钢结构抗震设计研究

占文才

摘要：由于钢结构良好的抗震性、延展性等优点，使其在现代建筑中得到广泛应用。抗震设计是钢结构设计的重要考虑因素，如何在当前钢结构建筑中减少地震对钢结构的破坏成为设计人员日益重视的问题。文章就钢结构在震害中的主要破坏部位出发，探讨了提高钢结构抗震设计的具体要求，以期对钢结构设计人员提供参考。

关键词：钢结构；抗震设计

目前，随着科学技术的快速发展和建筑技术的不断进步，钢结构越来越广泛的应用到现代建筑中。钢结构施工周期短、节能环保，并且具有良好的延展性。特别是良好的延展性特点可以有效减弱地震波的扩散，减少地震对建筑的破坏。因此，加强钢结构抗震设计，以增强钢结构抗震性能，对于提高钢结构整体设计质量和安全性具有重要意义。

1钢结构易受破坏部位

1.1结构的整体倒塌破坏

根据对墨西哥大地震钢结构塔楼倒塌的调查研究发现，地震发生时，由于偏位设置纵横向垂直支撑，造成塔楼质量中心和刚度中心距离差距太大，在地震中引发了强烈的扭转效应，导致钢柱承受力远小于其受到的作用力，从而造成塔楼发生严重破坏和结构性倒塌。根据对阪神地震的研究发现，按照新规范设计建造的钢结构要比按原有水平设计的钢结构拥有更好地防震性能，这充分说明了钢结构损害的严重程度与钢结构抗震设计水平存在很强的正相关关系。

1.2节点连接的破坏

1.2.1支撑连接断裂破坏。在多次地震中都发现了支撑与柱之间的连接破坏或支撑与节点板之间连接的破坏。框架-支撑结构中最重要的抗侧力部分是支撑，地震发生时，它会直接受到水平地震的冲击作用，一旦某处楼层的支撑遭到破坏，那么该楼层便成为承受力薄弱的隐患楼层，会带来严重后果。采用螺栓连接的支撑其主要破坏形式有支撑杆件落空间剪切滑移受到破坏、节点板端部剪切滑移受到破坏和支撑截面削弱处发生断裂等情况。

1.2.2框架梁柱节点裂穿破坏。调查发现裂缝破坏起源于焊缝的概率达到95%，起源于母材的只有5%。主要原因可能是梁端焊缝通过孔边缘发生了应力集中引起裂缝，进而扩展到平材；在下翼缘梁端现场焊缝中部存在缺陷，检查和焊接过程受到腹板的阻碍，出现了焊接不连续；焊缝金属有很低的冲击韧性；梁翼缘端全熔头坡口焊在衬板边缘形成了较大的人工缝，在竖向力的作用下不断加大；梁上翼缘焊缝没有相应的腹板妨碍焊接同时上翼端有楼板作用加强，因此裂缝主要发生在下翼端。

1.3构件的破坏

1.3.1钢柱发生脆性断裂。发生原因主要为：箱形截面柱壁厚过大，在焊接过热的情况下容易降低焊缝附近钢材的延展性；焊接缺陷造成的缺陷部位容易引起钢柱断裂；倾覆性力矩和竖向地震在钢柱内产生了强大的拉力。

1.3.2支撑杆件的断裂破坏、整体失稳和局部失稳

支撑杆件可以看做是两端简支轴心受力的构件，在多遇地震和风荷载作用下，能够保持弹性工作状态，如果设计合理恰当，在一般情况下是不会失去整体稳定的。但当遭遇大型地震的情况下，强烈的往复压力会作用在中心支撑构件上，构件为耗散能量会产生塑性屈服，这时就会发生整体失稳现象。支撑在压力作用下逐渐失去稳定形成了压弯杆，此时的支撑承载力下降很快，在杆中间部位也会形成塑性铰。在接着的压力作用下残余塑性弯曲变形又会形成反向塑性铰，全截面便会受拉屈服。要避免板件在往复压力作用下形成局部失稳或断裂破坏，就要适当限制支撑板件的宽厚比。

2改善钢结构抗震设计的要求

2.1采用恰当的抗震结构体系。结构体系应该具有恰当的地震作用传递手段和明确清晰的计算简图，并根据建筑高度、抗震类别、地基、结构条件、抗震设计烈度等综合考虑选择恰当的体系。同时还要有多重抗震屏障：体系内部应该包含最大限度数量的外部或内部富余度，使其能够在结构合适的部位形成有力的屈服区以保证结构可以尽可能的耗散和吸收地震能量；结构应保持良好的耗能、变形能力，具备必须的刚度强度以形成优良的坚韧性；体系内部应当分成多个延展性比较好的分体系，并用优良的联系构件进行连接。

2.2实施合理的结构设计。要加强技术设计提高抗震能力以应对构件可能形成的薄弱部位，如为防止支撑连接节点会在杆件破坏前发生变形弯曲或断裂就应该加强弱构件强节点的设计理念；要尽量防止因部分构件或结构破坏而造成整个结构失去对重力荷载的承受能力或抗震能力，如为避免柱体内部形成倒塌结构应加强框架结构弱梁强柱的设计理念；为尽量体现小震不坏、强震不倒的设计目标，宜采用按弹塑性进行变形验算的二阶段设计应对罕遇地震、按弹性设计应对多遇地震的方法进行有针对性的抗震设计，在进行大地震验算时钢结构会进入弹塑性形态，此时阻尼比可相对增大，保持在0.05左右，在进行小地震验算时钢结构一般进入的是弹性形态，此时阻尼比应相对减小，保持0.02左右；可采用在节点处安置加强梁段或在节点周围削弱梁翼绝缘面的办法，来使承受最大应力的截面脱离梁柱接触表面，以发挥消耗地震能量和塑性转动的能力，从而防止梁柱刚性节点发生破坏。

2.3采取正确的结构布置。对于钢结构建筑房屋应该尽量防止采用不规则建筑结构方案，如果特殊情况下必须要选用相对复杂的平面形状时，应该尽可能根据防震缝把房屋划分成几个平面对称、规则的独立部分，同时防震缝宽度应当大于或等于相应钢筋混凝土结构房屋的1.2倍，以防止地震发生时各结构房屋之间发生碰撞；根据抗震设计要求应拒绝采用严重不规则的建筑设计方案，在布置房屋的立面、平剖面和结构体系时，应尽可能的做到房屋平面规则相互对称、屋型简单，并尽量使房屋的质量和刚度在竖向方向上没有突变，保持连续均匀。

2.4严格选取钢结构材料。钢结构性能应该满足以下要求：钢材应具有良好的冲击韧性和合适的焊接性；钢材的屈服强度和抗拉强度之间的实测比应该不低于1.2；应采用屈服强度低于345N/mm2钢材作为偏心支撑框架的耗能连梁；钢材要有可见的屈服台阶，其伸长率不应小于20%；对于抗震级别为C类以上的抗侧力钢结构，其全部的破口应为全熔透焊缝的填充金属，同时保证其零下30摄氏度的夏比冲击功不小于25J；进行焊接连接的节点，当出现板厚大于40mm并在沿板厚方向会承受相应的拉力时要严格规定沿厚度方向受拉破坏后断面收缩率的要求。

2.5选取有利的建筑抗震地基和场地。建筑场地地质、地形等方面直接影响了建筑钢结构遭遇地震时的反应，而钢结构地震反应的大小又间接决定了钢结构的破坏程度，所以抗震设计时应该尽可能选取坚硬的中硬土场地，对于不可避免的不利场地要最大限度的采取应对和补救措施。

3结语

钢结构抗震设计是贯穿在钢结构设计中的重要组成部分，它直接关系钢结构建筑的抗震能力和质量，是钢结构设计人员需要高度重视的关键问题。针对以往地震中出现的钢结构整体倒塌、连接节点发生破坏、构件发生破坏等损坏问题，设计人员应当充分了解和掌握钢结构建筑遭遇地震时的破坏过程和破坏机制，根据钢结构抗震设计的各种准则和要求，加强技术突破和新技术的应用，综合分析灵活运用各种条件，确保钢结构抗震设计符合实际需求，并不断提高钢结构的抗震能力和质量，以加强钢结构建筑的安全性。

参考文献

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[2] 张保,聂子云.钢结构的抗震性能分析与设计[J].硅谷,2010,06(10): 61-62.