建筑钢结构抗震性能浅析

摘要：重点论述了钢框架、钢框架―支撑、钢框架―混凝土剪力墙（核心筒）三种常用钢结构体系的组成和抗震性能及其适用范围，可供业主和设计人员初选结构方案参考。

关键词：高层钢结构；钢框架体系；钢框架支撑体系；混合结构；围护结构

钢结构建筑体系具有自重轻、地震反应小，钢材强度高、延性好、塑性变形能力强等优点，因此其抗震性能是其他钢筋混凝土和砌体结构所无法比拟的，尤其在遭罕遇地震下能够避免建筑物的整体倒塌性破坏。在多高层钢结构建筑工程中，目前比较常用的结构体系有纯钢框架体系、钢框架―支撑体系、钢框架―混凝土剪力墙（核心筒）体系。

1. 纯钢框架体系

钢框架体系是指沿房屋的纵向和横向均采用框架作为承重和抵抗侧力的主要构件所形成的结构体系。该体系类似于钢筋混凝上框架体系，不同的是将混凝土梁柱改为钢梁和钢柱。框架梁与柱一般均采取刚性连接，有时为了加大结构的延性，或防止梁与柱连接焊缝的脆断，也有采取半刚性连接构造。该体系刚度比较均匀，自重较轻，对地震作用不敏感，且具有较好的延性，是一种较好的抗震结构形式。但钢框架体系的整体变形属于剪切型，抗侧刚度小，在强震作用下弹塑性变形所产生的水平位移较大，会致使非结构部分（如填充墙、建筑装修和设备管道等）严重破坏。因此钢框架结构体系不宜建造太高，主要应用于高度40m以下的多、高层建筑中。

2. 钢框架―支撑体系

钢框架―支撑体系以框架体系为基础，沿房屋的纵向或横向布置一定数量的竖向支撑所形成的结构体系。钢框架―支撑体系中的框架梁与柱原则上为采用刚性连接，对于非抗震区或6度设防区，可根据工程具体情况，部分可以采用铰接。框架―支撑体系在水平荷载作用下，通过楼板的变形协调与刚接框架共同作用，形成双重抗侧结构体系，支撑框架是第一道防线，框架是第二道防线。从整体变形上看，框架―支撑体系整体变形呈弯剪型，从而使得层间位移以及整个结构体系的最大位移都显著减小。与纯钢框架体系相比较，钢框架―支撑体系具有较大的抗侧刚度，适用于更高的钢结构建筑。根据支撑杆件的布置形式不同，钢框架―支撑体系可分为为钢框架―中心支撑体系和钢框架―偏心支撑体系。

2.1 钢框架―中心支撑体系

中心支撑是指支撑杆与横梁、柱汇交于一点，或两根斜杆与横梁汇交于一点，或与柱汇交于一点，汇交时均无偏心。根据支撑杆的不同布置，可形成十字交叉支撑、单斜杆支撑、人字形支撑，或K字形支撑以及V形支撑等类型。中心支撑框架宜采用X形支撑，也可采用人字形支撑或单斜杆支撑，不宜采用K形文撑，对于不超过12层的钢结构建筑宜优先采用交叉支撑。中心支撑具有较大的侧向刚度，构造相对简单，能减小结构的水平侧移，改善结构的内力分布。

中心支撑具有较大的侧向刚度，构造相对简单，能减小结构的水平侧移，改善结构的内力分布。但在强烈地震交变力作用下，由于中心支撑斜杆反复受压、受拉，很容易导致结构进入弹塑性状态，层间抗剪能力和结构的抗侧刚度急剧下降，层间侧移过度增大，将会引起周围构件的严重破坏，最终导致结构整体失稳破坏。因此，在8度及其以上抗震设防地区，超过12层的钢结构建筑不宜采用中心支撑。

2.2 钢框架―偏心支撑体系

钢框架―偏心支撑是指每根支撑斜杆至少有一端与框架梁连接，并在斜杆与梁交点至柱之间或至同一跨内另一斜杆与梁交点之间，形成耗能梁段。偏心支撑根据支撑斜杆形式的不同，主要有单斜杆式，门架式，人字形、V形和倒Y形几种常用的形式。钢框架―偏心支撑体系中的耗能梁段在正常使用或小震情况下保持在弹性变形阶段，可以保证结构具有较大的刚度；而在罕遇地震时，耗能梁段改变支撑斜杆与梁（耗能梁段）的先后屈服顺序，一方面通过耗能梁段的非弹性变形进行耗能；另一方面使耗能梁段的剪切屈服在先（同跨的其余梁段未屈服），保护支撑斜杆不屈曲或屈曲在后，以保证主要受力构件不失效，从而相应地延长结构抗震能力的持续时间。钢框架―偏心支撑体系在弹性阶段接近钢框架―中心支撑体系，而在弹塑性阶段的的延性和耗能能力接近延性钢框架体系，是一种新型的高层钢结构抗震体系。8、9度地区，超过12层的钢结构建筑宜采用钢框架―偏心支撑体系。

3. 钢框架―混凝土剪力墙（核心筒）体系

钢框架―混凝土剪力墙（核心筒）体系在原有钢框架体系的基础上，为了增加结构的侧向刚度，防止侧向位移过大，按照整体刚度均匀的原则，设置部分剪力墙（核心筒），将框架和混凝土剪力（核心筒）二者结合起来，取长补短，组成了框架一混凝土剪力（核心筒）结构体系。钢筋混凝土剪力墙一方面可以抵抗水平荷载，并且能够大幅度地减小风荷载作用下的风振加速度，以减小人们的风振不舒适感。钢框架则采用钢框架或钢管混凝土框架，主要承受竖向荷载。

该体系的框架梁柱连接一般采用刚性连接，为了减小混凝土剪力墙平面外弯矩和因钢框架与混凝土墙轴向压缩变形差引起的内力，框架梁与混凝土墙可采用铰接，当整体刚度不满足规范要求时，也可以采用刚接。由于混凝土剪力墙的刚度较大，这种结构比钢框架结构的刚度和承载能力都有大大提高，在地震作用下层间变形减小，因而也就减小了非结构构件（隔墙及外墙）的损坏，这样无论在非地震区还是地震区，这种结构型式都可用来建造较高的高层建筑，在我国已有很多工程采用。但钢框架―混凝土剪力墙结构体系，在受力初期，其剪力墙刚度较高，在地震时则易于发生应力集中现象，导致出现大的斜向裂缝而引起脆性破坏。为防止这种现象发生，日本已研制出一种带缝剪力墙，它平时在风载作用或小震作用下处于弹性状态，可保证使用功能，而在大震时即进入塑性状态，能吸收大量地震能量，这时各壁柱能保证其承载能力，防止建筑物倒塌。

4. 钢结构建筑围护结构

为减轻结构自重，围护结构一般采用轻质材料，以形成轻型体系，充分发挥钢结构的优势。目前可采用的围护结构有：密肋保温复合墙板、轻钢龙骨石膏板、蒸压加气混凝土墙板、自承重式的空心砌块、加气混凝土砌块、幕墙等。作为钢结构建筑的墙体材料，必须考虑与结构连接的节点简单、有效，同时施工方法易于操作，以保证墙体风荷载或地震荷载能够可靠地传递给框架。

当围护结构采用填充砌体时，若与钢结构刚性连接，由于初始刚度大致使地震反应大，而钢结构的刚度小，致使填充砌体吸收了较大的地震力，而由于填充砌体的强度较低，从而导致其开裂较为严重。所以填充砌体与钢结构宜采用柔性连接，以降低填充墙的初始刚度，减少地震反应，减缓填充砌体的开裂。

5. 结束语

钢结构体系以其自重轻、延性好的优势使得其具有较好的抗震性能，但其刚度较钢筋混凝土和砌体结构弱，变形大，使得在地震作用下钢结构建筑中的填充砌体等非结构部分破坏较为严重，但此时其主体结构是安全的，在罕遇地震作用下也不会发生整体倒塌性破坏，不会因此导致较大的人员伤亡，所以钢结构建筑体系非常适合于高地震烈度区的多高层建筑。