開布置，兩片以上抗震墻并聯(lián)體較寬，從而可減小抗側(cè)力體系等效高寬比，提高結(jié)構(gòu)的抗推剛度和抗傾覆能力。抗震墻板主要有以下三種類型：

①鋼板抗震墻板

②內(nèi)藏鋼板支撐抗震墻板③帶豎縫混凝土抗震墻板。

內(nèi)藏鋼支撐抗震墻板，是以鋼板為基本支撐，外包鋼筋混凝土墻板的預(yù)制構(gòu)件，內(nèi)藏鋼板支撐可做成中心支撐也可以做成偏心支撐，在高烈度地區(qū)，宜采用偏心支撐。

其耗能機理是：彈性階段墻板的鋼支撐與鋼筋混凝土形成剛度較大的抗側(cè)力構(gòu)件，支撐不受穩(wěn)定控制，彈塑性階段混凝土開裂，剛度減小，由支撐單獨承擔剛度變化后的水平力，仍可保證結(jié)構(gòu)的安全，結(jié)構(gòu)剛度減小的過程即完成抗震耗能的作用。帶豎縫鋼筋混凝土抗震墻板的是指它在墻板中設(shè)有若干條豎縫，將墻板分割成一系列延性較好的壁柱。預(yù)制墻板的耗能機理：彈性階段時由各縫間及其范圍內(nèi)的實體墻共同構(gòu)成的“并聯(lián)壁式框架”承擔水平力，可具有較強的側(cè)向剛度。在彈塑性階段，各縫間墻肢彎曲屈服，同時產(chǎn)生裂縫，側(cè)向剛度變小，使整體結(jié)構(gòu)能量消耗，起到減震耗能的作用。

3.6隔展體系抗展性能

隔震結(jié)構(gòu)體系是在結(jié)構(gòu)物的底部與基礎(chǔ)之間加設(shè)隔震裝置而構(gòu)成的體系。現(xiàn)在應(yīng)用最多的隔震裝置是“橡膠隔震支座”。它是用多層橡膠片和鋼板疊合而成的圓柱體。一般在基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間要放多個隔層支座。相對來講，隔震支座的水平剛度較小，且具有較好的阻尼消能特性和彈性恢復(fù)特性。當強震發(fā)生時，由地面運動引起的結(jié)構(gòu)位移大部分集中在隔震支座上，并且由于隔震支座有很好的阻尼和消能特性，大部分地震能量都耗散在隔震層上。

4　結(jié)束語

鋼結(jié)構(gòu)自重輕、強度高、材質(zhì)均勻、延性塑性優(yōu)越等特性，使其在地震往復(fù)荷載作用下，具有強勁耗能能力，其抗震性能明顯優(yōu)于混凝土結(jié)構(gòu)，可以提高建筑的安全性，伴隨我國經(jīng)濟實力的增強，鋼結(jié)構(gòu)將會廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用結(jié)構(gòu)中。

［1］吳培明.混凝土結(jié)構(gòu)（上冊）［M］.武漢：武漢大學出版社，2000.

［2］施嵐青.混凝土結(jié)構(gòu)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2013.