浅析钢结构抗震设计

浅析钢结构抗震设计

张大奎天津市建筑设计院天津邮编300074

【摘要】以保证生命安全为单一设防目标的“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防水准，尽管可预期做到大震时主体结构不倒塌以保证生命安全，但仍可能导致中小地震作用下结构丧失正常使用功能而造成巨大的财产损失。本文分析了钢结构建筑抗震研究现状，提出了钢结构抗震设计要求，探讨了钢结构建筑抗震措施。

【关键词】钢结构抗震设计现状要求措施

中图分类号：TU973+.31文献标识码：A文章编号：

在建筑结构中,钢结构具有良好抗震性。钢结构抗震设计应始终贯穿于钢结构设计中的各个阶段,它是钢结构建筑抗设计重要组成部分。在钢结构建筑体系的设计中要充分了解钢结构住宅的破坏机制以及和破坏过程,灵活运用钢结构抗震设计准则,合理地确定和解决结构设计中的各种问题。才能设计出经济、合理、安全适用的钢结构建筑。

一、钢结构建筑抗震研究现状

（一）结构的抗震设计有两类途径，一类是对外荷载实现联机跟踪和预测，并通过作动器对结构施加控制力来改变结构的动力特性，这就是通常所说的主动控制方法；另一类是通过改善结构本身的特征，实现对结构模态变量的控制或优化，改变结构的动力特性。

（二）我国现行的结构抗震设计，是以承载力为基础的设计，通常取结构的动应力特别是动拉应力为抗震设计时的控制指标；但历次震害表明，结构破坏、倒塌的主要原因是变形过大，超过了结构能承受的变形能力，因此在20世纪90年代，美国学者提出了基于位移的抗震设计以结构的变形作为抗震设计时的控制指标，要求结构的变形值要满足在地震作用下的变形要求。

（三）我国采用的设计反应谱是采用振型分解反应谱法进行结构抗震计算的基础，由大量地震反应谱的统计平均确定。尽管地震反应谱的计算理论是经典的，只要地震记录准确，获得的地震反应谱也将准确，但是由于地震记录计算的地震反应谱在长周期段将不真实。而高层建筑钢结构自振周期较大（如金茂大厦、地王大厦等），地震反应谱长周期段的错误对高层钢结构建筑的影响将较大，因此对于长周期段的反应谱还有待于进一步研究。另外，钢结构自身阻尼比较小，按现行抗震规范的计算方法，在考虑结构延性以后地震作用力减小的同时又因阻尼比降低而加大。上述两个原因使得钢结构用钢量偏高。

二、钢结构抗震设计要求

（一）对钢材性能的要求

钢结构的钢材应符合下列规定：

1、抗侧力结构的钢材宜采用等级为B级的Q235碳素结构钢和Q345低合金高强度结构钢，其质量应分别符合国家标准《碳素结构钢》和《低合金高强度结构钢》的规定。当有可靠根据时，也可以采用其它钢种和钢号的钢材。其性能应符合下列要求：

①钢材的抗拉强度与屈服强度的实测值之比不应小于1.2；

②钢材的伸长率应大于20%，且应有明显的屈服台阶；

③钢材应有良好的焊接性和合格的冲击韧性；

④偏心支撑框架中的耗能连梁不得采用屈服强度高于345N/mm2的钢材。

2、采用焊接连接的节点，当板厚不小于40mm，且沿板厚方向承受拉力作用时，应对该部分钢材提出沿厚度方向受拉试件破坏后的断面收缩率的附加要求，该值不得小于现行国家标准《厚度方向性能钢板》（GB/T5313）规定的Z15级的容许值。

3、用于抗震设计类别C类以上的抗侧力体系钢结构中的所有坡口全熔透焊缝的填充金属，其零下30℃的夏比冲击功应大于或等于27J。

（二）对结构布置的要求

1、建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案。即在进行房屋的平、剖、立面设计和结构体系布置时，应尽可能做到房屋体形简单、平面规则对称，同时房屋中抗侧力结构的布置应尽可能的均匀、对称，使房屋各楼层的总体刚度中心尽可能与楼层的质量中心相重合或相接近，并应尽可能使房屋的刚度和质量沿竖向均匀连续、没有突变。

2、钢结构房屋宜避免采用不规则建筑结构方案，不设防震缝。若房屋必须采用比较复杂的平面形状时，则宜用防震缝将房屋划分为几个平面规则、对称的独立单元，为了避免地震时各部分之间相互碰撞，防震缝的宽度应不小于相应钢筋混凝土结构房屋的1.5倍。

（三）对结构设计的要求

1、在进行结构设计时，应根据建筑的抗震设防类别、抗震设计烈度、建筑高度、场地条件、地基、结构材料和施工等因素，经技术、经济和使用条件综合比较，选择合适的结构体系。

2、结构体系应有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径，可考虑多道抗震防线。宜使结构在两个主轴方向的动力特性相近，并尽量使其基本自振周期远离场地的特征周期，以防止共振，减小地震作用。

3、应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。例如，框架结构应设计成强柱弱梁型，以防止在强烈地震作用下倒塌。

4、结构应具有必要的抗震承载力、良好的变形能力和消耗地震能量的能力。例如，为避免传统的梁柱刚性节点发生脆性破坏，可采用在节点附近削弱梁翼缘截面的办法，或采用在节

点处设置加强梁段的办法，使梁中承受最大应力的截面离开梁柱接触表面，充分发挥塑性转动能力和消耗地震能量的能力。偏心支撑框架中的耗能连梁具有相似的能力。

5、对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高抗震能力。例如，应体现强节点弱构件的设计思想，避免诸如支撑的连接节点先于杆件破坏所引发的震害。

6、应体现大震不倒、小震不坏的抗震设计目标，采用多遇地震时按弹性设计、罕遇地震时按弹塑性进行变形验算的二阶段设计方法进行抗震设计。在进行小震设计时，阻尼比较小，可取为0.02；大震验算时进入弹塑性状态，阻尼比增大，可取0.05。

三、钢结构建筑抗震措施

（一）选择对建筑抗震有利的场地和地基

场地影响了钢结结构的地震反应,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。

（二）选择合理的结构总体布置

1、建筑形状力求规则形状。较简单建筑物由于受力性能明确,遭受地震时破坏很轻。在抗震设计时要求建筑形状规则,结构要求对称,来减小质量中心和刚度中心的偏离。

2、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,沿结构坚向应连续并且均匀。

（三）选择合理的抗震结构体系

在钢结构房屋中用的较多的结构体系有框架结构、框架-中心支撑结构和框架-偏心支撑结构等。纯框架结构延性好，抗震性能好，但由于抗侧刚度较差，不宜用于层数太高的建筑。框架-中心支撑结构抗侧刚度大，适用层数较多的建筑，但由于支撑构件的滞回性能较差，耗散的地震能量有限，抗震性能不如纯框架。框架-偏心支撑结构可通过偏心连梁的剪切屈服，耗散地震能量，同时又能保证支撑不丧失整体稳定，抗震性能优于框架-中心支撑结构。采用能与钢框架抗侧刚度相匹配的内藏钢板剪力墙和带竖缝剪力墙代替支撑，可构成框架-抗震墙板结构，其抗震性能优于框架-中心支撑结构。当房屋刚度更高时，可采用沿建筑周边设置密柱深梁框架构成的框筒结构。框筒结构抗侧刚度大，并具有较好的抗震性能。

（四）钢结构框架的消能、隔震措施

传统的防震观点是要求结构具有一定的抗震性能，在这方面有两种思维方式：一是提高结构的刚度来抵抗地震作用，另一种是采用允许结构有一定的柔性变形，从而使其在变形过程中吸收、释放一定的能量。在不增加重量、不改变刚度的前提下，提高总体强度和刚度是两个有效的抗震途径。而现在以及今后建造的钢结构框架将是越来越多的坐落在高烈度地区，这样就迫使设计人员要从另一个方面来考虑———减震消能。对结构地震反应有重要影响的主要有两