关于钢结构抗震设计的分析

摘要：随着人们对地震的不断认识,为防止出现严重的地震灾害,造成财产损失和生命伤亡。人们对钢结构的抗震要求不断提高。

关键词：钢结构；抗震设计

中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：

引言

由于钢材具有轻质高强的特性，可减轻结构的自重，因此钢材是一种很适宜建造抗震结构的材料。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；钢材的延性好，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，从而可保证结构的安全性。

一、钢结构的抗震性能

1、从材料强度方面来讲，钢材的强度约为混凝土材料的8倍，而材料重度方面，前者重度仅为混凝土重度的3.2倍，因此，针对相同承载条件下，钢材料结构在重量方面比混凝土结构要轻很多。其次，从结构构件的横截面形状来看，钢结构构件一般为空腹截面，常用的型钢如槽钢、工字钢、角钢、H型钢和T型钢等，钢构件对横截面具有较高的利用率；相应的混凝土结构构件，一般为实腹截面，如长方形、正方形等。对于高层钢结构建筑，采用钢结构可以明显降低结构整体重量，因此，在地震中减小结构所承受的地震力，减小地震对钢结构的影响。

2、根据钢材和混凝土材料的应力应变曲线可以发现，相对于混凝土材料，钢材具有很好的弹塑性，表现出更好的延展性，这可以通过钢材材料的延伸率来判断，其材料延伸率可超过20%。在地震中可充分利用材料的延展性来抵抗地震对结构的影响，减小地震对钢结构的破坏。

3、比较钢材与混凝土材料的滞回曲线可以发现，钢结构材料的滞回曲线通常情况下都比较饱满，在地震中能更好的消耗地震作用中产生的能量；而钢筋混凝土结构的滞回曲线与前者相比，表现出明显的捏拢效应。对于结构材料来讲，其结构滞回性能越好，在地震中对地震作用反应越小，对地震作用有更好的抗震性能。

二、抗震设计一般规定

1、结构体系

根据纵、横两个方向抗侧力体系的不同，多层钢结构厂房的结构体系可分为以下四种主要形式。

1.1 纯刚接框架体系。在结构的纵、横两个方向，均采用刚接的框架作为抗侧力结构的结构体系。这种结构形式的耗钢量较多，双向刚接也使节点连接趋于复杂。

1.2 刚接框架一支撑式结构体系。在结构的横向采用刚接的框架，纵向采用梁柱铰接、设置支撑的支撑式结构作为抗侧力结构的结构体系，该体系是多层工业厂房中的主要结构形式。

1.3 支撑式结构体系。在纵、横两个方向均采用梁柱铰接的钢骨架，并在钢骨架之间设置竖向支撑作为抗侧力结构的结构体系。

1.4 混合结构体系。由于设备布置和生产操作的需要，在纵、横两个方向同时采用刚接框架和支撑式结构作为抗侧力构件的结构体系。

2、结构体型与布置

多层钢结构房屋抗震设计时，应尽量使厂房的体型规则、均匀、对称。多层钢结构厂房的平面布置，应考虑各楼层的工艺布置，尽量使纵、横两个方向的刚度中心与质量中心重合，同时应使传力体系明确合理，空间刚度可靠，节点构造简单，并应尽量减少构件的类型。多层钢结构厂房的竖向布置，纵、横两个方向的质量与刚度沿高度方向宜均匀变化，避免刚度的突然变化，同时应尽量避免出现错层。

3、防震缝的设置

平面形状复杂、各部分框架高度差异大或楼层荷载相差悬殊时，应设防震缝或采取其他措施。防震缝处一般应采用双排承重结构，将其两侧上部结构完全分开，缝的净宽度宜根据设防烈度、场地类别以及厂房高度等因素综合考虑，最小宽度不应小于相应混凝土结构房屋的1.5倍。

4、设备

料斗等设备穿过楼层且支承在该楼层时，其运行装料后设备总重心宜接近楼层的支点处。同一设备穿过两个以上楼层时，应选择其中的一层作为支座，必要时可另选一层加设水平支承点；一般不采用分层支承的方式，因为若分层支承，不但各层楼层梁的挠度难以同步，使各层结构传力不明确，同时在地震作用下，由于层间位移会给设备、料斗产生附加效应，严重的可能损坏旋转设备。对于自承重的设备穿越楼层时，厂房楼盖应与设备分开，且该设备与洞口间应留有不小于防震缝宽度的间隙；对于穿过墙壁或楼层的管道，该管道与洞口间也应留有不小于防震缝宽度的间隙。一般情况下，楼层上的设备不得跨越防震缝布置，对必须跨越防震缝的管线或皮带运输机等，应考虑与厂房在地震作用下相协调的构造措施。厂房内的工作平台结构与厂房框架结构宜采用防震缝脱开布置。当与厂房结构连接成整体时，平台结构的标高宜与厂房框架的相应楼层标高一致。

三、钢结构建筑抗震研究现状

1、结构的抗震设计有两类途径，一类是对外荷载实现联机跟踪和预测，并通过作动器对结构施加控制力来改变结构的动力特性，这就是通常所说的主动控制方法；另一类是通过改善结构本身的特征，实现对结构模态变量的控制或优化，改变结构的动力特性。

2、我国现行的结构抗震设计，是以承载力为基础的设计，通常取结构的动应力特别是动拉应力为抗震设计时的控制指标；但历次震害表明，结构破坏、倒塌的主要原因是变形过大，超过了结构能承受的变形能力，因此在20 世纪90 年代，美国学者提出了基于位移的抗震设计以结构的变形作为抗震设计时的控制指标，要求结构的变形值要满足在地震作用下的变形要求。

3、我国采用的设计反应谱是采用振型分解反应谱法进行结构抗震计算的基础，由大量地震反应谱的统计平均确定。尽管地震反应谱的计算理论是经典的，只要地震记录准确，获得的地震反应谱也将准确，但是由于地震记录计算的地震反应谱在长周期段将不真实。而高层建筑钢结构自振周期较大（如金茂大厦、帝王大厦等），地震反应谱长周期段的错误对高层钢结构建筑的影响将较大，因此对于长周期段的反应谱还有待于进一步研究。另外，钢结构自身阻尼比较小，按现行抗震规范的计算方法，在考虑结构延性以后地震作用力减小的同时又因阻尼比降低而加大。

四、钢结构建筑抗震措施

1、选择对建筑抗震有利的场地和地基

场地影响了钢结结构的地震反应, 钢结构地震反应大小决定了钢结构的震害。因此在抗震设计的时候应选择坚硬的中硬土场地, 当实在无法避开不利的或者危险的场地的时候,应采取补救措施。

2、选择合理的结构总体布置

2.1 建筑形状力求规则形状。较简单建筑物由于受力性能明确, 遭受地震时破坏很轻。在抗震设计时要求建筑形状规则,结构要求对称, 来减小质量中心和刚度中心的偏离。

2.2 强度以及刚度应连续变化。抗震结构的刚度、承载力在楼层平面内应均匀,沿结构坚向应连续并且均匀。

3、选择合理的抗震结构体系

在钢结构房屋中用的较多的结构体系有框架结构、框架- 中心支撑结构和框架- 偏心支撑结构等。纯框架结构延性好，抗震性能好，但由于抗侧刚度较差，不宜用于层数太高的建筑。框架- 中心支撑结构抗侧刚度大，适用层数较多的建筑，但由于支撑构件的滞回性能较差，耗散的地震能量有限，抗震性能不如纯框架。框架- 偏心支撑结构可通过偏心连梁的剪切屈服，耗散地震能量，同时又能保证支撑不丧失整体稳定，抗震性能优于框架- 中心支撑结构。采用能与钢框架抗侧刚度相匹配的内藏钢板剪力墙和带竖缝剪力墙代替支撑，可构成框架- 抗震墙板结构，其抗震性能优于框架- 中心支撑结构。当房屋刚度更高时，可采用沿建筑周边设置密柱深梁框架构成的框筒结构。框筒结构抗侧刚度大，并具有较好的抗震性能。

结束语

总之，设计人员进行钢结构抗震设计时，应首先从概念设计着手，制订比较合理的设计方案等，并且随着钢结构抗震设计研究的不断进步,在不久的将来,会有越来越多让人们“信得过”的钢结构建筑问世。

参考文献

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