钢结构框架抗震及稳定性问题的分析

钢结构框架抗震及稳定性问题的分析

钢结构框架抗震及稳定性问题的分析

摘要：本文针对钢结构框架建筑结构体系抗震及稳定性问题进行了分析，并叙述了钢结构框架抗震设计的基本要求以及相应的钢结构框架的抗震设计理念。

关键字：钢结构；抗震；稳定性；消能；抗震设计

中图分类号：S611 文章标识码：A文章编号：

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一、钢结构的性能特点

钢结构是以钢材为材料做成受力构件的结构，钢结构住宅依其自重轻，基础造价低，适用于软弱地基，安装容易，施工快，周期短，投资回收快，施工污染环境少，抗震性能好等综合优势而受到各方的重视。但是，如果钢结构房屋在结构设计、材料选用、施工制作和维护上出现问题，则其优良的钢材特性将得不到充分的发挥，在地震作用下同样会造成结构的局部破坏或整体倒塌。

钢框架结构体系

钢结构住宅的基本体系一般以纯钢框架结构体系为主，这种体系具有受力明确的特点，并且制作、安装与混凝土结构相比较是相对简单的，进而明显的提高了施工的速度，但为了抵抗侧向力所需梁柱截面较大，且在一般情况下，梁柱节点应采用刚接，以提高结构的抗侧刚度。

钢框架―支撑结构体系

当钢框架体系需要较多的层数时，由于侧向的作用力增大，使得梁柱等主要构件尺寸也相应增大，失去其经济合理性。可以在柱间设置支撑，形成钢框架―支撑结构体系。支撑体系包括中心支撑体系和偏心支撑体系。

钢框架―预制钢筋混凝土墙结构体系

这种体系受力性能良好，支撑构件相对较经济，且能与隔墙布置相结合。该结构体系，一般预制钢筋混凝土墙体中均埋有钢板支撑，

它只有在支撑点处与钢框架相连，而且钢筋混凝土墙板与框架梁留有空隙，从受力上来说，它仍是一种支撑。但现场安装比较困难，制作比较复杂。

钢框架―钢筋混凝土剪力墙结构体系

在钢框架结构中设置部分现浇钢筋混凝土剪力墙，即为钢框架――钢筋混凝土剪力墙结构体系。剪力墙在钢框架――钢筋混凝土剪力墙结构中，由于钢筋混凝土剪力墙刚度大，所以它是抗侧力的主体，提高了整个结构的侧向刚度。钢框架承担少部分的水平荷载，但主要承担的是竖向荷载。较高的高层住宅都可以采用这种结构形式来建造。

钢框架―钢筋混凝土核心筒结构体系

这种结构体系将钢材的强度高、重量轻、施工速度快和混凝土的抗压强度高、防火性能好、抗侧刚度大的特点有机的结合起来，主要用于高层钢结构住宅中。该体系的平面布置一般将电梯或卫生间做成四周封闭的钢筋混凝土简体，形成主要的抗侧力结构，而外周的框架则采用钢框架。

二、钢结构框架抗震和消能问题的讨论

钢结构框架有着庞大的体积，复杂的传力体系，这就对结构设计人员有着较高的要求，从结构体系的选型，抗震、隔震消能等方面都有所了解，并要有清晰的概念和对新技术的敏感性，才能做到设计合理，技术创新。

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：其一是提高钢结构的刚度来抵抗地震作用，其二是采用允许结构有一定的柔度变形，从而使其在变形过程中吸收、释放一定的能量。在重量不增加、刚度不改变的前提下，提高总体刚度和强度是两个有效的抗震途径。决定结构抗震吸能能力的两个重要参数即强度与延性，而刚度的选择有助于控制变形。

早期的抗震设计主要依靠提高结构的刚度来增加结构的抗震能

力，然而结构的自重与地震作用是成正比增长的，而在一定程度上，结构的强度并不会随结构材质的增加而有明显的改善。大量的震害数据表明，在高烈度罕遇地震作用下，结构均是强度破坏，这并不是单纯靠提高结构的刚度可以抵御的。而现在以及今后的建造的建筑物坐落在高烈度地区往往是不可避免的，这样就要求设计人员必须寻求一个抗震的新形式，即减震消能。

当允许结构有一定的变形能力，依靠结构在变形过程中吸收的能量W=F△消耗一定的地震作用，这比单纯的刚度抵御是有很大好处的。在这方面由于钢结构自重远较混凝土结构为轻，从而地震作用较小，另外，钢结构比混凝土有着优越的弹性变形能力，同时，对场地地基的处理要求相对较低，所以其抗震能力远较混凝土结构较好。

结构地震反应有重要影响的主要两个因素

（1）结构物的基本周期（2）阻尼比。当采用消能机构后，就会很大程度上延长建筑物的基本周期，从而避就开了地震输入的高能量频段，采用高阻尼减震装置时建筑物具有强制复位能力和大变形的能力。对于阻尼器的要求：第一、在小振幅振动下，呈线性反应，不产生很大的阻尼，但刚度很大从而限制结构的位移；第二、在强烈振动时，阻尼器的一部分可以失效，从而大变位和大阻尼，以达到隔震的目的；第三、隔震阻尼装置的竖向刚度远大于水平刚度。所以在可控范围内，延长建筑物的基本周期和阻尼减震都可以很好的消能和起到抗震的作用。

三、抗震设计基本要求

（一）钢结构房屋结构类型选择

钢结构房屋的抗震性能的优劣取决于结构的选型，进行实际工程设计时，需要综合考虑多种因素对于结构的影响，从而进行方案的优化，在优化过程中确定其适宜的结构体系。

（二）钢结构房屋结构布置原则

钢结构房屋的结构体系和结构布置的选择关系到结构的安全性、经济性和适用性。和其他类型的建筑结构一样，多高层钢结构房屋建筑方案应尽量采用规则形式，当结构体型复杂、平立面特别不规则时，则要按实际需要在适当部位设置防震缝，从而形成多个较规则的抗侧

力结构单元，由于钢结构较混凝土结构可耐受的结构变形大，一般来说，不宜设抗震缝．必须设置时，抗震缝宽应不小于相应钢筋混凝土结构房屋的1.5倍。

（1）结构平面布置：面布置宜简单、规则和对称，保证结构具有良好的抗侧刚度和整体性，同时使结构各层的抗侧刚度中心与质量中心接近或重合。

（2）结构竖向布置：建筑的立面和竖向剖面宜规则，结构的质量与侧向刚度沿坚向分布应连续、均匀，坚向抗侧力构件的材料强度和截面尺寸宜自下而上逐渐减小。使得抗侧力结构的承载力和侧向刚度分布合理，避免因局部削弱或突变形成结构薄弱部位，产生过大的塑性变形集中或应力集中，另外，为了减小扭转作用的影响，需使各层刚心和质心尽可能处于同一竖直线上。

（3）结构布置的其他要求：钢结构房屋的楼盖宜采用非组合楼板或压型钢板现浇混凝土组合楼板。对不超过12层的钢结构尚可采用装配整体式钢筋混凝土楼板、装配式楼板或其他轻型楼盖。超过12层的钢结构应设置地下室。地下室的设置，可提高上部结构的抗震稳定性、提高结构抗倾覆能力、增加结构下部整体性、减小沉降。

（三）钢结构房屋适用的最大高度和高宽比

根据结构总体高度和抗震设防烈度确定结构类型和最大适用高度。影响结构整体稳定性和抗震性能的重要参数即结构的高宽比，它对结构刚、侧移和振动形式有直接影响。高宽比指房屋总高度与平面较小宽度之比。高宽比值较大时，一方面使结构产生较大的水平位移及P―△效应，还由于倾覆力矩使柱产生很大的轴向力。因此，需要对钢结构房屋的最大高宽比制定限值，不宜大于合理的限值，超过时应进行专门研究，采取必要抗震措施。

四、钢结构框架抗震设计

钢结构框架抗震的力学性能与计算模型吻合情况如何主要取决

于三个方面:构件、节点、支撑。对于构件问题，其在弹性工作状态下的性能已是十分清楚，也有很好的计算方法。在钢结构框架体系中，构件是否能被允许进入塑性阶段有待于探讨，对重要结构，一般情况下是不允许进入塑性阶段的，即不考虑利用构件进入塑性后的那部分