鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計若干問題研究

王 濤

(上海市機電設(shè)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(jié)點弱構(gòu)件是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時應(yīng)滿足的重點，其實現(xiàn)方法在于構(gòu)件內(nèi)力的放大從而提高結(jié)構(gòu)的抗震安全儲備，增強結(jié)構(gòu)的延性，從而提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。對于混凝土結(jié)構(gòu)，規(guī)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(xiàn)。但對于鋼結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)強柱弱梁要求

根據(jù)GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[1](以下簡稱《抗規(guī)》)第8.2.5條要求，除下列三種情況外，鋼框架結(jié)構(gòu)均應(yīng)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(gòu)件在2倍地震作用下穩(wěn)定性能得到保證；

3)與支撐斜桿相連的節(jié)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(jù)《抗規(guī)》8.2.5-1，驗算公式：

∑Wpc·(fyc-N/Ac)≥η∑Wpb·fyb。

《抗規(guī)》對強柱系數(shù)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(nèi)力真正放大。

2 單層鋼結(jié)構(gòu)廠房強柱弱梁要求

根據(jù)GB 51022—2015門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[2]第6.2.7條，門式剛架結(jié)構(gòu)可不進行強柱弱梁的驗算。

根據(jù)《抗規(guī)》第9.2.11條條文說明，柱頂和柱底出現(xiàn)塑性鉸是單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的極限承載力狀態(tài)之一，因此單層鋼結(jié)構(gòu)廠房不需要考慮強柱弱梁。

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

3 鋼結(jié)構(gòu)強剪弱彎要求

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

經(jīng)過實際工程計算驗證，在同樣的地震力計算下，調(diào)整鋼結(jié)構(gòu)梁柱的抗震等級，梁柱應(yīng)力沒有任何變化，調(diào)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(jié)構(gòu)強節(jié)點弱構(gòu)件要求

根據(jù)《抗規(guī)》第8.2.8條，構(gòu)件的連接，需要進行兩階段設(shè)計：

1)第一階段：要求按構(gòu)件承載力而不是設(shè)計內(nèi)力進行連接設(shè)計。

按照等強進行節(jié)點連接設(shè)計；考慮如果節(jié)點按照內(nèi)力設(shè)計，若內(nèi)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(jù)《抗規(guī)》公式8.2.8-1～8.2.8-6,連接的極限承載力≥構(gòu)件的屈服承載力×增大系數(shù),根據(jù)《抗規(guī)》表8.2.8：增大系數(shù)只與連接方式有關(guān)，與抗震等級無關(guān)。

需要注意的是：極限承載力計算對應(yīng)材料強度取值為fu，即為抗拉強度,屈服承載力計算對應(yīng)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(zhǔn)中加強節(jié)點，節(jié)點能否真正加強值得考慮。

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

5 單層鋼結(jié)構(gòu)廠房強節(jié)點弱構(gòu)件要求

根據(jù)GB 51022—2015門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范第6.2.7條，門式剛架結(jié)構(gòu)在梁柱采用端板連接或梁柱節(jié)點處是梁柱下翼緣圓弧過渡時，可不進行強節(jié)點弱構(gòu)件的驗算。

根據(jù)《抗規(guī)》第9.2.11和9.2.16條，單層鋼結(jié)構(gòu)廠房需要考慮強節(jié)點弱構(gòu)件的驗算。

6 結(jié)語

通過以上研究，我們可以得出以下結(jié)論：

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

2)對于單層的鋼結(jié)構(gòu)廠房，不需要考慮強柱弱梁。

3)鋼結(jié)構(gòu)沒有考慮強剪弱彎。

4)除單層輕型門式剛架結(jié)構(gòu)外，其余鋼結(jié)構(gòu)需要考慮強節(jié)點弱構(gòu)件，在平時的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計中，往往忽略節(jié)點連接的極限承載力驗算，如果不采取節(jié)點加強措施，此驗算較難通過；對于設(shè)防烈度較高且比較重要的鋼結(jié)構(gòu)，此條應(yīng)該是結(jié)構(gòu)設(shè)計人員關(guān)注的重點。

[1] GB 50011—2010,建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[2] GB 51022—2015,門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[S].

[3] 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》編輯委員會.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.