钢结构抗震设计若干问题研究

王 涛

(上海市机电设计研究院有限公司，上海 200040)

0 引言

强柱弱梁、强剪弱弯和强节点弱构件是结构抗震设计时应满足的重点，其实现方法在于构件内力的放大从而提高结构的抗震安全储备，增强结构的延性，从而提高结构的抗震性能。对于混凝土结构，规范和计算软件都有明确的要求，概念较为清晰，可以很轻松的实现。但对于钢结构，由于人们的不重视和计算软件的不完善，长期以来此概念较为模糊。

1 钢框架结构强柱弱梁要求

根据GB 50011—2010建筑抗震设计规范[1](以下简称《抗规》)第8.2.5条要求，除下列三种情况外，钢框架结构均应验算强柱弱梁。

1)柱所在楼层的受剪承载力比相邻上一层的受剪承载力高出25%；

2)柱轴压比不大于0.4，或柱作为轴心受压构件在2倍地震作用下稳定性能得到保证；

3)与支撑斜杆相连的节点。

三种情况满足其中任意一条，此时认为柱较强，不需要验算强柱弱梁。

如以上三点均不满足，则需验算强柱弱梁。

依据《抗规》8.2.5-1，验算公式：

∑Wpc·(fyc-N/Ac)≥η∑Wpb·fyb。

《抗规》对强柱系数η的要求：

抗震等级为一级时取1.15，二级取1.10，三级取1.05。

需要注意的是，此公式只是验算，并没有将柱内力真正放大。

2 单层钢结构厂房强柱弱梁要求

根据GB 51022—2015门式刚架轻型房屋钢结构技术规范[2]第6.2.7条，门式刚架结构可不进行强柱弱梁的验算。

根据《抗规》第9.2.11条条文说明，柱顶和柱底出现塑性铰是单层钢结构厂房的极限承载力状态之一，因此单层钢结构厂房不需要考虑强柱弱梁。

因此可见，对于单层钢结构厂房，无论是轻型门式刚架厂房还是一般钢结构厂房，都不需要考虑强柱弱梁的验算。

3 钢结构强剪弱弯要求

根据《钢结构设计手册》[3]下册，按照弹性设计时，钢结构梁端剪力设计值V=(Mbl+Mbr)/Ln+Vgb，柱端剪力设计值V=(Mcb+Mct)/Hn。由以上公式可以看出，钢结构梁柱的剪力没有放大调整，钢结构没有考虑强剪弱弯。

经过实际工程计算验证，在同样的地震力计算下，调整钢结构梁柱的抗震等级，梁柱应力没有任何变化，调整梁柱的抗震等级只会影响到梁柱板件的宽厚比控制要求。

4 钢框架结构强节点弱构件要求

根据《抗规》第8.2.8条，构件的连接，需要进行两阶段设计：

1)第一阶段：要求按构件承载力而不是设计内力进行连接设计。

按照等强进行节点连接设计；考虑如果节点按照内力设计，若内力较小，计算得出的连接较弱，往往很难满足第二阶段验算的要求。

2)第二阶段：进行连接的极限承载力验算。

根据《抗规》公式8.2.8-1～8.2.8-6,连接的极限承载力≥构件的屈服承载力×增大系数,根据《抗规》表8.2.8：增大系数只与连接方式有关，与抗震等级无关。

需要注意的是：极限承载力计算对应材料强度取值为fu，即为抗拉强度,屈服承载力计算对应材料强度取值为fy，即为屈服强度。

例如对于Q235钢材，fu/fy=1.6，Q345钢材，fu/fy=1.36。

fu>fy，公式不在同一材料取值和水准中加强节点，节点能否真正加强值得考虑。

在实际工程中，进行节点的极限承载力验算时，如果不采取措施加强节点，此验算较难通过规范要求。

5 单层钢结构厂房强节点弱构件要求

根据GB 51022—2015门式刚架轻型房屋钢结构技术规范第6.2.7条，门式刚架结构在梁柱采用端板连接或梁柱节点处是梁柱下翼缘圆弧过渡时，可不进行强节点弱构件的验算。

根据《抗规》第9.2.11和9.2.16条，单层钢结构厂房需要考虑强节点弱构件的验算。

6 结语

通过以上研究，我们可以得出以下结论：

1)钢框架结构需要考虑强柱弱梁，但是总体要求较混凝土结构明显降低，而且只是验算并没有真正放大钢柱内力。

2)对于单层的钢结构厂房，不需要考虑强柱弱梁。

3)钢结构没有考虑强剪弱弯。

4)除单层轻型门式刚架结构外，其余钢结构需要考虑强节点弱构件，在平时的钢结构节点设计中，往往忽略节点连接的极限承载力验算，如果不采取节点加强措施，此验算较难通过；对于设防烈度较高且比较重要的钢结构，此条应该是结构设计人员关注的重点。

[1] GB 50011—2010,建筑抗震设计规范[S].

[2] GB 51022—2015,门式刚架轻型房屋钢结构技术规范[S].

[3] 《钢结构设计手册》编辑委员会.钢结构设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.