结构抗震与设计课程论文

钢结构抗震设计体系浅析

摘要：本文首先介绍了四种传统钢结构的类型，并就各自结构设计特点上探讨抗震性能，后在基于性能的抗震设计思想提出耗能减震钢结构设计思路，并分析了这种体系的优越性，以期推广该体系的应用，促进我国钢结构的发展。

关键字：钢结构；耗能减震；住宅设计

1.前言

近年来相继在汶川、海地、智利、日本等地发生的大地震，无不说明当前全球正处于地震多发活跃期，中国处于太平洋与欧亚板块交界处，属于发生大地震频繁区域，而建筑灾害则成为地震灾害中最具破坏和杀伤力的灾害。在当今地震预报难以取得突破的背景之下，加强建筑抗震是根本! 当前我国现存建筑结构主要包括砖混结构、钢筋混凝土结构、钢结构以及少量的木结构。而多次震害调查显示，常见的几种建筑结构，抗震性能从低到高依次排序为：土木结构、砖混结构、底框架结构、框架结构、框架-剪力墙结构、剪力墙结构、钢结构。钢结构以其强度高、自重轻、延性好成为了抗震性能最优良的建筑结构形式，其在地震中的受损率远低于其它结构形式。2010年智利发生8.8级特大地震，其死亡人数仅有452名。距离震中仅90公里的便是智利第二大城市康塞普西翁市，尽管人口稠密，但造成的伤亡却很少。其原因就是很多居民建筑都是钢结构，抗震能力很强。有关调查表明，我国钢结构住宅的比例不足5%，而发达国家一般都在40%以上，日本这一比例更是接近50%，这说明我国的钢结构有很大的发展空间。

2.具体分析

2.1 钢结构体系种类及特点

（1）冷弯薄壁型钢体系

构件用薄钢板冷弯成C形、Z形构件，可单独使用，也可组合使用，杆件间连接采用自攻螺钉。冷弯薄壁型钢体系以冷弯薄壁型钢作为基本承重

杆件，是一种新型的轻钢结构建筑体系，其结构强度高、重量轻，其重量是普通混凝土结构的1/3左右，并能满足大开间的需要，使用面积比钢筋混凝土住宅提高10%-15%左右。该体系通常设计成密肋柱并用木质板材蒙皮的板肋构造，这种构造整体性能好，不易被地震力所破坏。但这种体系节点刚性不易保证，抗侧能力较差，一般只用于1～2层住宅或别墅。

（2）框架体系

目前，这种体系在多层钢结构住宅中应用最广。纵横向都设成钢框架，门窗设置灵活，可提供较大的开间，便于用户二次设计，满足各种生活需求。该体系具有受力明确，平面布置灵活，便于大开间的设置，可充分满足建筑布置要求的特点；同时制作安装简单，施工速度较快。钢框架考虑楼盖的组合作用，运用在低多层住宅中，一般都能满足抗侧要求。钢框架体系主要由梁、柱构件刚接而成，依靠梁、柱来承受竖向荷载和水平荷载。但是由于目前框架柱以H型钢为主，弱轴方向梁柱连接的刚性难以保证，因此设计施工时须慎重处理。此种结构体系侧向刚度较小，抗震性能差，建筑成本较高。

（3）框架支撑体系

在风载或地震作用较大区域，为提高体系的抗侧刚度，增加轴交支撑或偏交支撑效果很好。这种体系为多重抗侧体系，而且梁柱节点、柱脚节点可设计成铰接、半刚接，施工构造简单，基础主要承受轴力，体形较小，因此成为人们青睐的对象。当结构产生层间变形时，支撑承受水平力，从而使体系获得比纯框架结构大得多的抗侧力刚度，减少建筑物的层间位移。该体系用钢量相对较大，由于支撑杆件的存在往往影响墙体和门窗的布置。但此种结构因体系延性小、耗能能力也小。地震荷载作用下，支撑中的受压杆件容易发生压屈失稳，致使整个结构体系承载力降低并产生较大侧移。该体系主要是利用结构主体耗能，最终将导致主要结构杆件塑性变形过大，难以修复。

（4）框架剪力墙体系

包括钢筋混凝土剪力墙和钢板剪力墙两种形式，一般用在低多层住宅

中。此结构体系中，框架为主要承重骨架，剪力墙为结构的主要抗侧力体系。国外剪力墙多采用组合剪力墙，即在薄壁钢板剪力墙两侧增加混凝土板，混凝土板防止钢板的平面外屈曲，提高剪力墙的强度和耗能能力。此种体系中剪力墙属于刚性结构，而钢框架属于柔性结构，在地震作用下，剪力墙承担了绝大部分的水平力，有时高达90%，即使将钢框架做得较强，也难以从根本上改变这种局面，这种体系的二道防线的抗震能力很弱。

（5）交错桁架体系

交错桁架结构体系的骨架由房屋外侧的柱子和高度为层高、跨度等于房屋宽度的桁架组成。在相邻柱上为上下层交错布置，楼板一端支承在桁架上弦杆，另一端支承在相邻桁架的下弦杆。垂直荷载则由楼板传到桁架的上下弦，再传到外围的柱子。该体系利用柱子、平面桁架和楼面板组成空间抗侧力体系，具有平面布置灵活、楼板跨度小、结构自重轻、经济实用、高效的特点。该体系横向可看成是支撑框架，纵向则可看成是无支撑框架，结构计算时可从横向和纵向分别单独对待。该结构体系在强震作用下的抗震性能很差，由于腹杆较早出现非弹性变形导致杆件承载力及刚度突然减小。

综上所述，不同的钢结构体系设计都存在一些问题，在强震作用下都体现出一定的弱点，而每一次结构设计的调整，都以建筑成本的大幅加高为代价。越来越多的事实表明，在当前地震灾害造成的人员伤亡显著下降的背景下，所付出的经济代价却令人震惊。例如，1989年美国加州洛马普里埃塔M7.1级地震，死亡63人，经济损失为100亿美元；1994年，加州北岭M7.1级地震，死亡73人，经济损失达到200亿美元；1995年，日本阪神M7.1级地震，伤亡5500多人，经济损失达到创纪录的1000亿美元，震后的基本恢复重建工作花费2年，耗资近1000亿美元；2010年我国青海玉树M7.1级地震，死亡2698人，失踪270人，经济损失达1000亿美元。与此相比，我国1976年唐山M7.8级大地震的经济损失仅为50亿美元。

2.2 浅析钢结构耗能减震设计

传统钢结构体系是通过加强结构侧向刚度以满足抗震要求的，但结构

越强刚度越大，地震作用也越大。这对于高层、超高层钢结构，会造成严重的制约。而耗能减震抗震设计则是把钢结构的某些非承重构件设计成耗能构件或在钢结构的某些部位(节点或联结)安装耗能装置。在风荷载或轻微地震时，这些耗能装置仍处于弹性状态，结构具有足够的侧向刚度以满足正常使用要求。在强地震发生时，随着结构受力和变形的增大，这些耗能装置将率先进人非弹性变形状态即耗能状态，产生较大的阻尼，大量消耗输入结构的地震能量，减小结构的地震反应，保护主体结构在强地震中免遭破坏。在传统钢结构抗震设计中，由于钢结构本身阻尼比很小，依靠结构阻尼耗散的地震能量非常有限。为了终止地震反应，只能依靠主体结构产生大量的塑性变形来吸收地震能量，但是这样必然导致主体结构的严重破环，甚至倒塌。而在钢结构耗能减震抗震设计中，通常将阻尼器与支撑串联组成耗能装置。在地震作用下耗能装置率先进入工作状态，大量消耗输入结构的地震能量。这样既可以保护主体结构免遭破坏，又可以迅速衰减地震反应，确保结构的安全。基于性能的抗震设计方法要求结构在不同的地震风险水平下满足不同的性能水平要求，而耗能减震钢结构通过改变耗能装置的参数和数量可以方便的控制结构的地震反应，从而实现不同的性能目标。因此将基于性能的抗震设计方法和耗能减震技术相结合，具有重要的现实意义。

钢结构耗能减震设计形式与钢框架-中心支撑形式基本相同，但其支撑构件并非中心支撑而是耗能支撑，耗能支撑与主体结构之间一般通过螺栓或焊缝连接。该耗能体系一般可在传统的结构主体上实现。比如在传统的钢框架体系上去掉填充墙，将耗能装置安装在结构当中；将钢框架-中心支撑体系的中心支撑换成耗能支撑；钢结构耗能减震设计不适合采用钢框架-偏心支撑的形式，原因就是该体系主要是利用主体结构来耗能的，其主梁在强烈地震作用后一般会产生较大的塑性变形而难以修复；而对于钢框架-剪力墙体系，可以将剪力墙去掉，换成耗能支撑；对于交错桁架体系，则可将耗能支撑直接交错布置在桁架上即可。

2.3 钢结构耗能减震设计的优势

（1）安全性

由于耗能减震设计模式设有非承重耗能构件或耗能装置，因而具有很大的耗能能力，在地震中能率先进入耗能工作状态，消耗地震能量及衰减结构的地震反应，保护主体结构和构件免遭损坏，从而确保结构在强地震中的安全性，而且震后易于修复或更换，使建筑结构物迅速恢复使用。

（2）经济性

传统钢结构体系主要通过加强结构、加大断面等途径提高建筑的“硬性抵抗”结构抗震性能，使结构的造价明显提高。钢结构减震体系是通过“柔性消能”来减少结构地震反应，可以减小构件断面，而其抗震性能反而提高。

（3）技术合理性

耗能构件或装置属“非结构构件”，即非承重构件，其功能仅是在结构变形过程中发挥耗能作用，对结构的承载力和安全性不构成任何影响或威胁。所以，耗能减震结构体系在技术上安全可行。

3.结语

汶川地震、玉树地震、雅安地震及历次地震震害均证明，钢结构具有良好的抗震性能。当前，大众也认识到了居住建筑安全的重要性，因此从设计规范上尽快出台耗能减震钢结构结构设计规范，使耗能减震钢结构能进入一个快速、良性发展阶段。

参考文献:

[1] 李国强等.从汶川地震灾害看钢结构在地震区的应用.建筑钢结构进展,2008.

[2] 张爱莲等.从玉树地震看钢结构在震区的发展.科技风，2010（9）

[3] 赵风华.钢结构设计原理.北京:高等教育出版社，2005