1、1关于钢结构抗震存在的问题及建议摘要：随着国民经济的快速发展以及人民生活水平的日益提高，钢结构已经广泛的应用在建筑行业，包括工业厂房、大跨度公共建筑、民用住宅等。钢结构在我国已经得到初步的发展，因其材料和结构形式的特点，钢结构具有建筑功能分区的可变性强、房屋自重轻、抗震性能优越、生产自动化施工装配化程度高和造价低综合经济效益好等优点。但推广和应用钢结构还需解决一系列的问题，实际设计和施工还存在不少争议和问题。这些都急需解决，以利于钢结构在我国健康快速持续发展。关键词 钢结构；抗震；性能；节点；设计； 中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号： 引言 随着我国经济的进一步发展和建筑技术的
2、逐渐进步,钢结构也越来越广泛的应用于建筑当中,其中在建筑结构中,钢结构具有良好抗震性,并且工业化生产程度较高,钢结构施工周期较短,并且具体节能环保、延展性好等优点,特别对于钢结构建筑具有的延展性可以对地震波产生衰减作用,减少地震对钢结构建筑的破坏。针对钢结构建筑的如此突出的优点,美国等等国家的钢结构建筑已占到所在国内建筑总量的一半以上。日本是地震多发的国家,钢结构建筑在日本建筑当中的占有率更是达到了 65左右。2根据日本阪神地震后资料的显示,在地震中钢结构建筑的受损程度和受损概率要远低于混凝土结构。2008 年四川汶川地震中,作为钢结构建筑的绵阳体育馆也没有受到损坏,成为安置地震灾民的主要地点
3、。 一、钢结构的抗震性能 不同的结构形式,抗震性能明显不同。混凝土结构的房屋受压较好,但不抗拉力,两种力的差距达 10 倍。当地震来临时,房屋在地震波循环荷载情况下,极易发生整体垮塌。 而钢结构具有良好的延展性,可以将地震波的能耗抵消掉。钢材基本上属各向同性材料,扛拉、抗压、扛剪强度均很高,而且具有良好的延展性,特别是钢结构凭着自己特有的高延展性减轻了地震反应。钢结构还可以看作比较理想的弹塑性结构,可以通过结构的塑性变形吸收和消耗地震输入能量,从而具有较高的抵抗强烈地震的能力。钢结构相对于其他结构自重轻,这也大大减轻了地震作用的影响。钢结构除了抗震性能高,施工周期短、工业化程度高、环保性能好的
4、特点也显著优于混凝土结构。 二、钢结构破坏部位 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3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,
5、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
6、裂 在 1995 年阪神地震当中,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:有的钢柱断裂发生在拼接焊缝附近,这里可能正是4焊接缺陷构成的薄弱部位;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;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;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 1985 年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
7、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。 三、钢结构抗震设计方法的建议 弹性结构在地震作用下的阻尼力 c 通常总是很小，可以忽略。弹性结构经历的最大地震力 Fmax，可以采用绝对最大加速度表示： Fmax=kymax=一 m(+ag)
8、max (1) 如果只是用 Fmax 做结构设计，则结构在地震作用下应当保持弹性，不会破坏。 为了结构抗震设计方便，引进了加速度的动力放大系数 max 谱，反应谱的形状和分段记号见图 1。我国采用的是平均谱，max 取为225。采用弹性谱确定地震力，则 FE=ZW (2) 5式中：Z 为地震系数，是地震最大加速度与重力加速度的比值；W为结构的重量； 是动力放大系数，按 谱取值。 图 1 谱 我国建筑抗震设计规范自 GBJ1189 以来，采用了以概率可靠度为基础的三水准(小震不坏、中震可修、大震不倒)、两阶段(小震下的截面抗震验算和大震下的结构变形验算)的抗震设计思想。目前国际上对“不倒”有比较
9、统一的认识，对钢框架结构层间位移角在 1/501/30，就能够保证其“不倒” 。 在三水准设防目标的描述中， “抗震设防烈度”的概念非常重要，结构抗震设计要设防的最重要目标是：在遭遇本地区抗震设防烈度的地震作用下，可能损坏，经一般修理仍可使用。 抗震设计不能按弹性反应要求来对结构进行设计，其主要理由有三点：按式(2)来计算地震作用，在遭受设防烈度的地震作用时，结构仍然处于弹性阶段，因此肯定是安全的。但按式(2)计算的地震作用到底有多大?举个例子：按 8 度设防烈度，Z=02，=225，则FE=02225W=045W，相当于竖向荷载的 45的水平力作用在结构上，这个结构将非常强大才能抵抗这个水平
10、力，因此采用完全弹性的计算地震力，从经济上考虑，无法承受；历次地震表明，让结构经受一定程度的塑性变形，对结构的安全并没有什么大的影响；从弹性反应谱知道，结构的地震作用受到结构固有周期的影响。如果结构的刚度小，周期长，则地震作用越小。如果在地震过程中，结构的刚度也能减小(通6过塑性变形)，特别是在最大地震加速度到来之前发生塑性变形，刚度下降，则这个结构遭受的地震作用将显著地降低。所以，结构工程专家们的一致意见是，结构应恰当设计，使其既满足规范地震力要求，又符合构造要求(如对材料的要求、长细比、宽厚比、轴压比等)，抗震安全才达到可接受水平。 规范要求：水平地震影响系数最大值 amax 见表 1；钢
11、结构的弹性位移角限值为 1/300；弹塑性位移角限值为 1/50。 表 1 规范规定的 amax 值 在我国进行钢结构建筑设计时，采用上述抗震设计法的指导思想就是，即便发生大震，钢骨架(特别是梁)将产生适当的塑性变形来吸收地震能量，避免建筑物全体倒塌破坏。为了使钢框架实现梁铰倒塌机制，确保建筑物的性能，需要使用抗震性能好的钢材。 结束语 由于本人的能力和精力所限，本文还存在许多不足，钢结构抗震问题一直是设计行业的一大难点，规范中也不过是寥寥几页就带过了。论文对于某些问题的论述应该收集更多的数据，增加定量分析将更具有说服力；由于时间关系没能作具体的个案研究也是本文一大却憾。以上不足之处将是今后努力的方向，结构设计是一个长期的课题，以后将在工作之余继续努力深入实践，将这一课题的研究不断的完善，使研究成果具有更大的实际应用价值。 7参考文献 1张晓波,从汶川地震看钢结构预制构件拼接建筑结构的应用和发展J.住宅产业,2008(7). 2崔辉辉等,支撑布置方式对具水平加强层全钢高层结构抗震性能的影响分析J.福建建筑,2008(9). 3高轩能、李琨,变截面门式刚架地震反应研究进展J.四川建筑科学研究,2008(6). 4徐国林等,巨型梁设置对巨型钢框架结构地震反应的影响J.地震工程与工程振动,2008(6).
