鋼結構抗震設計若干問題研究

王 濤

(上海市機電設計研究院有限公司，上海 200040)

0 引言

強柱弱梁、強剪弱彎和強節點弱構件是結構抗震設計時應滿足的重點，其實現方法在于構件內力的放大從而提高結構的抗震安全儲備，增強結構的延性，從而提高結構的抗震性能。對于混凝土結構，規范和計算軟件都有明確的要求，概念較為清晰，可以很輕松的實現。但對于鋼結構，由于人們的不重視和計算軟件的不完善，長期以來此概念較為模糊。

1 鋼框架結構強柱弱梁要求

根據GB 50011—2010建筑抗震設計規范[1](以下簡稱《抗規》)第8.2.5條要求，除下列三種情況外，鋼框架結構均應驗算強柱弱梁。

1)柱所在樓層的受剪承載力比相鄰上一層的受剪承載力高出25%；

2)柱軸壓比不大于0.4，或柱作為軸心受壓構件在2倍地震作用下穩定性能得到保證；

3)與支撐斜桿相連的節點。

三種情況滿足其中任意一條，此時認為柱較強，不需要驗算強柱弱梁。

如以上三點均不滿足，則需驗算強柱弱梁。

依據《抗規》8.2.5-1，驗算公式：

∑Wpc·(fyc-N/Ac)≥η∑Wpb·fyb。

《抗規》對強柱系數η的要求：

抗震等級為一級時取1.15，二級取1.10，三級取1.05。

需要注意的是，此公式只是驗算，并沒有將柱內力真正放大。

2 單層鋼結構廠房強柱弱梁要求

根據GB 51022—2015門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范[2]第6.2.7條，門式剛架結構可不進行強柱弱梁的驗算。

根據《抗規》第9.2.11條條文說明，柱頂和柱底出現塑性鉸是單層鋼結構廠房的極限承載力狀態之一，因此單層鋼結構廠房不需要考慮強柱弱梁。

因此可見，對于單層鋼結構廠房，無論是輕型門式剛架廠房還是一般鋼結構廠房，都不需要考慮強柱弱梁的驗算。

3 鋼結構強剪弱彎要求

根據《鋼結構設計手冊》[3]下冊，按照彈性設計時，鋼結構梁端剪力設計值V=(Mbl+Mbr)/Ln+Vgb，柱端剪力設計值V=(Mcb+Mct)/Hn。由以上公式可以看出，鋼結構梁柱的剪力沒有放大調整，鋼結構沒有考慮強剪弱彎。

經過實際工程計算驗證，在同樣的地震力計算下，調整鋼結構梁柱的抗震等級，梁柱應力沒有任何變化，調整梁柱的抗震等級只會影響到梁柱板件的寬厚比控制要求。

4 鋼框架結構強節點弱構件要求

根據《抗規》第8.2.8條，構件的連接，需要進行兩階段設計：

1)第一階段：要求按構件承載力而不是設計內力進行連接設計。

按照等強進行節點連接設計；考慮如果節點按照內力設計，若內力較小，計算得出的連接較弱，往往很難滿足第二階段驗算的要求。

2)第二階段：進行連接的極限承載力驗算。

根據《抗規》公式8.2.8-1～8.2.8-6,連接的極限承載力≥構件的屈服承載力×增大系數,根據《抗規》表8.2.8：增大系數只與連接方式有關，與抗震等級無關。

需要注意的是：極限承載力計算對應材料強度取值為fu，即為抗拉強度,屈服承載力計算對應材料強度取值為fy，即為屈服強度。

例如對于Q235鋼材，fu/fy=1.6，Q345鋼材，fu/fy=1.36。

fu>fy，公式不在同一材料取值和水準中加強節點，節點能否真正加強值得考慮。

在實際工程中，進行節點的極限承載力驗算時，如果不采取措施加強節點，此驗算較難通過規范要求。

5 單層鋼結構廠房強節點弱構件要求

根據GB 51022—2015門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范第6.2.7條，門式剛架結構在梁柱采用端板連接或梁柱節點處是梁柱下翼緣圓弧過渡時，可不進行強節點弱構件的驗算。

根據《抗規》第9.2.11和9.2.16條，單層鋼結構廠房需要考慮強節點弱構件的驗算。

6 結語

通過以上研究，我們可以得出以下結論：

1)鋼框架結構需要考慮強柱弱梁，但是總體要求較混凝土結構明顯降低，而且只是驗算并沒有真正放大鋼柱內力。

2)對于單層的鋼結構廠房，不需要考慮強柱弱梁。

3)鋼結構沒有考慮強剪弱彎。

4)除單層輕型門式剛架結構外，其余鋼結構需要考慮強節點弱構件，在平時的鋼結構節點設計中，往往忽略節點連接的極限承載力驗算，如果不采取節點加強措施，此驗算較難通過；對于設防烈度較高且比較重要的鋼結構，此條應該是結構設計人員關注的重點。

[1] GB 50011—2010,建筑抗震設計規范[S].

[2] GB 51022—2015,門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范[S].

[3] 《鋼結構設計手冊》編輯委員會.鋼結構設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2004.