钢结构的抗震优越性

吴培祥

山东华兴钢构有限公司

钢结构的抗震优越性

吴培祥

山东华兴钢构有限公司

本文针对钢结构的自重、强度、塑性与耗能等方面的特点，并且结合实例分析、对比了钢结构与混凝土结构建筑物在地震过程中受破坏程度，得出钢结构在抗震作用上有明显的优越性的结论。

钢结构；混凝土结构；抗震性能；优越性

钢结构实用于普通建筑、高层建筑、大跨结构。许多标志建筑大都为钢结构，如：纽约的西尔斯大厦、北京的鸟巢、水立方、上海金茂大厦、深圳地王大厦、苏通长江大桥。钢结构应用广泛与其良好抗震性能密不可分，许多地震实例表明其可以减少地震对建筑的破坏。

1　强度高、自重轻

钢材强度比混凝土材料强度高很多，以Q235与C30混凝土相比，钢的抗压强度为混凝土的14倍，而密度仅为混凝土的3.2倍，因而对相同承载力要求的构件，材质采用钢比混凝土构件断面小，自重轻。钢构件采用空腹截面和格构型式来增大截面惯性矩，从而很大程度地提高了材料的利用率，减轻结构重量。另外钢结构的配套封闭墙体一般为复合石膏板、ALC轻质板体等轻质彩钢夹心板，而混凝土结构的填充墙多用相对密度大的加气混凝土砌块、空心砖，这不仅加大结构的重量，减小结构的自震周期，而且很容易使结构柱形成短柱。结构的轻质性可以用材料的质量密度和强度的比值来衡量，比值越小，结构相对越轻。

2　塑性变形好、耗能强

钢材其组织均匀，为理想的弹塑性体，钢材的延伸率可超20%。这使结构刚度减小，结构自震周期大，能衰减地震波，减小地震破坏。

3　各种体系的抗震性能

3.1框架体系抗展性能

框架体系由沿纵横方向的多福框架构成及承担水平荷载的抗侧力结构，同时也是承担竖向荷载的结构。

在高烈度地震区，钢结构体系自重较轻，确保了结构的可靠性和抗震安全性，它在抵御地震方面处于其它材料无法与之相比的优势地位，而且，其利用整体的空间作用功能，形成较强的侧向刚度，承担地震，能够具有较好的延性。

3.2框架一支撑体系抗展性能

框架一支撑体系是在框架体系中沿结构的纵、横两个方向均与布置一定数量的支撑所形成的结构体系。在框架一支撑体系中，框架是剪切型结构，底部层间位移大，支撑为弯曲型结构，底部层间位移小，两者并联，可以明显减小建筑物下部的层间位移，因此，在相同的侧移限值标准的情况下，框架-支撑体系可以用于比框架体系更高的房屋。

3.3中心支撑指斜杆与横梁及柱交汇于一点，或两根斜杆与横杆交汇于一点，也可与柱子交汇于一点，但是汇交时均无偏心距。主要类型有X型、单斜支撑、人字型支撑、K型支撑及V型支撑。

中心支撑是一种常用的支撑类型，具有较大的侧向刚度，对减小结构的水平位移和改善结构的内力分布是有效的，但在反复的水平地震下，会产生下列后果：支撑斜杆重复压曲后，其抗压承载力降低；支撑的两侧柱子产生压缩变形和拉伸变形时，由于支撑的端节点实际构造做法并非铰接，引发支撑产生很大的内力和应力；斜杆从受压的压曲状态转变为受拉伸状态，将对结构产生冲击作用，使支撑及其节点和相邻的结构产生很大的附加应力；同一支撑框架内的斜杆轮流压曲又不能恢复，楼层的受剪承载力迅速降低。因此，对于地震区建筑，不得采用斜杆两端铰接的K型支撑，因K型支撑的斜杆因受压屈曲或者受拉屈服时，使柱子发生屈曲甚至严重破坏。

3.4偏心支撑偏心支撑是指支撑斜杆的两端，至少有一端与梁相交（不在柱节点处），另一端可在梁与柱交点处连接，或偏离另一根支撑斜杆一段长度与梁连接，并在支撑斜杆杆端与柱子之间构成一消能梁段，或者在两根支撑斜杆之间构成一消能梁段的支撑。

偏心支撑的消能原理：在多遇地震时，它们都处于弹性状态，罕遇地震时消能梁段屈服形成塑性铰，且具有稳定的滞回性能。

当消能梁段由于较大的地震力作用进人了应变硬化阶段时，其余构件如支撑斜杆、柱和梁的其他梁段仍能保持弹性工作状态。消能梁段的屈服过程使结构刚度降低、减小了地震作用，即起到消能或结构的“保险丝”作用。偏心支撑耗能梁段的设置部位决定支撑的布置。

根据震害经验，偏心支撑最好采用消能梁段位于横梁中部的支撑形式，因为与柱相连的消能梁段地震时易损坏。

3.5框架一抗展墙板体系抗展性能

以框架为主，并配置一定数量的抗震墙板。其特点是可以根据需要布置在任何位置上，布置灵活。另外抗震墙板可以分开布置，两片以上抗震墙并联体较宽，从而可减小抗侧力体系等效高宽比，提高结构的抗推刚度和抗倾覆能力。抗震墙板主要有以下三种类型：

①钢板抗震墙板

②内藏钢板支撑抗震墙板③带竖缝混凝土抗震墙板。

内藏钢支撑抗震墙板，是以钢板为基本支撑，外包钢筋混凝土墙板的预制构件，内藏钢板支撑可做成中心支撑也可以做成偏心支撑，在高烈度地区，宜采用偏心支撑。

其耗能机理是：弹性阶段墙板的钢支撑与钢筋混凝土形成刚度较大的抗侧力构件，支撑不受稳定控制，弹塑性阶段混凝土开裂，刚度减小，由支撑单独承担刚度变化后的水平力，仍可保证结构的安全，结构刚度减小的过程即完成抗震耗能的作用。带竖缝钢筋混凝土抗震墙板的是指它在墙板中设有若干条竖缝，将墙板分割成一系列延性较好的壁柱。预制墙板的耗能机理：弹性阶段时由各缝间及其范围内的实体墙共同构成的“并联壁式框架”承担水平力，可具有较强的侧向刚度。在弹塑性阶段，各缝间墙肢弯曲屈服，同时产生裂缝，侧向刚度变小，使整体结构能量消耗，起到减震耗能的作用。

3.6隔展体系抗展性能

隔震结构体系是在结构物的底部与基础之间加设隔震装置而构成的体系。现在应用最多的隔震装置是“橡胶隔震支座”。它是用多层橡胶片和钢板叠合而成的圆柱体。一般在基础与上部结构之间要放多个隔层支座。相对来讲，隔震支座的水平刚度较小，且具有较好的阻尼消能特性和弹性恢复特性。当强震发生时，由地面运动引起的结构位移大部分集中在隔震支座上，并且由于隔震支座有很好的阻尼和消能特性，大部分地震能量都耗散在隔震层上。

4　结束语

钢结构自重轻、强度高、材质均匀、延性塑性优越等特性，使其在地震往复荷载作用下，具有强劲耗能能力，其抗震性能明显优于混凝土结构，可以提高建筑的安全性，伴随我国经济实力的增强，钢结构将会广泛应用于工业与民用结构中。

［1］吴培明.混凝土结构（上册）［M］.武汉：武汉大学出版社，2000.

［2］施岚青.混凝土结构［M］.北京：机械工业出版社，2013.