浅析钢结构的性能特点及抗震设计

摘要：钢结构在性能上较传统结构在施工和使用上存在其特点。尤其是钢结构在抗震领域相比传统的砖混结构存在很大的优势。在钢结构得到了广泛应用的背景下，应该加强对钢结构的抗震研究。本文浅析钢结构的性能特点及抗震设计。

关键词：钢结构；性能特点；抗震设计

在建筑结构中，钢结构具有抗震性能高、工业化生产程度高、施工周期短、 节能环保、便于运输、施工速度快、延展性好等优点，特别是钢结构建筑所具有的延展性可以衰减地震波，减少地震对建筑的破坏性。因此钢结构在建筑业中得到了广泛的运用。本文浅析钢结构的性能特点及抗震设计。

1 钢结构建筑的结构体系及性能特点

1.1钢框架结构体系。纯钢框架结构体系是钢结构住宅的基本体系，受力明确，使用灵活，制作安装简单，施工速度较快，但为抵抗侧向力所需梁柱截面较大，一般可用于6 层以下的多层建筑，且一般情况下，梁柱节点应采用刚接。

1.2钢框架――支撑结构体系。当钢框架体系层数较多时，由于侧向作用力的增大，使得梁柱等构件尺寸也相对较大，失去其经济合理性。这时宜增设支撑，形成钢框架――支撑结构体系。支撑体系包括十字交叉支撑、单斜杆支撑、人字形或V形支撑。

1.3钢框架――预制钢筋混凝土墙结构体系。该结构体系，一般预制钢筋混凝土墙体中均埋有钢板支撑，它只有在支撑点处与钢框架相连，而且钢筋混凝土墙板与框架梁留有空隙，从受力上来说，它仍是一种支撑。这种体系受力性能良好，支撑构件相对较经济，且能与隔墙布置相结合。但现场安装比较困难，制作比较复杂。

1.4钢框架――钢筋混凝土剪力墙结构体系。在钢框架结构中设置部分现浇钢筋混凝土剪力墙，即为钢框架――钢筋混凝土剪力墙结构体系。钢框架――钢筋混凝土剪力墙结构中，由于钢筋混凝土剪力墙刚度大，剪力墙是抗侧力的主体，整个结构的侧向刚度大大提高，钢框架则承担竖向荷载，同时也承担少部分水平 力。这种结构形式都可用来建造较高的高层住宅，在我国已有很多工程采用。

1.5钢框架――钢筋混凝土核心筒结构体系。钢框架――钢筋混凝土核心筒结构体系的平面布置一般为电梯或卫生闻做成四周封闭的钢筋混凝土简体，形成主要的抗侧力结构，而外周的框架则采用钢框架。这种结构体系将钢材的强度高、重量轻、施工速度快和混凝土的抗压强度高、防火性能好、抗侧刚度大的特点有机的结合起来，主要用于高层钢结构住宅中。

2 钢结构的震害特点

钢结构的震害主要有节结构的整体倒塌、构件的破坏和点连接的破坏等三种形式。

2.1节点连接的破坏

2.1.1框架梁柱节点区的破坏原因

对节点破坏原因的分析：①裂缝主要出现在节点下翼缘，是因为钢结构梁上翼缘有楼板加强，并且上翼缘焊缝无腹板妨碍施焊； ②梁端焊缝通过孔边缘会出现应力集中，引发裂缝； ③梁翼缘端部全熔透坡口焊的衬板边缘形成人工缝，缝隙在竖向力作用下扩大； ④焊缝存在缺陷，特别是下翼缘梁端现场焊缝的中部，因为腹板妨碍焊接和检查，出现不连续； ⑤焊缝金属的冲击韧性低。

2.1.2支撑连接的破坏

采用螺栓连接的支撑破坏形式，包括支撑杆件螺孔间剪切滑移的破坏、节点板端部剪切滑移的破坏、以及支撑截面削弱处断裂。支撑是框架一支撑结构当中最重要的抗侧力部分，一旦发生地震的时候，它将首先承受水平地震作用，如某层的支撑发生破坏，将使这个楼层成为薄弱层，造成严重后果。

2.2构件的破坏

2.2.1支撑杆件的整体失稳、局部失稳和断裂破坏

当支撑构件的组成板件宽厚比较大时，往往伴随着整体失稳出现板件的局部失稳现象，进而引发低周疲劳和断裂破坏，这在以往的震害中并不少见。试验研究表明，要防止板件在往复塑性应变作用下发生局部失稳，进而引发低周疲劳破坏，必须对支撑板件的宽厚比进行限制，且应比塑性设计的还要严格。

2.2.2钢柱脆性断裂

在阪神地震当中，位于芦屋市海滨城高层住宅小区，小区当中的2l栋巨型钢框架结构的住宅楼共有57根钢柱发生了断裂现象，所有箱形截面柱的断裂都发生在14层以下的楼层里，并且都是脆性受拉断裂，断口呈水平的形状。

我们分析认为:①有的钢柱断裂发生在拼接焊缝附近，这里可能正是焊接缺陷构成的薄弱部位；②钢柱暴露于室外，当时正值日本的严冬，钢材温度低于0摄氏度；③箱形截面柱的壁厚达50mm，厚板焊接时过热，使焊缝附近钢材延展性降低；④竖向地震及倾覆力矩在柱中产生较大的拉力。

2.3结构的倒塌破坏

在墨西哥发生的大地震中，墨西哥市的某个综合大楼的3个22层的钢结构塔楼之一发生倒塌，其余2栋钢结构塔楼也发生了严重破坏，其中1栋已经接近倒塌。这3栋塔楼的结构体系都是框架-支撑结构。有关分析证明，塔楼发生倒塌或者严重破坏的主要原因，是因为纵横向垂直支撑偏位设置，从而导致刚度中心和质量重心相距太大，所以在地震中产生了较大的扭转效应，致使钢柱的承载力小于作用力大于，引发了3栋相同的塔楼发生了严重破坏甚至倒塌。由此可见，规则对称的结构体系对抗震是十分有利的。

3 钢结构抗震设计要求

3．1对钢材性能的要求

钢结构的钢材应符合下列规定：

1 )抗侧力结构的钢材宜采用等级为 B级Q235碳素结构钢和Q345低合金高强度结构钢，其质量应分别符合国家标准《碳素结构钢》(GB/T700)和《低合金高强度结构钢》(GB/T1951 )的规定。当有可靠根据时，也可以采用其它钢种和钢号的钢材。其性能应符合下列要求：

①钢材的抗拉强度与屈服强度的实测值之比不应小于1．2；

②钢材的伸长率应大于 20％，且应有明显的屈服台阶；

③钢材应有良好的焊接性和合格的冲击韧性；

④偏心支撑框架中的耗能连梁不得采用屈服强度高于345N/mm 的钢材。

2 ) 采用焊接连接的节点，当板厚不小于 40mm且沿板厚方向承受拉力作用时，应对该部分钢材提出沿厚度方向受拉试件破坏后的断面收缩率的附加要求， 该值不得小于现行国家标准规定的容许值。

3)用于抗震设计类别c类以上的抗侧力体系钢结构中的所有坡口全熔透焊缝的填充金属，其零下30℃的夏比冲击功应大于或等于 27J。

3．2对结构布置的要求

3.2.1建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案。即在进行房屋的平、剖、立面设计和结构体系布置时，应尽可能做到房屋体形简单、平面规则对称，同时房屋中抗侧力结构的布置应尽可能的均匀、对称，使房屋各楼层的总体刚度中心尽可能与楼层的质量中心相重合或相接近，并应尽可能使房屋的刚度和质量沿竖向均匀连续、没有突变。

3.2.2钢结构房屋宜避免采用不规则建筑结构方案，不设防震缝。若房屋必须采用比较复杂的平面形状时，则宜用防震缝将房屋划分为几个平面规则、对称的独立单元，为了避免地震时各部分之间相互碰撞，防震缝的宽度应不小于相应钢筋混凝土结构房屋的1．5倍。

3．3 对结构设计的要求

3.3.1在进行结构设计时，应根据建筑的抗震设防类别、抗震设计烈度、建筑高度、场地条件、地基、结构材料和施工等因素，经技术、经济和使用条件综合比较，选择合适的结构体系。

3.3.2结构体系应有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径，可考虑多道抗震防线。宜使结构在两个主轴方向的动力特性相近，并尽量使其基本自振周期远离场地的特征周期，以防止共振，减小地震作用。

3.3.3应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。例如，框架结构应设计成强柱弱梁型，以防止形成柱子倒塌结构。

3.3.4结构应具有必要的抗震承载力、良好的变形能力和消耗地震能量的能力。例如，为避免传统的梁柱刚性节点发生脆性破坏，可采用在节点附近削弱梁翼缘截面的办法，或采用在节点处设置加强梁段的办法，使梁中承受最大应力的截面离开梁柱接触表面，充分发挥塑性转动能力和消耗地震能量的能力。偏心支撑框架中的耗能连梁具有相似的能力。

3.3.5对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高抗震能力。例如，应体现强节点弱构件的设计思想，避免诸如支撑的连接节点先于杆件破坏所引发的震害。

参考文献：

[1]丰定国，王杜良．抗震结构设计[M]．武汉:武汉工业大学出版社，2006.

[2] 朱伯龙，张琨联．建筑结构抗震设计原理[M]，上海；同济大学出版社，2010.