浅谈钢结构建筑的抗震能力设计及建议

邓锋　李继梅

摘 要：钢材具有延性好、质轻和强度高等特点，钢结构在建筑中的应用日益广泛，钢结构建筑在受到地震作用下，良好的延性即使在产生很大变形的情况下不容易倒塌，从而保证整个建筑的安全性，但是钢结构建筑如果设计和建造存在不当，在地震作用下，结构很可能发生脆性破坏，不能够充分发挥钢材的性能，造成严重的后果，因而研究钢结构建筑的抗震设计具有十分重要的意义和价值。

关键词：钢结构建筑；抗震设计；构造

中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：1671-3362（2013）07-0019-01

1 钢结构建筑的震害特点分析

1.1 节点连接破坏

节点连接破坏大致分为框架梁柱节点破坏和支撑连接破坏两种情况。引起框架梁柱节点破坏产生的原因如下：裂缝出现在节点的下翼缘是由于钢结构的梁的上翼缘焊接缝无腹板而影响焊接；梁端焊缝穿过孔边缘而出现应力集中，进而导致裂缝产生；焊缝本身存在质量缺陷；焊缝金属的冲击韧性比较低，不符合钢结构性能的要求等。

采用螺栓支撑连接的钢结构，支撑杆件螺孔之间的剪切滑移，节点板端的剪切滑移以及支撑面的断裂都会降低钢结构的稳定性，钢结构建筑的支撑结构中影响抗震性能的抗侧力部分，一旦发生地震将会首先承受地震的水平作用，如果建筑的某一个楼层的支撑发生损坏，将会削弱整个楼层抗震性能，进而会影响到整个建筑的抗震性能。

1.2 构件破坏

支撑杆件的失稳和断裂破坏在框架支撑结构中比较常见，支撑杆件只要设计得当，在多遇地震作用下能够保持弹性工作状态，一般不会出现失去整体稳定，在罕遇地震作用下，支撑构件由于受到巨大的往复拉压作用，将会出现整体失稳，建筑解耦股进入塑性屈服状态，随找拉压循环次数的增加，钢结构的承载力将会衰弱，在支撑杆件的中央形成塑性铰，只有杆件形成反向塑性铰之后，支撑杆件的抗拉刚度才会逐步恢复。

分析1995年的阪神地震，钢柱的脆性断裂主要发生在14层以下的楼层中，并且都是脆性受拉断裂，出现钢柱脆性断裂的成因如下：钢柱断裂主要出现在拼接焊缝周围，这和焊接质量有很大的关系；钢柱都是暴露在室外，而地震发生的寒冬季节，温度比较低，影响钢材的抗拉伸刚度；一些钢柱的壁厚超过50mm，焊接过程中造成焊接区域过热，降低钢柱的延展性能；倾覆力矩和竖向地震在钢柱中产生很大的拉力。

1.3 构件的倒塌破坏

1985年的墨西哥大地震中，有一个综合大楼的3栋钢结构建筑，其中一栋发生倒塌，其他两栋发生严重破坏，这3大楼采用框架支撑结构体系，发生倒塌和严重破坏的主要原因是由于纵横向垂直支撑偏位设置，导致质量重心和刚度中心相距太大，在大地震的作用下，产生较大的扭转效应，钢柱的承载力小于地震作用力，进而引发结构倒塌和破坏。由此可见规则对称的结构体系对钢结构建筑的抗震性能提升十分有利。

2 钢结构的抗震体系

钢结构建筑的结构体系有框架结构体系、框架中心支撑结构和框架偏心支撑结构等。框架结构体系具有良好的结构延性，使得该结构具有优良的抗震性能，但是由于抗侧刚度不足，不宜用于高层建筑中。框架中心支撑结构体系具有极强的抗侧刚度，适用于高层建筑中，但是支撑构件的滞回性能比较差，对于地震能量耗散能力有限，抗震能力明显不如框架结构。框架偏心结构能够利用偏心连梁的剪切屈服来耗散地震能量，还能够确保支撑结构的整体稳定，具有极强的抗震性能。

3 钢结构的抗震设计

3.1 合理选择钢结构建筑的场地和地基

选择建筑场地之前，首先应该结合整个建筑的需求，掌握建筑所处场地的地震活动情况和工程地质资料，对建筑场地进行综合评价，将建筑选择对抗震有利的区域，尽量避开对抗震不理的地质结构，例如软弱场地、边坡边缘等。为了避免钢结构建筑出现不均匀沉降而导致结构产生裂缝、倾斜等，使建筑结构构件过早进入塑性区，同一结构单元的结构不能设置在不同的地基上，应该加强地基的整体性和刚性，不利场地和地基应该采取补救加固措施等。

3.2 科学合理设计钢结构建筑的结构

首先钢结构建筑形状力求规则和简单，这样钢结构建筑的受力性能比较明确，地震作用力对建筑结构的破坏比较小，在抗震设计中尽量要求建筑形状规则和对称，来减少刚度中心和质量重心的偏移。其次是钢结构建筑的强度、刚度和承载力应该连续变化，在楼层平面内均匀变化，并且沿着建筑结构竖向变化也要均匀和连续。

3.3 钢结构建筑的结构设计

首先建筑结构设计之前，综合考虑建筑抗震设防等级、地质条件、地基、施工材料、地震活动情况等因素选择合理结构体系，并且结构体系必须要有明确的计算简图和地震作用的传递途径，可以考虑设置多道抗震防线。其次是要避免建筑构件破坏影响整个建筑结构的抗震能力或承载力，钢结构比较具有良好的变形能力、承载力以及耗散地震能量的能力，对于抗震薄弱部位和环节应该采取有效措施提升抗震能力。最后是抗震结构设计尽量用一些延性较好的分体系做成，并且用延性较好的构件连接起来。

4 钢结构建筑的设计建议

选择建筑场地和地基必须选择对抗震有利的场地和地基，这会在很大程度上影响钢结构的地震反应，而钢结构的地震反应将会直接体现在钢结构的震害上，对于无法避开的场地和地基应该采取必要的补救措施。

对于钢结构建筑的抗震设计注意以下两点：建筑结构形状力求规则和对称，这样能够减少刚度中心和质量重心的偏离；结构的刚度、强度和承载力要均匀连续变化。

综合考虑钢结构建筑各种因素选择合理的抗震结构体系，钢结构应该设置多道抗震防线，保证建筑结构的必要刚度和强度，使得建筑结构在地震中具有良好的变形能力以及耗能能力。

5 结语

钢结构建筑的抗震设计涉及面非常广，本文只是阐述具有代表性的抗震设计。总之，结构的抗震设计是建筑设计的重要组成部分，在抗震设计准则下，科学合理的解决钢结构抗震设计中的各种问题，才能够为我们提供一个安全的建筑。

参考文献

[1] 李国强， 孙飞飞.关于钢结构抗震存在的问题及建议[J].地震工程与工程振动，2006，26（3）：108-114.

[2] 郑玉峰.浅析钢结构抗震设计[J].科技创新导论，2011（15）：24.

[3] 陈晓光.钢结构抗震设计浅谈[J].建筑与结构设计，2008（11）：30-32.