钢结构抗震设计分析

钱卫华，耿庆花

（宁夏维思拓工程技术有限公司，银川 750001）

国民经济的高速发展导致钢结构越来越广泛地应用于现代建筑结构中，其中，建筑结构采用钢结构具有以下优点：1）钢结构施工周期较传统的钢筋混凝土结构要短，同时工业化生产程度较高，保证了较短的生产周期；2）钢结构具有节能环保的特点，减少施工过程中对能源的浪费；3）钢结构具有很好的延展性，在地震等自然灾害中具有良好的抗震性能，能吸收部分地震波产生的能量，减小地震对钢结构的破坏。

针对钢结构抗震设计，国内很多学者开展了相应的研究，取得了一系列可参考的成果。李国强等人［1－3］针对目前钢结构抗震设计中存在的2个主要问题，即忽视了钢结构延性好和弹性阶段阻尼比较小的特点，结合现行抗震设计规范及美国相关规范的抗震设计规则，引入了结构体系调整系数，同时对每类钢结构的抗震设计给出了建议。此外，以5.12汶川大地震为例，概述了该次地震中建筑物的震害情况，介绍了钢结构的抗震性能，提出了改进钢结构抗震性能的建议。结合世界各地震害记录可以发现，在相同场地条件和地震烈度的情况下，采用钢结构的建筑震害相对采用传统钢筋混凝土结构的建筑要小［4－5］。以1985年9月墨西哥发生的里氏8.1级大地震为例，对于建造于1976年后的钢结构建筑而言，没有发生一处严重破坏或者倒塌，而与之对应的钢筋混凝土结构，发生严重破坏的有6处，倒塌4处，由此可见，钢结构在地震灾害中表现出良好抗震性能。

郑玉峰［6］结合多年从事钢结构抗震设计工作的经验，从钢结构抗震体系、钢结构的破坏部位方面进行分析，总结了钢结构的抗震设计注意事项。除此之外，结合现行设计规范，同世界其他地震国家相关规范进行了对比分析，提出了很多有用建议［7－11］。

1 钢结构的抗震性能

钢结构一般具有以下特点：材料重度较低且具有很高的强度、良好的延展性能和滞回曲线比较饱满等，以下进行详细说明。

1）从材料强度方面来讲，钢材的强度约为混凝土材料的8倍，而材料重度方面，前者重度仅为混凝土重度的3.2倍，因此，针对相同承载条件下，钢材料结构在重量方面比混凝土结构要轻很多。其次，从结构构件的横截面形状来看，钢结构构件一般为空腹截面，常用的如槽钢、工字钢、角钢等，钢构件对横截面具有较高的利用率；相应的混凝土结构构件，一般为实腹截面，如长方形、正方形等。对于高层钢结构建筑，采用钢结构可以明显降低结构整体重量，因此，在地震中减小结构所承受的地震力，减小地震对钢结构的影响。

2）根据钢材和混凝土材料的应力应变曲线可以发现，相对于混凝土材料，钢材具有很好的弹塑性，表现出更好的延展性，这可以通过钢材材料的延伸率来判断，其材料延伸率可超过20%。在地震中可充分利用材料的延展性来抵抗地震对结构的影响，减小地震对钢结构的破坏。

3）比较钢材与混凝土材料的滞回曲线可以发现，钢结构材料的滞回曲线通常情况下都比较饱满，在地震中能更好的消耗地震作用中产生的能量；而钢筋混凝土结构的滞回曲线与前者相比，表现出明显的捏拢效应。对于结构材料来讲，其结构滞回性能越好，在地震中对地震作用反应越小，对地震作用有更好的抗震性能。钢结构材料的滞回曲线如图1所示。

2 钢结构的抗震结构体系

纯框架结构、框架－中心支撑结构及框架－偏心支撑结构等结构体系是钢结构建筑中常见的集中体系，不同的结构体系有不同的特点。一般来讲，纯框架结构体系虽然具有良好的延性，但是受结构体系的侧方向刚度限制，较高层数的建筑结构中一般不采用。框架－中心支撑结构虽然具有较大的抗侧向刚度，但是受支撑结构滞回性能较差的限制，同时由于吸收地震能量有限，该结构体系的抗震性能还不如纯框架结构。框架－偏心支撑结构因为可以通过偏心连梁的剪切屈服来消耗地震过程中的能量，保证支撑结构体系不发生整体失稳，因此，该结构体系较纯框架结构和框架－中心支撑结构具有更好的抗震性能。对于一些高度更高的建筑结构，可以在建筑周围设置密柱深梁框架形成的框筒钢结构，其具有很大的抗侧刚度，因此具有较好的抗震性能。

3 钢结构破坏部位

根据对国内外多次地震震害的统计分析，可以得到钢结构在地震中发生的主要破坏有以下几种：1）结构节点连接的破坏；2）结构构件的破坏；3）结构的整体倒塌。

1）结构节点连接的破坏 一般来讲，节点连接破坏的原因在于以下几点：（1）节点的下翼缘通常是裂缝出现的区域，这是由于钢结构的梁上翼缘部位有楼板的加强，同时，上翼缘焊缝无腹板在施焊过程中会影响施工过程；（2）焊接过程中，由于梁端孔边缘结构会出现应力集中的现象，由此导致裂缝的产生；（3）在梁翼缘端部采用全溶性透坡口焊的衬板边缘形成了人工缝，裂缝在竖向荷载作用下会进一步发展延伸。

节点连接支撑采用螺栓连接时发生支撑破坏的形式主要有以下几种：节点板端部剪切滑移的破坏、支撑杆件螺孔间剪切滑移的破坏和支撑截面削弱处断裂。对于钢结构建筑来讲，支撑是框架－支撑结构体系中最为重要的抗侧力部分，当发生地震时，支撑部分是首先承受水平地震作用的部分，比如钢结构中某层的支撑一旦发生破坏，将导致该楼层成为地震薄弱层，在地震中极易造成严重的后果。

2）结构构件的破坏 当支撑构件的组成板件宽厚比较大时，往往伴随着整体失稳出现板件的局部失稳现象，导致进一步引发低周疲劳和断裂破坏，这在以往的地震震害中并不少见。根据试验研究表明，要防止板件在往复塑性应变作用下发生局部失稳，进而引发低周疲劳破坏，必须对支撑板件的宽厚比进行限制，且应比塑性设计的还要严格。

以1995年日本阪神大地震为例进行说明，位于芦屋市海滨城高层住宅小区的21栋巨型钢框架结构的住宅楼共有57根钢柱发生了断裂现象，所有箱形截面柱的断裂都发生在14层以下的楼层里，并且都是脆性受拉断裂，断口呈水平的形状。分析认为有以下原因：（1）有的钢柱断裂发生在拼接焊缝附近，这里可能正是焊接缺陷构成的薄弱部位；（2）与当时的环境温度有关系，结合当时的情况可知，柱暴露于室外，当时正值日本的严冬，钢材温度低于0℃；（3）竖向地震及倾覆力矩在柱中产生较大的拉力。

3）结构的整体性倒塌 以1985年墨西哥发生的8.1级大地震为例进行说明，墨西哥市内的某个综合大楼的3个22层的钢结构塔楼之一发生倒塌，其余2栋钢结构塔楼也发生了严重破坏，其中1栋已经接近倒塌。通过研究分析发现，该3栋楼的结构体系都是框架－支撑结构。同时，塔楼发生倒塌或者严重破坏的主要原因在于塔楼抗震结构体系的纵横向垂直支撑偏位设置，从而导致刚度中心和质量重心之间的距离相距太大，由此导致在地震中产生了较大的扭转效应，致使钢柱的承载力小于作用力，引发了3栋相同的塔楼发生了严重破坏甚至倒塌。由此可见，规则对称的结构体系对抗震是十分有利的。

4 改进钢结构抗震性能的措施

通常来讲，对于钢结构建筑，最重要的是控制结构薄弱点，因此可以通过改进节点和支撑来进行改进，以此提高钢结构的抗震性能。下面进行说明：

1）改进节点连接设计 针对节点连接设计，学者也提出了一些有效措施，例如在梁腹板和抗剪连接板之间补充焊缝，在梁端加盖板和梁端加腋等加强连接的方法。其中，采用梁柱半刚性连接也是一种很有效的方法。根据研究发现，该连接方式具有良好的延性，梁柱间相对转角的变形能力可以超过0.06rad。同时，在竖向荷载作用下，采用梁柱半刚性连接比刚性和铰接更能充分地利用截面，如图2所示。

2）采用屈曲约束支撑 屈曲约束支撑是在核心支撑外面添加一个约束构件，同时，核心支撑和约束构件之间可以发生自由滑动。在工作状态中，只有核心支撑是与框架结构进行连接的，而约束构件的作用则是防止核心支撑的侧向变形，最终防止核心支撑在竖向压力作用下发生整体失稳。因此，屈曲约束支撑在拉压作用下可以达到完全屈服。同时，该支撑具有较好的延性和饱满的滞回曲线，因此，其抗震性能明显优于普通的钢支撑。

5 建议和结论

1）选择对建筑抗震有利的场地和地基，场地情况很大程度上影响了钢结构的地震反应，钢结构地震反应大小决定了钢结构的震害。因此在抗震设计的时候应选择坚硬的中硬土场地，当实在无法避开不利的或者危险的场地的时候，应采取补救措施。

2）选择合理的结构总体布置，主要注意以下两点：（a）建筑形状力求规则。在抗震设计时要求建筑形状规则、结构对称，以此来减小质量中心和刚度中心的偏离；（b）强度以及刚度应连续变化。抗震结构的刚度、承载力在楼层平面内应均匀，沿结构竖向应连续并且均匀。

3）选择合理的抗震结构体系，这主要包括应该具有明确的计算简图以及合理的地震作用传递途径；同时，钢结构应该具有多道抗震防线，保证结构必要的强度和刚度，在地震中具有良好的变形和耗能能力。

［1］ 李国强，孙飞飞.关于钢结构抗震存在的问题及建议［J］.地震工程与工程振动，2006，26（3）：108－114.

［2］ 李国强，陈素文.从汶川地震灾害看钢结构在地震区的应用［J］.建筑钢结构进展，2008，10（4）：1－7.

［3］ 李国强，石文龙.平端板连接半刚性梁柱组合节点的转动能力［J］.工程抗震与加固改造，2006，28（6）：34－38.

［4］ Shakir－Khalil H..Experimental Study of Concrete－filled Rectangular Hollow Section Columns［J］.Structural Engineering Review，1994，6（2）：85－96.

［5］ Ge Han－bin，Usami T.Cyclic Tests of Concrete－filled Steel Box Columns［J］.J Struct Engrg ASCE，1996，122（10）：1169－1177.

［6］ 郑玉峰.浅析钢结构抗震设计［J］.科技创新导论，2011（15）：24.

［7］ 沈祖炎，孙飞飞.关于钢结构抗震设计方法的讨论与建议［J］.建筑结构，2009，39（11）：115－122.

［8］ 陈小峰，邓开国，郝际平.关于钢结构抗震设计的探讨［J］.建筑结构，2009，39（增刊）：465－471.

［9］ 陈晓光.钢结构抗震设计浅谈［J］.建筑与结构设计，2008，11：30－32.

［10］张 保，聂子云.钢结构的抗震性能分析与设计［J］.工程科学，2009：80.

［11］何若全，顾 强，孙国华.关于钢结构抗震设计中结构影响系数的讨论［J］.苏州科技学院学报：工程技术版，2004，17（4）：29－32.