淺析鋼結(jié)構(gòu)抗震設計

1、<p><b>　　淺析鋼結(jié)構(gòu)抗震設計</b></p><p>　　【摘要】以保證生命安全為單一設防目標的“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防水準，盡管可預期做到大震時主體結(jié)構(gòu)不倒塌以保證生命安全，但仍可能導致中小地震作用下結(jié)構(gòu)喪失正常使用功能而造成巨大的財產(chǎn)損失。本文分析了鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震研究現(xiàn)狀，提出了鋼結(jié)構(gòu)抗震設計要求，探討了鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震措施。 </p>

2、<p>　　【關鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)抗震設計現(xiàn)狀要求措施 </p><p>　　中圖分類號：TU973+.31 文獻標識碼：A 文章編號： </p><p>　　在建筑結(jié)構(gòu)中,鋼結(jié)構(gòu)具有良好抗震性。鋼結(jié)構(gòu)抗震設計應始終貫穿于鋼結(jié)構(gòu)設計中的各個階段, 它是鋼結(jié)構(gòu)建筑抗設計重要組成部分。在鋼結(jié)構(gòu)建筑體系的設計中要充分了解鋼結(jié)構(gòu)住宅的破壞機制以及和破壞過程, 靈活運用鋼結(jié)構(gòu)抗震設計準則, 合理

3、地確定和解決結(jié)構(gòu)設計中的各種問題。才能設計出經(jīng)濟、合理、安全適用的鋼結(jié)構(gòu)建筑。 </p><p>　　一、鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震研究現(xiàn)狀 </p><p>　?。ㄒ唬┙Y(jié)構(gòu)的抗震設計有兩類途徑，一類是對外荷載實現(xiàn)聯(lián)機跟蹤和預測，并通過作動器對結(jié)構(gòu)施加控制力來改變結(jié)構(gòu)的動力特性，這就是通常所說的主動控制方法；另一類是通過改善結(jié)構(gòu)本身的特征，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)模態(tài)變量的控制或優(yōu)化，改變結(jié)構(gòu)的動力特性。 <

4、/p><p>　　（二）我國現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)抗震設計，是以承載力為基礎的設計，通常取結(jié)構(gòu)的動應力特別是動拉應力為抗震設計時的控制指標；但歷次震害表明，結(jié)構(gòu)破壞、倒塌的主要原因是變形過大，超過了結(jié)構(gòu)能承受的變形能力，因此在20 世紀90 年代，美國學者提出了基于位移的抗震設計以結(jié)構(gòu)的變形作為抗震設計時的控制指標，要求結(jié)構(gòu)的變形值要滿足在地震作用下的變形要求。 </p><p>　?。ㄈ┪覈捎玫脑O計

5、反應譜是采用振型分解反應譜法進行結(jié)構(gòu)抗震計算的基礎，由大量地震反應譜的統(tǒng)計平均確定。盡管地震反應譜的計算理論是經(jīng)典的，只要地震記錄準確，獲得的地震反應譜也將準確，但是由于地震記錄計算的地震反應譜在長周期段將不真實。而高層建筑鋼結(jié)構(gòu)自振周期較大（如金茂大廈、地王大廈等），地震反應譜長周期段的錯誤對高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的影響將較大，因此對于長周期段的反應譜還有待于進一步研究。另外，鋼結(jié)構(gòu)自身阻尼比較小，按現(xiàn)行抗震規(guī)范的計算方法，在考慮結(jié)構(gòu)延性以后

6、地震作用力減小的同時又因阻尼比降低而加大。上述兩個原因使得鋼結(jié)構(gòu)用鋼量偏高。 </p><p>　　二、鋼結(jié)構(gòu)抗震設計要求 </p><p>　?。ㄒ唬︿摬男阅艿囊?</p><p>　　鋼結(jié)構(gòu)的鋼材應符合下列規(guī)定： </p><p>　　1、抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的鋼材宜采用等級為B 級的Q235 碳素結(jié)構(gòu)鋼和Q345 低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼，其質(zhì)量應

7、分別符合國家標準《碳素結(jié)構(gòu)鋼》和《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》的規(guī)定。當有可靠根據(jù)時，也可以采用其它鋼種和鋼號的鋼材。其性能應符合下列要求： </p><p>　?、黉摬牡目估瓘姸扰c屈服強度的實測值之比不應小于1.2； </p><p>　?、阡摬牡纳扉L率應大于20%，且應有明顯的屈服臺階； </p><p>　?、垆摬膽辛己玫暮附有院秃细竦臎_擊韌性； </p>

8、;<p>　　④偏心支撐框架中的耗能連梁不得采用屈服強度高于345N/mm2的鋼材。 </p><p>　　2、采用焊接連接的節(jié)點，當板厚不小于40mm，且沿板厚方向承受拉力作用時，應對該部分鋼材提出沿厚度方向受拉試件破壞后的斷面收縮率的附加要求，該值不得小于現(xiàn)行國家標準《厚度方向性能鋼板》（GB/T5313）規(guī)定的Z15 級的容許值。 </p><p>　　3、用于抗震設計

9、類別C 類以上的抗側(cè)力體系鋼結(jié)構(gòu)中的所有坡口全熔透焊縫的填充金屬，其零下30℃的夏比沖擊功應大于或等于27J。 </p><p>　?。ǘY(jié)構(gòu)布置的要求 </p><p>　　1、建筑設計應符合抗震概念設計的要求，不應采用嚴重不規(guī)則的設計方案。即在進行房屋的平、剖、立面設計和結(jié)構(gòu)體系布置時，應盡可能做到房屋體形簡單、平面規(guī)則對稱，同時房屋中抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的布置應盡可能的均勻、對稱，使房屋各

10、樓層的總體剛度中心盡可能與樓層的質(zhì)量中心相重合或相接近，并應盡可能使房屋的剛度和質(zhì)量沿豎向均勻連續(xù)、沒有突變。 </p><p>　　2、鋼結(jié)構(gòu)房屋宜避免采用不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)方案，不設防震縫。若房屋必須采用比較復雜的平面形狀時，則宜用防震縫將房屋劃分為幾個平面規(guī)則、對稱的獨立單元，為了避免地震時各部分之間相互碰撞，防震縫的寬度應不小于相應鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋的1.5 倍。 </p><p>　

11、?。ㄈY(jié)構(gòu)設計的要求 </p><p>　　1、在進行結(jié)構(gòu)設計時，應根據(jù)建筑的抗震設防類別、抗震設計烈度、建筑高度、場地條件、地基、結(jié)構(gòu)材料和施工等因素，經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟和使用條件綜合比較，選擇合適的結(jié)構(gòu)體系。 </p><p>　　2、結(jié)構(gòu)體系應有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑，可考慮多道抗震防線。宜使結(jié)構(gòu)在兩個主軸方向的動力特性相近，并盡量使其基本自振周期遠離場地的特征周期，以

12、防止共振，減小地震作用。 </p><p>　　3、應避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導致整個結(jié)構(gòu)喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載能力。例如，框架結(jié)構(gòu)應設計成強柱弱梁型，以防止在強烈地震作用下倒塌。 </p><p>　　4、結(jié)構(gòu)應具有必要的抗震承載力、良好的變形能力和消耗地震能量的能力。例如，為避免傳統(tǒng)的梁柱剛性節(jié)點發(fā)生脆性破壞，可采用在節(jié)點附近削弱梁翼緣截面的辦法，或采用在節(jié)點處設置加強梁段的

13、辦法，使梁中承受最大應力的截面離開梁柱接觸表面，充分發(fā)揮塑性轉(zhuǎn)動能力和消耗地震能量的能力。偏心支撐框架中的耗能連梁具有相似的能力。 </p><p>　　5、對可能出現(xiàn)的薄弱部位，應采取措施提高抗震能力。例如，應體現(xiàn)強節(jié)點弱構(gòu)件的設計思想，避免諸如支撐的連接節(jié)點先于桿件破壞所引發(fā)的震害。 </p><p>　　6、應體現(xiàn)大震不倒、小震不壞的抗震設計目標，采用多遇地震時按彈性設計、罕遇地震時

14、按彈塑性進行變形驗算的二階段設計方法進行抗震設計。在進行小震設計時，阻尼比較小，可取為0.02；大震驗算時進入彈塑性狀態(tài)，阻尼比增大，可取0.05。 </p><p>　　三、鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震措施 </p><p>　　（一） 選擇對建筑抗震有利的場地和地基 </p><p>　　場地影響了鋼結(jié)結(jié)構(gòu)的地震反應, 鋼結(jié)構(gòu)地震反應大小決定了鋼結(jié)構(gòu)的震害。因此在抗震設計的時

15、候應選擇堅硬的中硬土場地, 當實在無法避開不利的或者危險的場地的時候,應采取補救措施。 </p><p>　　（二）選擇合理的結(jié)構(gòu)總體布置 </p><p>　　1、建筑形狀力求規(guī)則形狀。較簡單建筑物由于受力性能明確, 遭受地震時破壞很輕。在抗震設計時要求建筑形狀規(guī)則,結(jié)構(gòu)要求對稱, 來減小質(zhì)量中心和剛度中心的偏離。 </p><p>　　2、強度以及剛度應連續(xù)變化

16、。抗震結(jié)構(gòu)的剛度、承載力在樓層平面內(nèi)應均勻,沿結(jié)構(gòu)堅向應連續(xù)并且均勻。 </p><p>　?。ㄈ┻x擇合理的抗震結(jié)構(gòu)體系 </p><p>　　在鋼結(jié)構(gòu)房屋中用的較多的結(jié)構(gòu)體系有框架結(jié)構(gòu)、框架- 中心支撐結(jié)構(gòu)和框架- 偏心支撐結(jié)構(gòu)等。純框架結(jié)構(gòu)延性好，抗震性能好，但由于抗側(cè)剛度較差，不宜用于層數(shù)太高的建筑?？蚣? 中心支撐結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度大，適用層數(shù)較多的建筑，但由于支撐構(gòu)件的滯回性能較差，

17、耗散的地震能量有限，抗震性能不如純框架?？蚣? 偏心支撐結(jié)構(gòu)可通過偏心連梁的剪切屈服，耗散地震能量，同時又能保證支撐不喪失整體穩(wěn)定，抗震性能優(yōu)于框架- 中心支撐結(jié)構(gòu)。采用能與鋼框架抗側(cè)剛度相匹配的內(nèi)藏鋼板剪力墻和帶豎縫剪力墻代替支撐，可構(gòu)成框架- 抗震墻板結(jié)構(gòu)，其抗震性能優(yōu)于框架- 中心支撐結(jié)構(gòu)。當房屋剛度更高時，可采用沿建筑周邊設置密柱深梁框架構(gòu)成的框筒結(jié)構(gòu)?？蛲步Y(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度大，并具有較好的抗震性能。 </p><

18、p>　　（四）鋼結(jié)構(gòu)框架的消能、隔震措施 </p><p>　　傳統(tǒng)的防震觀點是要求結(jié)構(gòu)具有一定的抗震性能，在這方面有兩種思維方式：一是提高結(jié)構(gòu)的剛度來抵抗地震作用，另一種是采用允許結(jié)構(gòu)有一定的柔性變形，從而使其在變形過程中吸收、釋放一定的能量。在不增加重量、不改變剛度的前提下，提高總體強度和剛度是兩個有效的抗震途徑。而現(xiàn)在以及今后建造的鋼結(jié)構(gòu)框架將是越來越多的坐落在高烈度地區(qū)，這樣就迫使設計人員要從另一個

19、方面來考慮―――減震消能。對結(jié)構(gòu)地震反應有重要影響的主要有兩個因素：（1）結(jié)構(gòu)物的基本周期；（2）阻尼比。當采用消能機構(gòu)后基本都在很大程度上延長了建筑物的基本周期，從而避開了地震輸入的高能量頻段，采用高阻尼減震裝置使建筑物具有大變形的能力和強自復位能力。對阻尼器的要求：第一，在小振幅的振動下，呈線性反應，不產(chǎn)生很大的阻尼，但剛度很大，從而限制結(jié)構(gòu)的位移；第二，在強烈振動時，阻尼器的一部分可以失效，從而允許大變位和大阻尼，以達到隔震目的；

20、第三，隔振阻尼裝置的豎向剛度遠大于其水平剛度。 </p><p><b>　　【參考文獻】 </b></p><p>　　[1] 中華人民共和國建設部．建筑抗震設汁規(guī)范[s]．北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006．34～45. </p><p>　　[2] 陳小峰,鄧開國,郝際平.關于鋼結(jié)構(gòu)抗震設計的探討[J]. 建筑結(jié)構(gòu). 2009(S1) &