钢结构抗震作用探究范文

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摘要：

本文探讨了目前钢结构抗震设计中存在的两个主要问题：其一是钢结构地震作用，由于多层和高层钢结构房屋被列入“建筑抗震设计规范”（GB9001－2001）中。没有考虑钢结构塑性好和弹性阶段阻尼比较小的特性，使得钢结构地震作用较大，偏高用钢量；其二是钢结构承载力抗震调整系数对梁和焊缝的规定与母材强度低于焊缝强度的实际而不符，本文对现在抗震规范作用的相关要求、“抗震动态与建筑工程理论设计原则”和UBC关于美国规范的地震波动作用进行了比较和分析，按照钢结构的承受能力将体系化分为四大类，在上述理论将体系调整系数引入，对结构的抗震作用，提出恰当意见，对梁柱刚性连接体系，从抗震设计角度分析，对设防烈度区分别建议了适合采用的连接形式，并给出了小震和大震下的设计验算公式。

关键词：

钢结构；地震作用；梁柱刚性连接；门式刚架抗震设计

我国每年有超万亿吨之多的钢产量，加快我国的钢产业政策由长久采取的“节约钢材”变为“合理用钢”、“鼓励用钢”，所以钢结构的用量有良好的前景。我国为地震区的城市有很多，因此应该按照规范进行抗震分析和设计。

1钢结构抗震分析

1．1钢结构跃层加层动力分析概述古今中外，地震灾害造成的损失是难以估量的，在地震灾害中，我们付出的代价是惨重的，与此同时也取得了大量而宝贵的经验和知识。通过对震后的调查和研究表明，造成震害的主要原因之一是建筑立面与平面不规则。竖向抗侧力构件不连续是跃层加层房屋加固和改造形式的特点，从竖向看，抗侧力较小，在加层标高处，刚度易形成突变，因此从建筑立面规则性方面思考，此结构根本对抗震设计无用。所以为了避免抗震造成的不利影响，应采用有良好抗震性能的钢结构，能在一定程度上弥补跃层加层技术布置的不合理。钢材是匀质材料且各项同性，有延性好、质量轻、强度高的特点，为达到建筑抗震的要求，钢结构是使用的材料之一。当地震作用时，钢结构框架由于钢材强度高和均匀的材质，因而结构的稳定性和可靠性较大；钢结构房屋的自重轻，因为钢材的强度大和质量轻，从而地震波动作用对结构的作用会减小；因为钢结构延性性能较好，所以钢结构具的变形能力很大，房屋在很大的变形下也不会倒塌，从而结构的抗震安全性得以保证。

1．2抗震性能的特点良好的抗震性能是钢结构的特点，概括起来主要包括以下方面：（1）钢材材质均匀，受力性能各项同性，有韧性好、强度高、质量轻等优点，在震波的受力作用下，由于钢材的材质均匀，整体受力，质量轻，强度可靠，因而钢结构的房屋可靠性和稳定性大；（2）由于刚架结构自重轻和整体性好，较能承受地震的波动，使地震作用变小；（3）因为采用压型钢板，使墙面和屋面具有很好的蒙皮作用，使地震作用减少；（4）钢结构形式建筑的房屋，较低矮，亦使房屋能够承受地震波动；（5）采用端板半刚性连接梁一梁和梁一柱的刚架，当地震作用，外力很大，超过设计荷载时，弹塑性变形增大，弯矩增大，降低了受弯承载力，变形增大，具有良好的延性。

1．3结构地震反应理论分析方法从古至今，地震很难预测，预防措施是减少地震灾害最主要的方法，临时性的地震预报可减少经济的损失和人员的伤亡，但这是不可能的。结构抗震最好的预防措施是采取可行有效的设计方法，使结构抗震能力提高，避免结构的大裂缝和倒塌，避免经济损失和人员伤亡。随着科技进步、经济的发展、人们抗震理念的深入，建筑的抗震设计随着抗震理论的加深而成熟，抗震设计的科学领域已经形成且庞大。目前正在发展中的概率弹塑性理论和静力理论、反应谱理论、直接动力分析理论是结构抗震设计理论发展经历的4个阶段。结构地震反应分析方法的理论基础是根据结构抗震设计理论而定的，时程分析法、振型分解反应谱法和底部剪力法是地震作用分析方法的三个基本方法。

2钢结构抗震设计

2．1梁柱刚性连接抗震设计钢结构梁柱刚性连接脆性断裂是造成日本阪神地震和美国北岭地震人员伤亡和经济损失的直接原因。此后许多专家做了大量的实验，根据实验结论，提出了防止断裂的方法和预防措施，可以降低构件脆性，提高构件延性，防止节点处脆性破坏的发生，现行规范没有纳入这些成果。目前我国常用钢结构连接形式是栓焊混合连接梁柱刚性连接，它具有节省钢材、构造简单、节约工期等优点。但这种形式的节点不用于美国北岭，严重的脆性断裂是这次地震中房屋倒塌的主要原因，为此经专家分析发现，有效地提高节点塑性转动能力的方式就是在抗剪板和梁腹板之间补焊，为了避免现场焊接的梁柱连接缺陷也可以采用梁一梁拼接型式。

2．2门式刚架抗震设计门式刚架与传统的单层房屋有差距，因为自重相对较轻，采用轻型墙面和屋面。因此《抗规》规定，普通钢厂房的抗震规定对单层轻型的钢厂房不适用。《门规》对此做了如下规定：（1）从设计方面出发，单层轻型门式房屋钢结构的质量较轻，对7度以下抗震烈度设防地区，抗震验算不用进行，当抗震设防烈度大于s度时，结构的纵向和横向框架应该进行相关的抗震验算和分析以便于居住。（2）当由地震控制设计由效应组合作用时，在构造上，采取相应的抗震措施来针对轻型钢结构的特点。比如，按屈服强度的1．2倍来设计支撑连接处的承载力；宜加腋来提高斜梁下翼缘和刚架柱连接点处的承载力，应减小该处翼缘受压区域内的宽厚比；适当的用强度高的螺栓对构件进行加固和连接；把抗剪键设置造柱脚底板，要增强高锚栓的抗剪力和抗拔力应采取必要措施；适当的提高抗拔承载力和抗剪承载力和抗扭矩承载力。（3）低矮是单层轻型门式刚架钢结构房屋的特点（一般不超过18m，高度小于40m），且质量集中在上部，主要的受力形式是剪切受力，近似于单质点体系的结构，符合《抗规》第5．1．2条规定，进行抗震计算分析的方法可用底部剪力法；根据《抗规》第9．2．5条，结构阻尼比取0．045－0．050。应按照附录H．2和《抗规》9．2节来进行抗震设计单层及多层钢结构工业厂房（单层轻型钢结构厂房除外）。

3结语

在对美国UBC规范的地震作用、“建筑工程抗震性态设计通则”和现行抗震规范比较分析的基础上，从抗震设计原则出发，针对刚性连接的梁柱，对于结构，我国采用“小震不坏，中震可修，大震不倒”的设计理念，按大震验算和小震设计的方法来落实到设计规范上。线弹性和塑性是结构的特点，振型耦合的叠加原理可以来反应地震波动。结构的基础与土层之间无直接相互作用，所以全部支座处的地震波动相同，最大的地震反应是结构的最不利地震反应。

参考文献

［1］渡边邦夫．钢结构设计与施工．北京：中国建筑工业出版社，2006．

［2］王国周，瞿履谦．钢结构—原理与设计—．北京：清华大学出版社，2005．

［3］欧阳可庆．钢结构（上下册）．上海：同济大学出版社，2008

作者：管西亮 何绪家 单位：山东科技大学土木工程防灾减灾重点实验室 山东科技大学土木与建筑学院