分析钢结构框架抗震

摘要：在建筑设计中，要求建筑物要达到一定的抗震能力，这样才可以在发生地震时保证人民的生命和财产安全。钢结构以其强度高、自重轻、抗震性能好、施工速度快、工业化程度高、便于加固、有利于环保等一系列优点，在建筑结构中得到广泛应用，本文笔者就对钢结构框架的抗震进行简要分析。

关键词：钢结构；抗震；钢结构弹塑性

中图分类号：TU391文献标识码： A 文章编号：

钢结构以其强度高、自重轻、抗震性能好、施工速度快、工业化程度高、便于加固、有利于环保等一系列优点，在建筑结构中得到广泛应用，特别是近年来我国引进的数条热轧H型钢生产线为钢结构的发展提供了基础，在这种大背景和形势下，高层、超高层钢结构的开发推广就势在必行。由于钢结构材质均匀，符合力学假定，与其他结构相比，钢结构的理论计算结果与试验结果相差很小，也是钢结构的特色之一。但是，由于钢结构与在建筑结构中应用广泛的钢筋混凝土结构相比，具有截面轮廓尺寸小、构件细长和板件柔弱的特点。因此，钢结构分析理论尤其是稳定性理论的发展不仅仅具有理论上的意义，而且具有重要的实用

价值。

一、钢结构框架的优点

钢材是一种很适宜建造抗震结构的材料，原目在于钢材具有轻质高强的特性，可减轻结构的自重。从而减轻结构所受的地震作用。钢材材质均匀，强度易于保证，因此结构的可靠性大。它的延性好，使结构具有很大的变形能力，即使在很大的变形下仍不倒塌，从而目保证结构的安全性。钢结构有如下特点：

1、密封性能好

由于焊接结构可以做到完全密封，一些要求气密性和水密性好的高压容器、大型油库、气柜、管道等板壳结构都采用钢结构。

2、具有一定的耐高温性

温度在250度内，钢的性质变化很小，温度达到300度以上，强度逐渐下降，达到450度～650度时，强度降为零。因此，钢结构适用于温度不高于250度的场台。在自身有特殊防火要求的建筑中，钢结构必须月耐火材料予以维护。

3、钢结构的弹、塑性好，抗震能力强

在承载力相同的条件下，钢结构与钢筋混凝土结构。木结构相比，构件较小，重量教轻、便于运输和安装。与钢材料的匀质性和强韧性，可有较大的变形，能很好地承受动力的荷载，具有很好的抗震能力。其中，屈强比是衡量钢的加工硬化能力的一个重要参数。屈强比越低，钢结构抵抗强震的能力就越强。欧洲建筑钢要求屈强比小于0.91，而日本要求建筑钢屈强比小于0.80。同时，钢结构具有良好的弹、塑性和抗冲击能力，在一般情况下，钢结构对动荷载的适应能力较强，其良好的延性和耗能能力可以保证它不因为外部荷载的变化而突然断裂，这对钢结构的抗震是非常有利的。

4、施工周期短，装配化程度高

二、钢结构在建筑结构领域中的主要应用

1、重型工业厂房。

例如大型冶金企业、火力发电厂和重型机械制造厂等的一些车间，由于厂房跨度和柱距大、高度高、车间内设有工作繁忙和起重量大的起重运输设备和有强大振动的生产设备，因而常必需采用由钢屋架、钢柱和钢吊车梁等组成的全钢结构。

2、高层房屋钢结构

房屋高度愈大，所受侧向水平荷载如风荷载及地震作用的影响也愈大，所需柱截面也大大加大。采用钢结构可减小柱截面而增大建筑物的使用面积和提高房屋的抗震性能。

3、大跨度结构。

由于受弯构件在均布荷载下的弯矩M与跨度L的平方成正比，当跨度增大到一定程度时，为了减轻结构的自重，也就需要采用自重较轻的钢结构。一般情况下，跨度等于或大于60m的结构就称为是大跨度结构。在我国主要应用于体育场馆、会展中心、演出场馆、飞机库、航空站和火力发电厂的大煤库等。

4、高耸结构。

电视塔和烟囱等高耸结构同样由于风荷载和地震作用随高度的加大而加大，需要采用钢结构。同事，建造在软土地基上的高耸结构，为了减少地基处理费用，在一定高度时也宜采用钢结构。

此外，需要使用钢结构的还有很多，如电力工业中的高压输电塔、高压容器、煤气柜、塔式起重机、采油井架等。

综上所述，钢结构在建筑业和其他各行各业都有广泛的应用。

二、钢结构稳定研究

1、结构稳定的基本概念

工程结构或构件在荷载和其它作用的影响下处于某种平衡状态，例如薄腹工字形梁在横向荷载作用下处于平面弯曲的平衡状态；楼盖结构中柱子处于压弯平衡状态等等。结构或构件由于平衡形式的不稳定，从初始平衡位置转变到另一个平衡位置，称为屈曲，或称为失稳。稳定分析是研究结构或构件的平衡状态是否稳定的问题。处于平衡位置的结构或构件，在任意微小外界扰动下，将偏离其平衡位置，当外界扰动除去后，仍能自动回复到初始平衡位

置时，则初始平衡状态是稳定的。如果不能回复到初始平衡位置，则初始平衡状态是不稳定的。

2、结构失稳判定

（1）判断平衡稳定性的最根本准则

我们最常采用一刚性小球在光滑平面上的三种不同位置来引出平衡稳定性判断准则。在三种情况下，小球虽然都处于平衡状态，但是它们所对应的平衡特征却是不相同的，由此引出的判断平衡状态是否稳定的最根本准则为：

假设对处于平衡状态的体系施加一微小干扰，当干扰撤去后，如体系能恢复到原来的平衡位置，则该平衡状态是稳定的；反之，若体系偏离原来的平衡位置越来越远，则该平衡位置是不稳定的；如体系停留在新的位置不动，则该平衡状态是随遇的。

以上述最根本准则为基础，从随遇平衡的静力特征可得到判断平衡稳定性的静力准则：从稳定平衡和随遇平衡的动力特征可得到判断平衡稳定性的动力准则；从不同平衡状态的能量特征可得到判断平衡稳定性的能量准则。

（2）静力准则

又称平衡法，是求解结构稳定极限荷载的最基本的方法。对于有平衡分岔点的弹性稳定问题，在分岔点存在着两个极为邻近的平衡状态，一个是原结构的平衡状态，一个是已经有微小变形的结构的平衡状态。平衡法是根据已产生了微小变形后结构的受力条件建立平衡方程而后求解的。如果得到的符合平衡方程的解有不止一个，那么其中最小值的一个才是该结构的分岔屈曲荷载。平衡法只能求解屈曲荷载，不能判断结构平衡状态的稳定性。

3动力准则

动力法属于结构动力稳定问题。处于平衡状态的结构体系，如果施加微小干扰使其发生振动，这时结构的变形和振动加速度都和已经作用在结构上的荷载有关。当荷载小于稳定的极限值时，加速度和变形的方向相反，因此干扰撤去后，运动趋于静止，结构的平衡状态是稳定的；当荷载大于极限值时，加速度和变形的方向相同，即使将干扰撤去，运动仍是发散的，因此结构的平衡状态是不稳定的；临界状态的荷载即为结构的屈盐荷载，可由结构振动频率为零的条件解得。

三、设计时常用的钢结构的加固方法

1．减轻荷载：改用轻质材料或其它减少荷载的方法。如工业厂房的屋架可在下弦增设临时支柱，或组成撑杆式结构的方法来卸荷；托架的卸荷可以采用上述方法，也可以利用吊车梁作为支点使托架卸荷；柱子一般采用设置临时支柱卸去屋架和吊车梁的荷载；平台结构因其高度不高，一般采用临时支柱进行卸荷。

2．改变结构的静力计算图形：采取措施使结构发生符合设计意图的内力重分布，以调整原有结构中的应力，改善被加固构件的受力情况。如增加支撑或辅助构件以增加结构或构件的刚度，使结构可以按空间结构进行验算，挖掘结构潜力，也可以改善结构的抗振性能；变更荷载的分布情况，或变更构件的支座情况，或施加预应力等来改变构件的弯矩图形；增设撑杆、加设拉杆或将静定结构变为超静定结构来改变精架的内力；将被加固构件与其它结构共同工作形成混合结构，以改善受力情况。

3．原结构的构件截面和连接进行补强。此方法在钢结构加固中是常用的方法，因其涉及面窄，施工较为简便，尤其是在一定的前提条件下，可在负荷状态下加固，这对厂房内的生产影响较小。采用此方法时，应注意以下几点：

(1)注意加固时净空的限制，要使杆件不与其它杆件或零件相碰；

(2)能适应原有构件的几何尺寸或己发生的变形清况，以利于施工；

(3)应尽量减少加固施工的工作量；

(4)尽可能使补强构件的重心位置不变，减少偏心所产生的弯矩；

(5)当采用焊接补强时，应采用合理的焊接顺序，减小焊接变形和焊接应力；

(6)补强后构件应便于维护和油漆。

结束语：钢结构在抗震方面的优点使得它在建筑方面得到了广泛的应用，但是钢结构的稳定性问题钢结构的加固问题一直以来都是被广为关注的热点。所以，在进行结构设计时，需要掌

握地域、场地特性，考虑结构特征、用途和坍塌时的危害性，在最新资料的基础上，重新认识既定的一些数值、公式、方法的适用性。同时，抗震设计应在执行规范要求的基础上，尽量全面地考虑结构各种地震受力工况，根据力学原理简化、评估其力学行为。

参考文献：

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