鋼結(jié)構(gòu)的抗震優(yōu)越性

劉 平 喜

(山西意迪光華電力勘測設(shè)計有限公司，山西 太原 030001)

鋼結(jié)構(gòu)的抗震優(yōu)越性

劉 平 喜

(山西意迪光華電力勘測設(shè)計有限公司，山西 太原 030001)

針對鋼結(jié)構(gòu)的自重、強度、塑性與耗能等方面的特點，并且結(jié)合實例，分析對比了鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)在地震過程中對建筑物的破壞性，得出鋼結(jié)構(gòu)在抗震作用上有明顯的優(yōu)越性的結(jié)論。

鋼結(jié)構(gòu)，混凝土結(jié)構(gòu)，抗震性能，優(yōu)越性

鋼結(jié)構(gòu)實用于普通建筑、高層建筑、大跨結(jié)構(gòu)。許多標志建筑大都為鋼結(jié)構(gòu)，如：紐約的西爾斯大廈、北京的鳥巢、水立方、海金茂大廈、深圳地王大廈、蘇通長江大橋。鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛與其良好抗震性能密不可分，許多地震實例表明其可以減少地震對建筑的破壞。

據(jù)有關(guān)機構(gòu)對臺灣9·21地震建筑物破壞情況的統(tǒng)計：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為52.5%、鋼結(jié)構(gòu)僅0.6%。在日本阪神地震后，神戶市政廳基本完好，而與其相鄰的一幢8層鋼筋混凝土建筑底整體坍塌。5·12汶川地震中采用磚木結(jié)構(gòu)，砌體結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)均破壞嚴重，而采用鋼結(jié)構(gòu)的綿陽體育館未受到損壞，成為安置災(zāi)民的主要地點。

鋼結(jié)構(gòu)較混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能強的特點源于其材料的強度高、自重輕、塑性變形好、耗能強。

1 強度高、自重輕

鋼材強度比混凝土材料強度高很多，以Q235與C30混凝土相比，鋼的抗壓強度為混凝土的14倍，而密度僅為混凝土的3.2倍，因而對相同承載力要求的構(gòu)件，材質(zhì)采用鋼比混凝土構(gòu)件斷面小，自重輕。鋼構(gòu)件采用空腹截面和格構(gòu)型式來增大截面慣性矩，從而很大程度地提高了材料的利用率，減輕結(jié)構(gòu)重量。

另外鋼結(jié)構(gòu)的配套封閉墻體一般為復(fù)合石膏板、ALC輕質(zhì)板體等輕質(zhì)彩鋼夾心板，而混凝土結(jié)構(gòu)的填充墻多用相對密度大數(shù)倍加氣混凝土砌塊、空心磚，這不僅加大結(jié)構(gòu)的重量，減小結(jié)構(gòu)的自震周期，而且很容易使結(jié)構(gòu)柱形成短柱。

結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)性可以用材料的質(zhì)量密度和強度的比值來衡量，比值越小，結(jié)構(gòu)相對越輕。建筑鋼材的比值為1.7×10-4m～3.7×10-4m，鋼筋混凝土約為18×10-4m，一般鋼結(jié)構(gòu)可比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)減輕自重約1/3～1/2。地震時結(jié)構(gòu)上作用的“荷載”是結(jié)構(gòu)反應(yīng)加速度和質(zhì)量引起的慣性力，由水平地震作用力FEK=α1Geq(Geq為等效重力總荷載)可得減輕結(jié)構(gòu)自重可以減小水平地震作用力。

2 塑性變形好、耗能強

結(jié)構(gòu)的抗震能力和安全性還在很大程度上取決于其變形性能和耗能，在地震作用下發(fā)生反復(fù)的彈塑性變形循環(huán)，耗散掉大量的地震輸入能量，保證結(jié)構(gòu)的安全性。

鋼結(jié)構(gòu)的變形性能比鋼筋混凝土的變形性能強。鋼材其組織均勻，接近各向同性，為理想的彈塑性體，鋼材的延伸率可超20%。這使結(jié)構(gòu)剛度減小，結(jié)構(gòu)自震周期大，能衰減地震波，減小地震破壞?；炷敛牧媳旧硎欠菑椥浴⒎蔷|(zhì)材料，抗拉強度遠小于抗壓強度，為脆性材料。鋼筋混凝土是由鋼筋和混凝土兩種材料組成，兩者有效結(jié)合在一起，靠之間的粘結(jié)傳遞力和變形，鋼筋能改善材料的變形能力，但仍不是理想的彈塑性材料，當構(gòu)件中鋼筋達到屈服，構(gòu)件曲率增加，裂縫截面受壓區(qū)高度減小，當受壓區(qū)混凝土邊緣纖維應(yīng)變達到混凝土極限壓應(yīng)變時截面開始破壞，混凝土截面剛度退化，承擔的彎矩降低，受壓區(qū)段上的受壓混凝土被壓碎剝落。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可能因為剛度大、結(jié)構(gòu)自震周期小，地震作用下導(dǎo)致更嚴重的破壞。

鋼結(jié)構(gòu)不僅動能和彈性應(yīng)變能性能好，而且耗能強。延性以能量來表達，則是構(gòu)件承受動力荷載與塑性變形能力的乘積，它等于以非彈性變形能的方式吸收并耗散的能量。構(gòu)件的抗力—應(yīng)變曲線，每次加載→卸載→反向加載→反向卸載稱為一個循環(huán)，成為滯回曲線。加載時構(gòu)件吸收能量，卸載時結(jié)構(gòu)釋放能量，但兩者是不相等的，兩者的差為構(gòu)件在一個循環(huán)中的耗能，及一個滯回環(huán)內(nèi)所包含的面積。發(fā)生地震時，結(jié)構(gòu)在地震荷載的往返作用下工作，其內(nèi)力隨之正負交替，形成一連串的滯回環(huán)。在反復(fù)荷載作用下，混凝土構(gòu)件裂縫交替開閉，粘結(jié)退化和滑移，剛度退化減小，滯回曲線加載斜率逐漸減小，滯回曲線有明顯的捏擾反應(yīng)，構(gòu)件耗能下降。隨著構(gòu)件損傷的積累，可能全部喪失承載能力，引起結(jié)構(gòu)倒塌。而鋼構(gòu)件由于材料的延展性強，多次加載滯回曲線一般比較飽滿，耗能性能強，構(gòu)件可以產(chǎn)生很大的反復(fù)變形而仍然有強勁承載能力。在相同場地、烈度條件下，鋼結(jié)構(gòu)建筑相對于混凝土結(jié)構(gòu)建筑，能承受的荷載大，可有較大的變形，增強建筑結(jié)構(gòu)抗震性能，減小震害。

3 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)自重輕、強度高、材質(zhì)均勻、延性塑性優(yōu)越等特性，使其在地震往復(fù)荷載作用下，具有強勁耗能能力，其抗震性能明顯優(yōu)于混凝土結(jié)構(gòu)，可以提高建筑的安全性，伴隨我國經(jīng)濟實力的增強，鋼結(jié)構(gòu)將會廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用結(jié)構(gòu)中。

[1] GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[2] 吳培明.混凝土結(jié)構(gòu)(上冊)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2000.

[3] 施嵐青.混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

[4] 巍明鐘.鋼結(jié)構(gòu)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2000.

Seismic superiority of steel structure

LIU Ping-xi

(ShanxiYidiguanghuaPowerSurvey&DesignCo.,Ltd,Taiyuan030001,China)

In light of self-weight, strength, plasticity and energy consumption and other features of steel structure, combining with actual examples, the article analyzes the damage of steel structure and concrete structure in earthquake upon buildings, and concludes that: steel structural has obvious superiority in seismic resistance.

steel structure, concrete structure, seismic performance, superiority

1009-6825(2014)03-0065-02

2013-11-13

劉平喜(1979- )，男，工程師

TU352

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