鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)分析

錢衛(wèi)華，耿慶花

（寧夏維思拓工程技術(shù)有限公司，銀川 750001）

國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)越來越廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中，其中，建筑結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）鋼結(jié)構(gòu)施工周期較傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)要短，同時(shí)工業(yè)化生產(chǎn)程度較高，保證了較短的生產(chǎn)周期；2）鋼結(jié)構(gòu)具有節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)，減少施工過程中對能源的浪費(fèi)；3）鋼結(jié)構(gòu)具有很好的延展性，在地震等自然災(zāi)害中具有良好的抗震性能，能吸收部分地震波產(chǎn)生的能量，減小地震對鋼結(jié)構(gòu)的破壞。

針對鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，國內(nèi)很多學(xué)者開展了相應(yīng)的研究，取得了一系列可參考的成果。李國強(qiáng)等人［1－3］針對目前鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中存在的2個(gè)主要問題，即忽視了鋼結(jié)構(gòu)延性好和彈性階段阻尼比較小的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范及美國相關(guān)規(guī)范的抗震設(shè)計(jì)規(guī)則，引入了結(jié)構(gòu)體系調(diào)整系數(shù)，同時(shí)對每類鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)給出了建議。此外，以5.12汶川大地震為例，概述了該次地震中建筑物的震害情況，介紹了鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能，提出了改進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)抗震性能的建議。結(jié)合世界各地震害記錄可以發(fā)現(xiàn)，在相同場地條件和地震烈度的情況下，采用鋼結(jié)構(gòu)的建筑震害相對采用傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑要?。?－5］。以1985年9月墨西哥發(fā)生的里氏8.1級大地震為例，對于建造于1976年后的鋼結(jié)構(gòu)建筑而言，沒有發(fā)生一處嚴(yán)重破壞或者倒塌，而與之對應(yīng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，發(fā)生嚴(yán)重破壞的有6處，倒塌4處，由此可見，鋼結(jié)構(gòu)在地震災(zāi)害中表現(xiàn)出良好抗震性能。

鄭玉峰［6］結(jié)合多年從事鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)工作的經(jīng)驗(yàn)，從鋼結(jié)構(gòu)抗震體系、鋼結(jié)構(gòu)的破壞部位方面進(jìn)行分析，總結(jié)了鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。除此之外，結(jié)合現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范，同世界其他地震國家相關(guān)規(guī)范進(jìn)行了對比分析，提出了很多有用建議［7－11］。

1 鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能

鋼結(jié)構(gòu)一般具有以下特點(diǎn)：材料重度較低且具有很高的強(qiáng)度、良好的延展性能和滯回曲線比較飽滿等，以下進(jìn)行詳細(xì)說明。

1）從材料強(qiáng)度方面來講，鋼材的強(qiáng)度約為混凝土材料的8倍，而材料重度方面，前者重度僅為混凝土重度的3.2倍，因此，針對相同承載條件下，鋼材料結(jié)構(gòu)在重量方面比混凝土結(jié)構(gòu)要輕很多。其次，從結(jié)構(gòu)構(gòu)件的橫截面形狀來看，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件一般為空腹截面，常用的如槽鋼、工字鋼、角鋼等，鋼構(gòu)件對橫截面具有較高的利用率；相應(yīng)的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件，一般為實(shí)腹截面，如長方形、正方形等。對于高層鋼結(jié)構(gòu)建筑，采用鋼結(jié)構(gòu)可以明顯降低結(jié)構(gòu)整體重量，因此，在地震中減小結(jié)構(gòu)所承受的地震力，減小地震對鋼結(jié)構(gòu)的影響。

2）根據(jù)鋼材和混凝土材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線可以發(fā)現(xiàn)，相對于混凝土材料，鋼材具有很好的彈塑性，表現(xiàn)出更好的延展性，這可以通過鋼材材料的延伸率來判斷，其材料延伸率可超過20%。在地震中可充分利用材料的延展性來抵抗地震對結(jié)構(gòu)的影響，減小地震對鋼結(jié)構(gòu)的破壞。

3）比較鋼材與混凝土材料的滯回曲線可以發(fā)現(xiàn)，鋼結(jié)構(gòu)材料的滯回曲線通常情況下都比較飽滿，在地震中能更好的消耗地震作用中產(chǎn)生的能量；而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的滯回曲線與前者相比，表現(xiàn)出明顯的捏攏效應(yīng)。對于結(jié)構(gòu)材料來講，其結(jié)構(gòu)滯回性能越好，在地震中對地震作用反應(yīng)越小，對地震作用有更好的抗震性能。鋼結(jié)構(gòu)材料的滯回曲線如圖1所示。

2 鋼結(jié)構(gòu)的抗震結(jié)構(gòu)體系

純框架結(jié)構(gòu)、框架－中心支撐結(jié)構(gòu)及框架－偏心支撐結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)體系是鋼結(jié)構(gòu)建筑中常見的集中體系，不同的結(jié)構(gòu)體系有不同的特點(diǎn)。一般來講，純框架結(jié)構(gòu)體系雖然具有良好的延性，但是受結(jié)構(gòu)體系的側(cè)方向剛度限制，較高層數(shù)的建筑結(jié)構(gòu)中一般不采用?？蚣埽行闹谓Y(jié)構(gòu)雖然具有較大的抗側(cè)向剛度，但是受支撐結(jié)構(gòu)滯回性能較差的限制，同時(shí)由于吸收地震能量有限，該結(jié)構(gòu)體系的抗震性能還不如純框架結(jié)構(gòu)。框架－偏心支撐結(jié)構(gòu)因?yàn)榭梢酝ㄟ^偏心連梁的剪切屈服來消耗地震過程中的能量，保證支撐結(jié)構(gòu)體系不發(fā)生整體失穩(wěn)，因此，該結(jié)構(gòu)體系較純框架結(jié)構(gòu)和框架－中心支撐結(jié)構(gòu)具有更好的抗震性能。對于一些高度更高的建筑結(jié)構(gòu)，可以在建筑周圍設(shè)置密柱深梁框架形成的框筒鋼結(jié)構(gòu)，其具有很大的抗側(cè)剛度，因此具有較好的抗震性能。

3 鋼結(jié)構(gòu)破壞部位

根據(jù)對國內(nèi)外多次地震震害的統(tǒng)計(jì)分析，可以得到鋼結(jié)構(gòu)在地震中發(fā)生的主要破壞有以下幾種：1）結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接的破壞；2）結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞；3）結(jié)構(gòu)的整體倒塌。

1）結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接的破壞 一般來講，節(jié)點(diǎn)連接破壞的原因在于以下幾點(diǎn)：（1）節(jié)點(diǎn)的下翼緣通常是裂縫出現(xiàn)的區(qū)域，這是由于鋼結(jié)構(gòu)的梁上翼緣部位有樓板的加強(qiáng)，同時(shí)，上翼緣焊縫無腹板在施焊過程中會(huì)影響施工過程；（2）焊接過程中，由于梁端孔邊緣結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，由此導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生；（3）在梁翼緣端部采用全溶性透坡口焊的襯板邊緣形成了人工縫，裂縫在豎向荷載作用下會(huì)進(jìn)一步發(fā)展延伸。

節(jié)點(diǎn)連接支撐采用螺栓連接時(shí)發(fā)生支撐破壞的形式主要有以下幾種：節(jié)點(diǎn)板端部剪切滑移的破壞、支撐桿件螺孔間剪切滑移的破壞和支撐截面削弱處斷裂。對于鋼結(jié)構(gòu)建筑來講，支撐是框架－支撐結(jié)構(gòu)體系中最為重要的抗側(cè)力部分，當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，支撐部分是首先承受水平地震作用的部分，比如鋼結(jié)構(gòu)中某層的支撐一旦發(fā)生破壞，將導(dǎo)致該樓層成為地震薄弱層，在地震中極易造成嚴(yán)重的后果。

2）結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞 當(dāng)支撐構(gòu)件的組成板件寬厚比較大時(shí)，往往伴隨著整體失穩(wěn)出現(xiàn)板件的局部失穩(wěn)現(xiàn)象，導(dǎo)致進(jìn)一步引發(fā)低周疲勞和斷裂破壞，這在以往的地震震害中并不少見。根據(jù)試驗(yàn)研究表明，要防止板件在往復(fù)塑性應(yīng)變作用下發(fā)生局部失穩(wěn)，進(jìn)而引發(fā)低周疲勞破壞，必須對支撐板件的寬厚比進(jìn)行限制，且應(yīng)比塑性設(shè)計(jì)的還要嚴(yán)格。

以1995年日本阪神大地震為例進(jìn)行說明，位于蘆屋市海濱城高層住宅小區(qū)的21棟巨型鋼框架結(jié)構(gòu)的住宅樓共有57根鋼柱發(fā)生了斷裂現(xiàn)象，所有箱形截面柱的斷裂都發(fā)生在14層以下的樓層里，并且都是脆性受拉斷裂，斷口呈水平的形狀。分析認(rèn)為有以下原因：（1）有的鋼柱斷裂發(fā)生在拼接焊縫附近，這里可能正是焊接缺陷構(gòu)成的薄弱部位；（2）與當(dāng)時(shí)的環(huán)境溫度有關(guān)系，結(jié)合當(dāng)時(shí)的情況可知，柱暴露于室外，當(dāng)時(shí)正值日本的嚴(yán)冬，鋼材溫度低于0℃；（3）豎向地震及傾覆力矩在柱中產(chǎn)生較大的拉力。

3）結(jié)構(gòu)的整體性倒塌 以1985年墨西哥發(fā)生的8.1級大地震為例進(jìn)行說明，墨西哥市內(nèi)的某個(gè)綜合大樓的3個(gè)22層的鋼結(jié)構(gòu)塔樓之一發(fā)生倒塌，其余2棟鋼結(jié)構(gòu)塔樓也發(fā)生了嚴(yán)重破壞，其中1棟已經(jīng)接近倒塌。通過研究分析發(fā)現(xiàn)，該3棟樓的結(jié)構(gòu)體系都是框架－支撐結(jié)構(gòu)。同時(shí)，塔樓發(fā)生倒塌或者嚴(yán)重破壞的主要原因在于塔樓抗震結(jié)構(gòu)體系的縱橫向垂直支撐偏位設(shè)置，從而導(dǎo)致剛度中心和質(zhì)量重心之間的距離相距太大，由此導(dǎo)致在地震中產(chǎn)生了較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，致使鋼柱的承載力小于作用力，引發(fā)了3棟相同的塔樓發(fā)生了嚴(yán)重破壞甚至倒塌。由此可見，規(guī)則對稱的結(jié)構(gòu)體系對抗震是十分有利的。

4 改進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)抗震性能的措施

通常來講，對于鋼結(jié)構(gòu)建筑，最重要的是控制結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)，因此可以通過改進(jìn)節(jié)點(diǎn)和支撐來進(jìn)行改進(jìn)，以此提高鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能。下面進(jìn)行說明：

1）改進(jìn)節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì) 針對節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)，學(xué)者也提出了一些有效措施，例如在梁腹板和抗剪連接板之間補(bǔ)充焊縫，在梁端加蓋板和梁端加腋等加強(qiáng)連接的方法。其中，采用梁柱半剛性連接也是一種很有效的方法。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，該連接方式具有良好的延性，梁柱間相對轉(zhuǎn)角的變形能力可以超過0.06rad。同時(shí)，在豎向荷載作用下，采用梁柱半剛性連接比剛性和鉸接更能充分地利用截面，如圖2所示。

2）采用屈曲約束支撐 屈曲約束支撐是在核心支撐外面添加一個(gè)約束構(gòu)件，同時(shí)，核心支撐和約束構(gòu)件之間可以發(fā)生自由滑動(dòng)。在工作狀態(tài)中，只有核心支撐是與框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接的，而約束構(gòu)件的作用則是防止核心支撐的側(cè)向變形，最終防止核心支撐在豎向壓力作用下發(fā)生整體失穩(wěn)。因此，屈曲約束支撐在拉壓作用下可以達(dá)到完全屈服。同時(shí)，該支撐具有較好的延性和飽滿的滯回曲線，因此，其抗震性能明顯優(yōu)于普通的鋼支撐。

5 建議和結(jié)論

1）選擇對建筑抗震有利的場地和地基，場地情況很大程度上影響了鋼結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，鋼結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)大小決定了鋼結(jié)構(gòu)的震害。因此在抗震設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)選擇堅(jiān)硬的中硬土場地，當(dāng)實(shí)在無法避開不利的或者危險(xiǎn)的場地的時(shí)候，應(yīng)采取補(bǔ)救措施。

2）選擇合理的結(jié)構(gòu)總體布置，主要注意以下兩點(diǎn)：（a）建筑形狀力求規(guī)則。在抗震設(shè)計(jì)時(shí)要求建筑形狀規(guī)則、結(jié)構(gòu)對稱，以此來減小質(zhì)量中心和剛度中心的偏離；（b）強(qiáng)度以及剛度應(yīng)連續(xù)變化?？拐鸾Y(jié)構(gòu)的剛度、承載力在樓層平面內(nèi)應(yīng)均勻，沿結(jié)構(gòu)豎向應(yīng)連續(xù)并且均勻。

3）選擇合理的抗震結(jié)構(gòu)體系，這主要包括應(yīng)該具有明確的計(jì)算簡圖以及合理的地震作用傳遞途徑；同時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有多道抗震防線，保證結(jié)構(gòu)必要的強(qiáng)度和剛度，在地震中具有良好的變形和耗能能力。

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