鋼結構的抗震優越性

吳培祥

山東華興鋼構有限公司

鋼結構的抗震優越性

吳培祥

山東華興鋼構有限公司

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

鋼結構；混凝土結構；抗震性能；優越性

鋼結構實用于普通建筑、高層建筑、大跨結構。許多標志建筑大都為鋼結構，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。鋼結構應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件，材質采用鋼比混凝土構件斷面小，自重輕。鋼構件采用空腹截面和格構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，減輕結構重量。另外鋼結構的配套封閉墻體一般為復合石膏板、ALC輕質板體等輕質彩鋼夾心板，而混凝土結構的填充墻多用相對密度大的加氣混凝土砌塊、空心磚，這不僅加大結構的重量，減小結構的自震周期，而且很容易使結構柱形成短柱。結構的輕質性可以用材料的質量密度和強度的比值來衡量，比值越小，結構相對越輕。

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%。這使結構剛度減小，結構自震周期大，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成及承擔水平荷載的抗側力結構，同時也是承擔豎向荷載的結構。

在高烈度地震區，鋼結構體系自重較輕，確保了結構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勢地位，而且，其利用整體的空間作用功能，形成較強的側向剛度，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構的縱、橫兩個方向均與布置一定數量的支撐所形成的結構體系。在框架一支撐體系中，框架是剪切型結構，底部層間位移大，支撐為彎曲型結構，底部層間位移小，兩者并聯，可以明顯減小建筑物下部的層間位移，因此，在相同的側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，具有較大的側向剛度，對減小結構的水平位移和改善結構的內力分布是有效的，但在反復的水平地震下，會產生下列后果：支撐斜桿重復壓曲后，其抗壓承載力降低；支撐的兩側柱子產生壓縮變形和拉伸變形時，由于支撐的端節點實際構造做法并非鉸接，引發支撐產生很大的內力和應力；斜桿從受壓的壓曲狀態轉變為受拉伸狀態，將對結構產生沖擊作用，使支撐及其節點和相鄰的結構產生很大的附加應力；同一支撐框架內的斜桿輪流壓曲又不能恢復，樓層的受剪承載力迅速降低。因此，對于地震區建筑，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成一消能梁段，或者在兩根支撐斜桿之間構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，罕遇地震時消能梁段屈服形成塑性鉸，且具有穩定的滯回性能。

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

根據震害經驗，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，并配置一定數量的抗震墻板。其特點是可以根據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體較寬，從而可減小抗側力體系等效高寬比，提高結構的抗推剛度和抗傾覆能力?？拐饓Π逯饕幸韵氯N類型：

①鋼板抗震墻板

②內藏鋼板支撐抗震墻板③帶豎縫混凝土抗震墻板。

內藏鋼支撐抗震墻板，是以鋼板為基本支撐，外包鋼筋混凝土墻板的預制構件，內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，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力構件，支撐不受穩定控制，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，仍可保證結構的安全，結構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有若干條豎縫，將墻板分割成一系列延性較好的壁柱。預制墻板的耗能機理：彈性階段時由各縫間及其范圍內的實體墻共同構成的“并聯壁式框架”承擔水平力，可具有較強的側向剛度。在彈塑性階段，各縫間墻肢彎曲屈服，同時產生裂縫，側向剛度變小，使整體結構能量消耗，起到減震耗能的作用。

3.6隔展體系抗展性能

隔震結構體系是在結構物的底部與基礎之間加設隔震裝置而構成的體系?，F在應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。一般在基礎與上部結構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特性。當強震發生時，由地面運動引起的結構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　結束語

鋼結構自重輕、強度高、材質均勻、延性塑性優越等特性，使其在地震往復荷載作用下，具有強勁耗能能力，其抗震性能明顯優于混凝土結構，可以提高建筑的安全性，伴隨我國經濟實力的增強，鋼結構將會廣泛應用于工業與民用結構中。

［1］吳培明.混凝土結構（上冊）［M］.武漢：武漢大學出版社，2000.

［2］施嵐青.混凝土結構［M］.北京：機械工業出版社，2013.