钢结构的抗震优越性

刘 平 喜

(山西意迪光华电力勘测设计有限公司，山西 太原 030001)

钢结构的抗震优越性

刘 平 喜

(山西意迪光华电力勘测设计有限公司，山西 太原 030001)

针对钢结构的自重、强度、塑性与耗能等方面的特点，并且结合实例，分析对比了钢结构与混凝土结构在地震过程中对建筑物的破坏性，得出钢结构在抗震作用上有明显的优越性的结论。

钢结构，混凝土结构，抗震性能，优越性

钢结构实用于普通建筑、高层建筑、大跨结构。许多标志建筑大都为钢结构，如：纽约的西尔斯大厦、北京的鸟巢、水立方、海金茂大厦、深圳地王大厦、苏通长江大桥。钢结构应用广泛与其良好抗震性能密不可分，许多地震实例表明其可以减少地震对建筑的破坏。

据有关机构对台湾9·21地震建筑物破坏情况的统计：钢筋混凝土结构为52.5%、钢结构仅0.6%。在日本阪神地震后，神户市政厅基本完好，而与其相邻的一幢8层钢筋混凝土建筑底整体坍塌。5·12汶川地震中采用砖木结构，砌体结构和钢筋混凝土结构均破坏严重，而采用钢结构的绵阳体育馆未受到损坏，成为安置灾民的主要地点。

钢结构较混凝土结构抗震性能强的特点源于其材料的强度高、自重轻、塑性变形好、耗能强。

1 强度高、自重轻

钢材强度比混凝土材料强度高很多，以Q235与C30混凝土相比，钢的抗压强度为混凝土的14倍，而密度仅为混凝土的3.2倍，因而对相同承载力要求的构件，材质采用钢比混凝土构件断面小，自重轻。钢构件采用空腹截面和格构型式来增大截面惯性矩，从而很大程度地提高了材料的利用率，减轻结构重量。

另外钢结构的配套封闭墙体一般为复合石膏板、ALC轻质板体等轻质彩钢夹心板，而混凝土结构的填充墙多用相对密度大数倍加气混凝土砌块、空心砖，这不仅加大结构的重量，减小结构的自震周期，而且很容易使结构柱形成短柱。

结构的轻质性可以用材料的质量密度和强度的比值来衡量，比值越小，结构相对越轻。建筑钢材的比值为1.7×10-4m～3.7×10-4m，钢筋混凝土约为18×10-4m，一般钢结构可比钢筋混凝土结构减轻自重约1/3～1/2。地震时结构上作用的“荷载”是结构反应加速度和质量引起的惯性力，由水平地震作用力FEK=α1Geq(Geq为等效重力总荷载)可得减轻结构自重可以减小水平地震作用力。

2 塑性变形好、耗能强

结构的抗震能力和安全性还在很大程度上取决于其变形性能和耗能，在地震作用下发生反复的弹塑性变形循环，耗散掉大量的地震输入能量，保证结构的安全性。

钢结构的变形性能比钢筋混凝土的变形性能强。钢材其组织均匀，接近各向同性，为理想的弹塑性体，钢材的延伸率可超20%。这使结构刚度减小，结构自震周期大，能衰减地震波，减小地震破坏。混凝土材料本身是非弹性、非均质材料，抗拉强度远小于抗压强度，为脆性材料。钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种材料组成，两者有效结合在一起，靠之间的粘结传递力和变形，钢筋能改善材料的变形能力，但仍不是理想的弹塑性材料，当构件中钢筋达到屈服，构件曲率增加，裂缝截面受压区高度减小，当受压区混凝土边缘纤维应变达到混凝土极限压应变时截面开始破坏，混凝土截面刚度退化，承担的弯矩降低，受压区段上的受压混凝土被压碎剥落。钢筋混凝土结构可能因为刚度大、结构自震周期小，地震作用下导致更严重的破坏。

钢结构不仅动能和弹性应变能性能好，而且耗能强。延性以能量来表达，则是构件承受动力荷载与塑性变形能力的乘积，它等于以非弹性变形能的方式吸收并耗散的能量。构件的抗力—应变曲线，每次加载→卸载→反向加载→反向卸载称为一个循环，成为滞回曲线。加载时构件吸收能量，卸载时结构释放能量，但两者是不相等的，两者的差为构件在一个循环中的耗能，及一个滞回环内所包含的面积。发生地震时，结构在地震荷载的往返作用下工作，其内力随之正负交替，形成一连串的滞回环。在反复荷载作用下，混凝土构件裂缝交替开闭，粘结退化和滑移，刚度退化减小，滞回曲线加载斜率逐渐减小，滞回曲线有明显的捏扰反应，构件耗能下降。随着构件损伤的积累，可能全部丧失承载能力，引起结构倒塌。而钢构件由于材料的延展性强，多次加载滞回曲线一般比较饱满，耗能性能强，构件可以产生很大的反复变形而仍然有强劲承载能力。在相同场地、烈度条件下，钢结构建筑相对于混凝土结构建筑，能承受的荷载大，可有较大的变形，增强建筑结构抗震性能，减小震害。

3 结语

钢结构自重轻、强度高、材质均匀、延性塑性优越等特性，使其在地震往复荷载作用下，具有强劲耗能能力，其抗震性能明显优于混凝土结构，可以提高建筑的安全性，伴随我国经济实力的增强，钢结构将会广泛应用于工业与民用结构中。

[1] GB 50011-2010，建筑抗震设计规范[S].

[2] 吴培明.混凝土结构(上册)[M].武汉：武汉大学出版社，2000.

[3] 施岚青.混凝土结构[M].北京：机械工业出版社，2013.

[4] 巍明钟.钢结构[M].武汉：武汉大学出版社，2000.

Seismic superiority of steel structure

LIU Ping-xi

(ShanxiYidiguanghuaPowerSurvey&DesignCo.,Ltd,Taiyuan030001,China)

In light of self-weight, strength, plasticity and energy consumption and other features of steel structure, combining with actual examples, the article analyzes the damage of steel structure and concrete structure in earthquake upon buildings, and concludes that: steel structural has obvious superiority in seismic resistance.

steel structure, concrete structure, seismic performance, superiority

1009-6825(2014)03-0065-02

2013-11-13

刘平喜(1979- )，男，工程师

TU352

A