钢结构建筑的抗震设计性能分析与研究

2016-04-09张忠良

四川水泥 2016年10期

关键词：抗震钢结构框架

张忠良

（成都艺术职业学院四川成都 611433）

钢结构建筑的抗震设计性能分析与研究

张忠良

（成都艺术职业学院四川成都 611433）

钢结构建筑具有抗震性能高、工业化生产程度高、施工周期短、节能环保、便于运输、施工速度快、延展性好等优点，已成为现代主要建筑结构之一。本文就钢结构建筑的抗震设计进行分析和研究。

钢结构；抗震；抗震设计

在众多的建筑结构之中，钢结构具有良好抗震性能。钢结构抗震设计已经是现代建筑结构设计的重要内容，充分了解钢结构建筑的震害破坏原理和震害破坏过程，在抗震设计准则的前提下，合理地确定钢结构的各种震害问题，方可采取可靠的抗震解决方案。

一、钢结构建筑的抗震设计现状

结构的抗震设计有两类途径，一类是主动控制法：是对外荷载实现联机跟踪和预测，并通过作动器对结构施加控制力来改变结构的动力特性，如：加阻尼器；另一类是被动控制法：通过改善结构本身的特征，实现对结构模态变量的控制或优化，改变结构的动力特性，如：加大结构截面或优化变形薄弱区。

国內常用的结构抗震设计方式，是以承载力为基础的设计，通常取结构的动应力特别是动拉应力为抗震设计时的控制指标。多次震害表明，结构破坏、倒塌的主要原因是变形过大，超过了结构能承受的变形能力，因此，国外学者又提出了基于位移的抗震设计，以结构的变形作为抗震设计时的控制指标，要求结构的变形值要满足在地震作用下的变形要求。

国內常常采用反应谱法，是采用振型分解反应谱法进行结构抗震计算，再对大量地震反应谱进行统计分析而确定。地震反应谱的计算理论是相当经典的，在短周期段内只要地震记录准确，地震反应谱就准确，但是地震反应谱在长周期段却不准确。高层钢结构建筑自振周期较大〔如上海中心、广州电视塔等），地震反应谱法对高层钢结构建筑的分析偏差较大，因此，对于长周期段的反应谱法还需要进一步研究。还有钢结构自身阻尼较小，按现行抗震规范的计算方法，在考虑结构延性以后地震作用力减小的同时又因阻尼比降低而加大。以上种种不确定因素使得钢结构的用钢量比理论上偏高。

二、钢结构建筑的抗震设计技术要求

（一）钢结构建筑的钢材性能要求

钢结构的钢材应符合下列规定：

1、抗侧力结构的钢材宜采用两种：B级Q235碳素结构钢和Q345低合金高强度结构钢，其质量应符合国标《碳素结构钢》和《低合金高强度结构钢》的规定。当有特殊要求时，也可采用其它满足技术要求的钢材。

2、采用焊接方式连接的节点，当板厚大于等于 40mm，且沿板厚方向承受拉力作用时，该处钢材应满足沿厚度方向受拉试件破坏后的断面收缩率的附加要求，不得小于国标《厚度方向性能钢板》（GB/T5313)的规定。

3、丙类以上抗震设计类别的抗侧力体系钢结构中，所有坡口全熔透焊缝的填充金属应满足规范要求和低温抗冲击要求。

（二）钢结构建筑的抗震结构布置

1、平立面布置应符合抗震概念设计的要求，不应采用不规则的设计方案。即建筑的平面、立面布置和结构体系选择，应做到形体简单、规则、均匀、对称，建筑的总体刚度中心与建筑的质量中心相重合或相接近，建筑的刚度和质量沿竖向均匀连续、无突变。

2、避免采用不规则的结构方案，不设防震缝。如果建筑必须采用比较复杂的平面形状时，则宜用防震缝将建筑划分为几个平面规则的独立单元，为了避免地震时各单元之间相互碰撞，防震缝的宽度应不小于相应钢筋混凝土结构房屋的1.5倍。

（三）钢结构建筑的结构设计原则

1、结构体系选择。应根据建筑的抗震设防类别、抗震设防烈度、建筑高度、场地条件、地基、结构材料和施工等因素，从技术、经济和使用条件综合考虑确定。

2、结构体系应有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径，多道抗震防线。宜使结构在两个主轴方向的动力特性相近，并使其基本自振周期远不同于场地的特征周期，以防止共振，减小地震作用。

3、遵循“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件”的原则，应避免因局部结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。

4、结构应具有足够的抗震承载能力、变形能力和消能减震的能力。例如，为避免梁柱刚性节点发生脆性破坏，可采用在节点附近削弱梁翼缘截面，或在节点处设置加强梁段的办法，充分发挥塑性转动能力和耗量的能力。

5、对薄弱部位，预先采取措施提高抗震能力。

6、以小震不坏、中震可修、大震不倒为抗震目标，多遇地震按弹性设计、罕遇地震按弹塑性进行变形验算的两阶段设计方法进行抗震设计。

7、选择有利的场地和地基，场地影响钢结构的地震反应，钢结构的地震反应决定震害大小。因此应选择坚硬、均匀的场地，当无法避开不利的场地时，必须采取补救措施。

三、钢结构建筑的抗震结构体系选择

常用的结构体系有框架结构、框架-中心支撑结构和框架-偏心支撑结构几种。纯框架结构的特点是延性好，抗震性能好，但抗侧刚度较差，不宜用于受侧向控制的建筑。

框架-中心支撑结构的特点是抗侧刚度大，适用层数较多的建筑，但由于支撑构件的滞回性能较差，耗散的地震能量有限，抗震性能优于纯框架。

框架-偏心支撑结构的特点是可通过偏心连梁的剪切屈服，消耗地震能量，同时又能保证支撑不丧失整体稳定，抗震性能优于框架-中心支撑结构。

如果采用能与钢框架抗侧刚度相当的内藏钢板剪力墙和带竖缝剪力墙代替支撑，就构成钢框架-抗震墙板结构，其抗震性能优于框架-中心支撑结构。当需要建筑刚度更高时，可沿建筑周边设置密柱深梁框架构成钢框筒结构。钢框筒结构抗侧刚度大，并具有更好的抗震性能。

四、钢结构框架的消能、隔震措施

传统的防震思路是要求建筑结构具有一定的抗震性能，常常形成两种抗震方式：一是足够刚，提高结构的自身刚度来抵抗地震作用；另一种是足够柔，允许结构有一定的柔性变形，使结构在变形过程中吸收、释放、消耗掉一定的能量。这两种方式是在提高结构总体强度和刚度，是两个有效的抗震途径。当建筑高度很高，地震烈度很高的时候，前两种方式的抗震能力也很有限。

另外一种防震思路出现了：消能减震，隔震。对结构地震反应有重要影响的主要有两个因素：结构物的基本周期和阻尼比。采用消能结构可以在很大程度上延长了建筑物的基本周期，从而避开了地震输入的高能量频段；采用高阻尼减震装置使建筑物具有大变形的能力和强自复位能力。

使自由振动衰减的各种摩擦和其他阻碍作用，我们称之为阻尼。而安置在结构系统上的“特殊”构件可以提供运动的阻力，耗减运动能量的装置，我们称为阻尼器。钢结构抗震对阻尼器的要求：第一，在小振幅的振动下，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，从而允许大变位和大阻尼，以达到隔震目的；第三，隔振阻尼装置的竖向刚度远大于其水平刚度。