淺談鋼結構建筑的抗震能力設計及建議

鄧鋒　李繼梅

摘 要：鋼材具有延性好、質輕和強度高等特點，鋼結構在建筑中的應用日益廣泛，鋼結構建筑在受到地震作用下，良好的延性即使在產生很大變形的情況下不容易倒塌，從而保證整個建筑的安全性，但是鋼結構建筑如果設計和建造存在不當，在地震作用下，結構很可能發(fā)生脆性破壞，不能夠充分發(fā)揮鋼材的性能，造成嚴重的后果，因而研究鋼結構建筑的抗震設計具有十分重要的意義和價值。

關鍵詞：鋼結構建筑；抗震設計；構造

中圖分類號：TU391 文獻標識碼：A 文章編號：1671-3362（2013）07-0019-01

1 鋼結構建筑的震害特點分析

1.1 節(jié)點連接破壞

節(jié)點連接破壞大致分為框架梁柱節(jié)點破壞和支撐連接破壞兩種情況。引起框架梁柱節(jié)點破壞產生的原因如下：裂縫出現(xiàn)在節(jié)點的下翼緣是由于鋼結構的梁的上翼緣焊接縫無腹板而影響焊接；梁端焊縫穿過孔邊緣而出現(xiàn)應力集中，進而導致裂縫產生；焊縫本身存在質量缺陷；焊縫金屬的沖擊韌性比較低，不符合鋼結構性能的要求等。

采用螺栓支撐連接的鋼結構，支撐桿件螺孔之間的剪切滑移，節(jié)點板端的剪切滑移以及支撐面的斷裂都會降低鋼結構的穩(wěn)定性，鋼結構建筑的支撐結構中影響抗震性能的抗側力部分，一旦發(fā)生地震將會首先承受地震的水平作用，如果建筑的某一個樓層的支撐發(fā)生損壞，將會削弱整個樓層抗震性能，進而會影響到整個建筑的抗震性能。

1.2 構件破壞

支撐桿件的失穩(wěn)和斷裂破壞在框架支撐結構中比較常見，支撐桿件只要設計得當，在多遇地震作用下能夠保持彈性工作狀態(tài)，一般不會出現(xiàn)失去整體穩(wěn)定，在罕遇地震作用下，支撐構件由于受到巨大的往復拉壓作用，將會出現(xiàn)整體失穩(wěn)，建筑解耦股進入塑性屈服狀態(tài)，隨找拉壓循環(huán)次數(shù)的增加，鋼結構的承載力將會衰弱，在支撐桿件的中央形成塑性鉸，只有桿件形成反向塑性鉸之后，支撐桿件的抗拉剛度才會逐步恢復。

分析1995年的阪神地震，鋼柱的脆性斷裂主要發(fā)生在14層以下的樓層中，并且都是脆性受拉斷裂，出現(xiàn)鋼柱脆性斷裂的成因如下：鋼柱斷裂主要出現(xiàn)在拼接焊縫周圍，這和焊接質量有很大的關系；鋼柱都是暴露在室外，而地震發(fā)生的寒冬季節(jié)，溫度比較低，影響鋼材的抗拉伸剛度；一些鋼柱的壁厚超過50mm，焊接過程中造成焊接區(qū)域過熱，降低鋼柱的延展性能；傾覆力矩和豎向地震在鋼柱中產生很大的拉力。

1.3 構件的倒塌破壞

1985年的墨西哥大地震中，有一個綜合大樓的3棟鋼結構建筑，其中一棟發(fā)生倒塌，其他兩棟發(fā)生嚴重破壞，這3大樓采用框架支撐結構體系，發(fā)生倒塌和嚴重破壞的主要原因是由于縱橫向垂直支撐偏位設置，導致質量重心和剛度中心相距太大，在大地震的作用下，產生較大的扭轉效應，鋼柱的承載力小于地震作用力，進而引發(fā)結構倒塌和破壞。由此可見規(guī)則對稱的結構體系對鋼結構建筑的抗震性能提升十分有利。

2 鋼結構的抗震體系

鋼結構建筑的結構體系有框架結構體系、框架中心支撐結構和框架偏心支撐結構等?？蚣芙Y構體系具有良好的結構延性，使得該結構具有優(yōu)良的抗震性能，但是由于抗側剛度不足，不宜用于高層建筑中。框架中心支撐結構體系具有極強的抗側剛度，適用于高層建筑中，但是支撐構件的滯回性能比較差，對于地震能量耗散能力有限，抗震能力明顯不如框架結構?？蚣芷慕Y構能夠利用偏心連梁的剪切屈服來耗散地震能量，還能夠確保支撐結構的整體穩(wěn)定，具有極強的抗震性能。

3 鋼結構的抗震設計

3.1 合理選擇鋼結構建筑的場地和地基

選擇建筑場地之前，首先應該結合整個建筑的需求，掌握建筑所處場地的地震活動情況和工程地質資料，對建筑場地進行綜合評價，將建筑選擇對抗震有利的區(qū)域，盡量避開對抗震不理的地質結構，例如軟弱場地、邊坡邊緣等。為了避免鋼結構建筑出現(xiàn)不均勻沉降而導致結構產生裂縫、傾斜等，使建筑結構構件過早進入塑性區(qū)，同一結構單元的結構不能設置在不同的地基上，應該加強地基的整體性和剛性，不利場地和地基應該采取補救加固措施等。

3.2 科學合理設計鋼結構建筑的結構

首先鋼結構建筑形狀力求規(guī)則和簡單，這樣鋼結構建筑的受力性能比較明確，地震作用力對建筑結構的破壞比較小，在抗震設計中盡量要求建筑形狀規(guī)則和對稱，來減少剛度中心和質量重心的偏移。其次是鋼結構建筑的強度、剛度和承載力應該連續(xù)變化，在樓層平面內均勻變化，并且沿著建筑結構豎向變化也要均勻和連續(xù)。

3.3 鋼結構建筑的結構設計

首先建筑結構設計之前，綜合考慮建筑抗震設防等級、地質條件、地基、施工材料、地震活動情況等因素選擇合理結構體系，并且結構體系必須要有明確的計算簡圖和地震作用的傳遞途徑，可以考慮設置多道抗震防線。其次是要避免建筑構件破壞影響整個建筑結構的抗震能力或承載力，鋼結構比較具有良好的變形能力、承載力以及耗散地震能量的能力，對于抗震薄弱部位和環(huán)節(jié)應該采取有效措施提升抗震能力。最后是抗震結構設計盡量用一些延性較好的分體系做成，并且用延性較好的構件連接起來。

4 鋼結構建筑的設計建議

選擇建筑場地和地基必須選擇對抗震有利的場地和地基，這會在很大程度上影響鋼結構的地震反應，而鋼結構的地震反應將會直接體現(xiàn)在鋼結構的震害上，對于無法避開的場地和地基應該采取必要的補救措施。

對于鋼結構建筑的抗震設計注意以下兩點：建筑結構形狀力求規(guī)則和對稱，這樣能夠減少剛度中心和質量重心的偏離；結構的剛度、強度和承載力要均勻連續(xù)變化。

綜合考慮鋼結構建筑各種因素選擇合理的抗震結構體系，鋼結構應該設置多道抗震防線，保證建筑結構的必要剛度和強度，使得建筑結構在地震中具有良好的變形能力以及耗能能力。

5 結語

鋼結構建筑的抗震設計涉及面非常廣，本文只是闡述具有代表性的抗震設計?？傊?，結構的抗震設計是建筑設計的重要組成部分，在抗震設計準則下，科學合理的解決鋼結構抗震設計中的各種問題，才能夠為我們提供一個安全的建筑。

參考文獻

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