钢结构抗震性能设计

浅析钢结构抗震性能的设计

摘要：钢结构在建筑行业得到了迅速发展，随着建筑造型和建筑功能要求日趋多样化，钢结构的抗震性能也不断的受到设计、施工等各方面的检验，文章通过对钢结构的特点、抗震性能等方面进行阐述，总结了目前建筑行业钢结构抗震设计的方法。

关键词：钢结构；建筑抗震；设计

引言

随着国民经济的快速发展以及人民生活水平的日益提高，钢结构已经广泛的应用在建筑行业，包括工业厂房、大跨度公共建筑、民用住宅等。钢结构在我国已经得到初步的发展，因其材料和结构形式的特点，钢结构具有建筑功能分区的可变性强、房屋自重轻、抗震性能优越、生产自动化施工装配化程度高和造价低综合经济效益好等优点。但推广和应用钢结构还需解决一系列的问题，实际设计和施工还存在不少争议和问题。这些都急需解决，以利于钢结构在我国健康快速持续发展。

一、钢结构的种类和特点

1、钢结构的种类

钢结构是指用钢板和热扎、冷弯或焊接型材通过连接件连接而成的能承受和传递荷载的结构形式。钢结构体系具有自重轻、工厂化制造、安装快捷、施工周期短、抗震性能好、投资回收快、环境污染少等综合优势，与钢筋混凝土结构相比，更具有在“高、大、

轻”三个方面发展的独特优势，在全球范围内，特别是发达国家和地区，钢结构在建筑工程领域中得到合理、广泛的应用。钢结构行业通常分为轻型钢结构、高层钢结构、住宅钢结构、空间钢结构和桥梁钢结构5大子类。

钢结构在各项工程建设中的应用极为广泛，如钢桥、钢厂房、钢闸门、各种大型管道容器、高层建筑和塔轨机构等。

2、钢结构的特点

2.1、钢结构自重较轻

2.2、钢结构工作的可靠性较高

2.3、钢材的抗振（震）性、抗冲击性好

2.4、钢结构制造的工业化程度较高

2.5、钢结构可以准确快速地装配

2.6、容易做成密封结构

2.7、钢结构易腐蚀

2.8、钢结构耐火性差

二、钢结构的抗震性能

不同的结构形式，抗震性能明显不同。混凝土结构的房屋受压较好，但不抗拉力，两种力的差距达10倍。当地震来临时，房屋在地震波循环荷载情况下，极易发生整体垮塌。

而钢结构具有良好的延展性，可以将地震波的能耗抵消掉。钢材基本上属各向同性材料，扛拉、抗压、扛剪强度均很高，而且具

有良好的延展性，特别是钢结构凭着自己特有的高延展性减轻了地震反应。钢结构还可以看作比较理想的弹塑性结构，可以通过结构的塑性变形吸收和消耗地震输入能量，从而具有较高的抵抗强烈地震的能力。钢结构相对于其他结构自重轻，这也大大减轻了地震作用的影响。钢结构除了抗震性能高，施工周期短、工业化程度高、环保性能好的特点也显著优于混凝土结构。

三、钢结构在震害中的破坏形式

1.结构倒塌。钢材发生平面外弯曲失稳造成。

2.支撑构件破坏。支撑构件为结构提供较大的侧向刚度，当地震强度较大时，承受的轴向力增加，如果支撑的长度、局部加劲板构造与主体结构的连接构造等出现问题，就会出现破坏和失稳。

3.节点破坏。铆、拴、焊节点传力集中，构造复杂，施工难度大，容易造成应力集中，强度不均匀现象，再加上可能的焊缝缺陷、构造缺陷，就更容易出现连接破坏。梁柱节点可能破坏现象有加劲板断裂、扭曲，腹板断裂、扭曲，焊接部位拉脱，铆接断裂以及螺栓连接的破坏等等。

4.基础锚固破坏。主要有螺栓拉短、混凝土锚固实效、连接板断裂。主要是涉及构造、材料质量、施工质量等问题造成。

5.构件破坏。框架梁等的破坏形式主要有腹板开裂、腹板屈曲和翼缘板屈曲、扭转屈曲。框架柱的破坏主要由柱子受拉断裂，翼缘屈曲，翼缘撕裂失稳。构件拉断的原因估计是地震造成的倾覆拉力较大，动应变速率较高，材料变脆等。

四、钢结构的抗震设计

1、钢结构预制构件拼接建筑结构。张晓波[1]从汶川抗震救灾中广泛使用的活动板房，归纳总结指出，在钢结构预制构件拼接建筑结构中，预制钢构件的连接增加了结构的超静定次数，从而增加了塑性铰的形成数量，构成多道抗震防线，不仅提高了结构的抗震可靠度，更延长了结构进入倒塌的过程。即使是纯框架结构(类似于汶川校舍建筑)之类的楼房，也能大大提高其抗震能力。且这种结构具有施工方便，工期短，自重轻，结构面积小，节能，维修方便等优点，可以作为抗震结构设计类型。

2、支撑布置方式。由于高度限制，用于高层钢结构建筑的框架体系常设置支撑。同时，为控制楼层的顶点位移及层间位移，可设置水平加强层。增加支撑体系和水平加强层是提高结构整体刚度，减少梁、柱用钢量有效方法之一，具有较好的经济效果。不同的支撑布置形式对其地震响应有不同的影响[2]。

3、轻型门式刚架设计。实腹式轻型门式刚架结构按截面形式主要有两种类型:等截面门式刚架和变截面门式刚架。门式刚架结构的主体结构一般由等截面或变截面的焊接(或轧制)h型钢门架构成，柱脚常设计为铰接或刚接，维护结构通常采用压型钢板作为轻型外墙和屋面。变截面的焊接h型钢门式刚架通常将构件腹板制成楔形，只改变腹板宽度，不改变腹板厚度、翼缘的宽度和厚度[3]。依据刚架的弯矩分布特点，门式刚架柱一般由一个楔形构件组成，

而梁则由几个楔形构件组成。轻型门式刚架结构体系具有施工速度快、安装方便、造型轻盈美观、造价低廉等诸多优点，近年来已经成为单、多层工业厂房、仓储库房和大跨轻钢结构的主要形式之一。

4、巨型梁设置。巨型梁的设置对整个巨型钢结构的抗震性能影响很大，是巨型钢结构抗震设计中的一个重要问题。实践研究发现，巨型梁的数量不是越多越好。此外巨型梁数量要保证结构具有足够的抗侧刚度，且要考虑巨型梁柱线刚度，使其相差不能太大，以利于抗震。在地震动作用下巨型梁位置的改变对结构的反应影响较大，而从反应谱分析中并未看出巨型梁位置改变对结构反应的影响。

5、轻型钢结构框架节点。冷弯型钢被称为高效截面型钢，具有承载力高，整体刚度较大，节省材料等优点。节点是冷弯型钢结构体系的重要组成部分，是结构传力体系的核心构件。

通过试验研究，将四种经典稳定判别准则中的初始缺陷准则应用于非线性有限元分析，提出了研究非线性分叉失稳的初始微小缺陷法。通过分析研究证明了初始微小缺陷法是易行的和符合实际的，揭示了初始微小缺陷是实际结构存在非线性分叉失稳的真正原因，指出在研究肘形刚架时，必须考虑其非线性分叉问题才能全面地了解它的稳定性能。

五、总结

钢结构由于在大跨度和施工周期方面较混凝土结构有很大的优