浅谈钢结构抗震的存在问题和改进

■章 源 ■湖南中铁五新钢模有限责任公司，湖南 长沙 410100

我国位于环太平洋地震带与欧亚地震带之间，地震断裂带十分活跃。虽然我国近几十年来在监测预报和震后救援工作上已取得突破进展，但抗震建筑的设计和修建相较于发达国家仍存在较大差异。钢结构由于其自身优越性能，已广泛应用到建筑之中，因此加强对钢结构抗震结构体系的认识，对防震抗震工作的实施有着决定性作用。

1 钢结构抗震结构体系

1.1 钢框架结构

框架结构体系包含两部分，由房屋纵向和横向的框架结构和抵抗侧向力的构件构成。纯框架结构体系由于构造简单、施工周期短，已成为一种广泛应用的结构体系。纯框架结构侧向刚度较小，当建筑楼层较高时，只能通过加大梁和柱的截面来提高抗侧移刚度，而这容易产生失稳性破坏，因此通常适用于30 层以下的建筑。框架——支撑框架结构中支撑桁架部分起到类似剪力墙的作用，其中支撑桁架中支撑构件仅承受拉、压轴向力，由于杆件的轴向变形刚度比杆件的剪弯刚度大得多，因此大大提高了结构的抗侧力刚度。

1.2 钢框架—抗剪结构

钢框架—抗剪结构体系在纯框架结构的基础强化了抗侧移功能，以此提高侧向刚度，用以满足超过30 层的高层建筑在风负载或地震中的使用需求。由于框架剪力墙结构体系中存在剪力墙刚度较大的现象，因此当受到强地震荷载时容易出现应力集中的现象，进而引发脆性破坏。带缝剪力墙的出现便很好地解决了这一难题。带缝剪力墙通过钢筋混泥土墙板中的竖缝设置，利用竖缝中两块重叠的石棉纤维板在地震表现出的塑性状态，达到吸收大量的能量，确保建筑承载力的目的。

1.3 巨型结构

巨型钢结构是为了满足特殊功能或综合功能而产生的一种建筑，实践证明其具有良好的建筑适应性和潜在的高效结构性能。巨型结构在抗推刚度上表现出其他结构难以比拟的优势，以德国法兰克福商业银行大楼为例，这座1997 年建成的超高层建筑体现了巨型钢结构的设计精髓。该建筑的“巨型柱”是以三角形顶点的三个独立框筒构成，“巨型梁”则是通过八层楼高的钢框架相连接构成，最终“巨型柱”和“巨型梁”构成了一个完整的巨型筒体系，其极好的整体效应决定了其极佳的抗震效能。巨型结构体系也可与其他常规体系进行组合运用，经实践证明已表现出相当的性能优越性。

1.4 筒体结构

筒体结构同样是一种应用于超高层建筑的结构体系。简体结构有单筒和束筒之分，其主要区别在于闭合体的多少，由于两者的腹板框架都需要承担绝大部分剪力而翼缘框架承担绝大部分弯矩，因此无论是单筒还是束筒都有可能存在剪力滞后的问题。针对这一情况应从根据设置剪力墙式内筒、采用密排框架柱和各层楼盖处的深梁刚接的外筒、其他竖向构件来承受主要竖向荷载等不同的受力特点来具体分析，来提高结构体系的抗侧移刚度和抗扭性能。

2 钢结构破坏部位

2.1 节点连接的破坏

节点连接对于抗震结构设计具有重要意义，建筑中的钢结构都是由竖杆、水平杆、斜杆用焊缝或螺栓拼装成抗侧力的框架和框架支撑结构。这些由杆件组成的框架结构之所以能承受竖向荷载和水平荷载靠的是杆件之间的节点将其连接为一个非机动构架。因此一旦节点连接发生破坏便会影响整个框架结构的承载能力。通过对1994 年的美国北岭地震和1995 年的日本阪神地震中的建筑受损情况进行分析，节点破坏原因与梁受压翼板传来的压力和拉力使柱腹板翘曲和焊缝断裂有关。

2.2 构件的破坏

钢结构构件中其脆性破坏主要是失稳和脆性断裂，因此避免钢结构构件的脆性破坏是钢结构抗震结构体系设计的关键。例如，在1995年的阪神地震当中，当时一栋位于芦屋市的住宅小区内共有57 根钢柱发生了断裂现象，其中14 层以下的楼层大多出现箱形截面柱断裂，并且断口呈水平的形状，可判断都是由脆性破坏造成。通过对保存的记录资料分析可作如下推断。第一，钢柱的断裂多发生在拼接焊缝附近，可能由于拼接焊缝区域属于钢柱的薄弱部位;第二，箱形截面柱的壁厚达50mm，可能由于焊接过热造成的钢材延展性降低;第三，地震发生时正是日本严冬，低温是钢材脆性增加的隐患因素之一。

3 钢结构抗震设计的要求

3.1 选择对建筑抗震有利的场地和地基

场地选择上应尽量避开对建筑抗震不利的地段，选择有利于抗震的场地。通常来说抗震危险地段多指地质情况复杂区域，常因地震的能量释放进而引发崩塌、滑坡、泥石流等二次灾害。因此，在选择高层抗震建设用地时应尽力避开不利地段，选择具有较大“平均剪切波速”的坚硬场地上，从而减轻地震对钢结构的损害。

3.2 合理选择结构类型

钢结构抗震结构体系涉及内容较多，因此在施工时应根据建筑的层高、场地、地基、基础、材料并结合经济、技术条件综合比较确定。

3.3 建立多道抗震防线

多道抗震防线设计应该贯穿于钢结构建筑设计的始终，当建筑物处在地震荷载作用下时，较大的抗推刚度的结构能够满足当前变形方面的要求，并利用赘余杆件的屈服和弹塑性变形来消耗尽可能多的地震输入能量;而当遭遇更高地震烈度，建筑物面临的承载力骤然增加时，利用赘余杆件的破坏和退出工作，以此来吸收和耗散地震能量，最终确保结构从一种稳定体系过度到仍然稳定的另一种体系。

4 结束语

通过上文的分析不难看出，随着人们对钢结构建筑抗震要求的不断提高，如何进一步完善现有的钢结构抗震结构体系，并根据钢结构的特点，改进钢结构的构造设计方法，已经成为了当前工作的重要内容。而通过本文对钢结构抗震结构体系的探讨，进一步加强了对其的认识，有利于促进我国建筑抗震的设计与发展。

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