对多高层钢框架结构抗震设计措施的认识

摘要：钢结构由于其材料的优越性，使得其抗震性能要优于混凝土结构，具有良好的延性与耗能性能，在地震作用下，不能具有较强的变形能力，还能很好的消耗地震能量，基于钢结构建筑的突出优点，以《建筑抗震设计规范》GB50010-2010为依据，主要阐述了多高层钢结构框架的抗震设计措施。

关键词：钢结构框架，抗震设计措施，延性，耗能

中图分类号：TU391 文献标识码：A

在建筑结构中，钢结构由于其材料的优越性，使得其抗震性能要优于混凝土结构，具有良好的延性与耗能性能，在地震作用下，不能具有较强的变形能力，还能很好的消耗地震能量，基于钢结构建筑的突出优点，美国、韩国等国的钢结构建筑已占到总量的50％左右。日本是多地震的国家，钢结构建筑在日本的占有率更是达到了65％左右。据日本阪神地震后资料显示，钢结构建筑在地震中的受损率远低于混凝土结构建筑，本文以《建筑抗震设计规范》GB50010-2010（以下简称《抗规》）[1]为依据，主要阐述了多高层钢结构框架的抗震设计措施，并与混凝土框架结构进行相应的对比。

1钢结构抗震结构体系总体指标

同钢筋混凝土结构一致，房屋的高度是抗震措施中的一项重要的规定，故《抗规》8.1.1条分别给出了框架、框架-中心支撑、筒体结构的最大适用高度，并同时对房屋高度比进行了规定，因为单纯地从结构工程领域来看，高宽比越大的房屋其侧向稳定性越低，故《抗规》8.1.2中规定烈度越大的地区，其高宽比限制越严。

抗震设计中一个重要的概念是保证结构构件的延性，以实现延性耗能的目标。《抗规》8.1.3中对钢结构在不同高度、不同烈度下的结构延性进行规定，并取烈度越高，高度越高，要求延性耗能越大，也即抗震等级越高，但同时应注意的是《抗规》8.1.3注-2的规定，此处之所以做此规定，是根据R-U-T准侧[2]。当结构的承载力高时，可合理降低其延性，故规范做此规定。与混凝土结构不同的是，此处未对不同的结构体系分别规定其抗震等级，对此《抗规》8.4.3、8.5.7条中分别针对框架-中心支撑、框架-偏心支撑中的框架做出相应的规定，当支撑为主要抗侧力构件时，可对框架部分的构造措施降低一级采用，之所以做此规定，原因同混凝土结构中的框架-剪力墙结构类似，对于双重抗侧力结构体系，对框架部分的地震需求可适当降低。

2 钢框架结构的主要抗震措施

钢框架的设计思路基本上与混凝土框架一致，例如防止发生层间侧移机构，以形成以梁较为主的塑性耗能体系，防止节点区发生提前破坏的强节点弱构件措施，由于钢结构相对于混凝土来说其剪切耗能能力较好，故没有像混凝土一样采取防止塑性铰出现之前的剪切破坏，而是允许其发生剪切耗能[3]。以上是对钢框架的基本调控思路。

2.1计算措施

1）强柱弱梁措施（《抗规》8.2.5-1条）

与混凝土框架不同的是，钢结构没有采用柱内力调整系数，而是引入“强柱系数”对节点区的梁、柱的塑性转动承载力进行相应的验算，例如等截面梁的基本公式：

上式中由于涉及到的为保证中震、大震下的屈服机制，故采用的材料强度为标准值fy而非设计值f。上式中对于节点两侧梁的塑性弯矩很容易理解，而对左侧柱的塑性弯矩可由下式推导得出。

根据文献[4]，压弯构件在出现塑性铰时有的关系式，故可得：，且Mp=Wpcfyc;Np=Acfyc，可得：，也即左侧公式。

但对于某些特殊情况，例如轴压比较小（同混凝土框架）因其延性很好，故允许柱出铰。还有与支撑斜杆相连的节点，因无论柱还是梁出铰均会无斜杆形成稳定的抗侧力体系，故不再调整。

2)节点域的验算（《抗规》8.2.5条）

节点域的验算同混凝土框架节点核心区的原理是较为一致的，都是防止节点域提前破坏，使结构的抗侧向刚度以及结构的整体性降低，影响结构的抗震性能，不同的是混凝土节点一般是核心区混凝土的剪切强度破坏，而钢框架节点处一般多为节点域腹板的失稳破坏。

从《抗规》8.2.5-2条可以看出，公式保证了梁端出铰后节点板不发生剪切失稳，从而形成了强节点的抗震措施，公式的具体推导可参照文献[4]第381、382页。

另外还需注意的是《抗规》8.2.5-3条中所示的公式为多遇水准下的节点板验算，并非保证中震、大震下的调整措施，故采用的为设计值，而非8.2.5-2条中的标准值。

3）构件之间的连接（《抗规》8.2.8条）

混凝土结构中的梁柱的连接主要是采用钢筋的锚固与搭接，使梁柱形成整体，故规范中通过大量的试验得到相应的锚固长度等连接形式。

对于钢框架主要是通过焊缝与螺栓连接，为此采取相应的措施，保证连接不在中震与大震下发生破坏，例如《抗规》8.2.8条规定，采用大于1.0的连接系数来保证其中震、大震下的连接性能。

2.1构造措施

前面我们已经从计算层次上确定了钢框架的抗震设计思路，即：强柱弱梁-强节点-强连接，以形成梁较为主的侧移机构，故应采取相应的构造措施以实现结构构件的耗能能力。

1）梁构造措施

根据已有的资料可知，翼缘的宽厚比对结构的滞回曲线有较大的影响，宽厚比越大其滞回环的耗能越弱[5]，故应对梁中翼缘的宽度比进行相应的限制。且随着板件应变的增大，对翼缘的宽厚比的限制也就越严格。为此《抗规》8.3.2条中对梁翼缘以及腹板部分的宽厚比进行了限制，且随着抗震等级的增加，其限制越小。保证梁端滞回耗能的另一个重要的措施就是梁受压翼缘的侧向支撑，以防止其在受压翼缘屈服后，梁的侧向屈曲发生。故针对梁的抗震措施主要包括：板件高厚比、侧向支撑以使梁端的塑性耗能能力得以充分发挥。

2）柱构造措施

柱作为主要的抗侧力构件，首要的目的就是对柱的长细比进行限制，以保证其在地震作用下的稳定性。

同时与梁翼缘，柱的板件的宽厚比也必须进行限制。但由于在中震及大震下结构主要是梁进入塑性，柱端即使是进入塑性，其塑性转动较梁也是很弱的，故《抗规》8.3.2条中对柱中板件的宽厚比等的限值较梁相比是有所放松的。

再一个措施就是对受压翼缘设置侧向支撑，防止其平面外的屈曲。

3）构件之间的连接

如前述，已通过计算上的调整使构件之间的连接强度较构件高，但还应采用相应的措施以保证连接的有效性与合理性，对此，规范对构件之间的连接部位以及焊缝的形式都作了详细的规定，以使结构在中震、大震下连接区不先于构件屈服破坏，对结构抗震是有利的。

小结：

本文主要针对现行抗震规范中钢结构框架的抗震思路做了相应的整理，总体来说与混凝土框架的抗震设计思路还是较为一致的。首先采取相应的计算措施来确定结构整体的耗能机构，然后采用相应的构造措施来保证各构件延性耗能的实现，但是由于材料的区别，规范对两者抗震细节处又有所区别对待。

参考文献：

[1] 中华人民共和国国家标准《建筑抗震设计规范》GB50010-2010. 北京: 中国建筑工业出版社，2010

[2] 白绍良，李刚强，李英民等. 从R-μ-T关系研究成果看我国钢筋混凝土结构的抗震措施[J]. 地震工程与工程振动. 2006，26（5）：145-151.

[3] 朱炳寅. 建筑抗震设计规范应用与分析 GB50010-2010. 北京: 中国建筑工业出版社，2011

[4] 夏志斌，姚谏. 钢结构-原理与设计. 北京: 中国建筑工业出版社，2011

[5] 陈绍蕃. 钢结构设计原理（第二版）. 北京: 科学出版社，1998