鋼結構建筑的抗震設計研究

【摘要】：鋼結構建筑已成為現代主梁建筑之一，具有抗震性能高、工業化生產程度高、施工周期短、節能環保、便于運輸、施工速度快、延展性好等優點。本文就鋼結構建筑的抗震設計進行研究分析。

【關鍵詞】：鋼結構;抗震;抗震設計;

在眾多的建筑結構之中，鋼結構具有良好抗震性能。鋼結構抗震設計是現代建筑結構設計的重要組成部分，要充分了解鋼結構建筑的震害破壞原理和震害破壞過程，在基于鋼結構抗震設計準則的前提下，合理地確定鋼結構設計的各種震害問題，然后采取可靠的抗震解決方案。只有這樣，才能設計出經濟合理、安全適用的鋼結構建筑。

一、鋼結構建筑的抗震設計現狀

結構的抗震設計有兩類途徑，一類是主動控制法：是對外荷載實現聯機跟蹤和預測，并通過作動器對結構施加控制力來改變結構的動力特性，如：加阻尼器;另一類是被動控制法：通過改善結構本身的特征，實現對結構模態變量的控制或優化，改變結構的動力特性，如：加大結構截面或優化變形薄弱區。

國內常用的結構抗震設計方式，是以承載力為基礎的設計，通常取結構的動應力特別是動拉應力為抗震設計時的控制指標。多次震害表明，結構破壞、倒塌的主要原因是變形過 大，超過了結構能承受的變形能力，因此，國外學者又提出了基于位移的抗震設計，以結構的變形作為抗震設計時的控制指標，要求結構的變形值要滿足在地震作用下的變形要求。

國內常常采用反應譜法，是采用振型分解反應譜法進行結構抗震計算，再對大量地震反應譜進行統計分析而確定。地震反應譜的計算理論是相當經典的，在短周期段內只要地震記錄準確，地震反應譜就準確，但是地震反應譜在長周期段卻不準確。高層鋼結構建筑自振周期較大〔如上海中心、廣州電視塔等），地震反應譜法對高層鋼結構建筑的分析偏差較大，因此，對于長周期段的反應譜法還需要進一步研究。還有鋼結構自身阻尼較小，按現行抗震規范的計算方法，在考慮結構延性以后地震作用力減小的同時又因阻尼比降低而加大。以上種種不確定因素使得鋼結構的用鋼量比理論上偏高。

二、鋼結構建筑的抗震設計技術要求

（一）鋼結構建筑的鋼材性能要求

鋼結構的鋼材應符合下列規定：

1、抗側力結構的鋼材宜采用兩種：B級Q235碳素結構鋼和Q345低合金高強度結構鋼，其質量應符合國標《碳素結構鋼》和《低合金高強度結構鋼》的規定。當有特殊要求時，也可采用其它滿足技術要求的鋼材。

2、采用焊接方式連接的節點，當板厚大于等于40mm，且沿板厚方向承受拉力作用時，該處鋼材應滿足沿厚度方向受拉試件破壞后的斷面收縮率的附加要求，不得小于國標《厚度方向性能鋼板》（GB/T5313）的規定。

3、丙類以上抗震設計類別的抗側力體系鋼結構中，所有坡口全熔透焊縫的填充金屬應滿足規范要求和低溫抗沖擊要求。

（二）鋼結構建筑的抗震結構布置

1、平立面布置應符合抗震概念設計的要求，不應采用不規則的設計方案。即建筑的平面、立面布置和結構體系選擇，應做到形體簡單、規則、均勻、對稱，建筑的總體剛度中心與建筑的質量中心相重合或相接近，建筑的剛度和質量沿豎向均勻連續、無突變。

2、避免采用不規則的結構方案，不設防震縫。如果建筑必須采用比較復雜的平面形狀時，則宜用防震縫將建筑劃分為幾個平面規則的獨立單元，為了避免地震時各單元之間相互碰撞，防震縫的寬度應不小于相應鋼筋混凝土結構房屋的1.5倍。

（三）鋼結構建筑的結構設計原則

1、結構體系選擇。應根據建筑的抗震設防類別、抗震設防烈度、建筑高度、場地條件、地基、結構材料和施工等因素，從技術、經濟和使用條件綜合考慮確定。

2、結構體系應有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑，多道抗震防線。宜使結構在兩個主軸方向的動力特性相近，并使其基本自振周期遠不同于場地的特征周期，以防止共振，減小地震作用。

3、遵循“強柱弱梁，強剪弱彎，強節點弱構件”的原則， 應避免因局部結構或構件破壞而導致整個結構喪失抗震能力或對重力荷載的承載能力。

4、結構應具有足夠的抗震承載能力、變形能力和消能減震的能力。例如，為避免梁柱剛性節點發生脆性破壞，可采用在節點附近削弱梁翼緣截面，或在節點處設置加強梁段的辦法，充分發揮塑性轉動能力和耗量的能力。

5、對薄弱部位，預先采取措施提高抗震能力。

6、以小震不壞、中震可修、大震不倒為抗震目標，多遇地震按彈性設計、罕遇地震按彈塑性進行變形驗算的兩階段設計方法進行抗震設計。

7、選擇有利的場地和地基，場地影響鋼結構的地震反應，鋼結構的地震反應決定震害大小。因此應選擇堅硬、均勻的場地，當無法避開不利的場地時，必須采取補救措施。

三、鋼結構建筑的抗震結構體系選擇

常用的結構體系有框架結構、框架-中心支撐結構和框架-偏心支撐結構幾種。純框架結構的特點是延性好，抗震性能好，但抗側剛度較差，不宜用于受側向控制的建筑。

框架-中心支撐結構的特點是抗側剛度大，適用層數較多的建筑，但由于支撐構件的滯回性能較差，耗散的地震能量有限，抗震性能優于純框架。

框架-偏心支撐結構的特點是可通過偏心連梁的剪切屈服， 消耗地震能量，同時又能保證支撐不喪失整體穩定，抗震性能優于框架-中心支撐結構。

如果采用能與鋼框架抗側剛度相當的內藏鋼板剪力墻和帶豎縫剪力墻代替支撐，就構成鋼框架-抗震墻板結構，其抗震性能優于框架-中心支撐結構。當需要建筑剛度更高時，可沿建筑周邊設置密柱深梁框架構成鋼框筒結構。鋼框筒結構抗側剛度大，并具有更好的抗震性能。

四、鋼結構框架的消能、隔震措施

傳統的防震思路是要求建筑結構具有一定的抗震性能，常常形成兩種抗震方式：一是足夠剛，提高結構的自身剛度來抵抗地震作用;另一種是足夠柔，允許結構有一定的柔性變形，使結構在變形過程中吸收、釋放、消耗掉一定的能量。這兩種方式是在提高結構總體強度和剛度，是兩個有效的抗震途徑。當建筑高度很高，地震烈度很高的時候，前兩種方式的抗震能力也很有限。

另外一種防震思路出現了：消能減震，隔震。對結構地震反應有重要影響的主要有兩個因素：結構物的基本周期和阻尼比。采用消能結構可以在很大程度上延長了建筑物的基本周期，從而避開了地震輸入的高能量頻段;采用高阻尼減震裝置使建筑物具有大變形的能力和強自復位能力。

使自由振動衰減的各種摩擦和其他阻礙作用，我們稱之為阻尼。而安置在結構系統上的“特殊”構件可以提供運動的阻力，耗減運動能量的裝置，我們稱為阻尼器。鋼結構抗震對阻尼器的要求：第一，在小振幅的振動下，呈線性反應，不產生很大的阻尼，但剛度很大，從而限制結構的位移;第二，在強烈振動時，阻尼器的一部分可以失效，從而允許大變位和大阻尼，以達到隔震目的;第三，隔振阻尼裝置的豎向剛度遠大于其水平剛度。

五、結束語

隨著對鋼結構建筑抗震要求的不斷提高，如何進一步完善和充實現有鋼結構抗震、防震，合理確定建筑的結構安全度、改進鋼結構的構造設計方法、科學經濟地保障鋼結構建筑的安全就成為每一個建筑科研人員和建筑設計人員研究思考的重要課題。

參考文獻：

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[2]陳紹蕃.鋼結構設計原理（第三版）[M].科學出版社.北京.2005.1