钢结构抗震与优化设计探析范文

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摘要：随着人口的增长以及经济的发展，地震对民众生命财产安全的威胁不断增大，民众对钢结构抗震能力要求提升。但钢结构在设计及施工时会受到不同因素影响，文章通过对抗震概念设计的梳理，结合震害对钢结构产生的影响提出优化设计。

关键词：抗震设计；钢结构；优化设计

钢结构由于自重轻、强度高、韧性及塑性好、装配化程度高、绿色节能等诸多优点，深受建筑师及结构师青睐，被广泛应用，尤其在大跨度超高层方面优势明显。在我国一系列政策的鼓励下，钢结构工程发展迅猛，迎来行业发展的春天。由于我国处于多条地震带上，地震灾害频发，给人民生命财产安全带来极大威胁。因此必须认真研究钢结构抗震性能，优化设计与施工，为广大人民群众提供安全可靠的钢结构建筑。

1抗震概念设计

所谓概念设计是指根据地震灾害和以往工程经验形成的设计原则和设计思想，在这些理念指导下进行建筑结构的平面和竖向布置，并进一步细化完善的设计过程。抗震概念设计有助于帮助设计师明确抗震设计思路，恰当运用抗震规范中的设计原则，在结构计算前做到思路清晰，心中有数，少走弯路。《抗震规范》3.5节明确规定：第一，结构应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径；第二，应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力；第三，应具有良好的变形能力和消耗地震能量的能力；第四，对可能出现的薄弱部位，应采取加强措施提高其抗震性能。关于平面和竖向布置《抗震规范》及《高规》均有明确要求。具体概括为：建筑物要优选体型，尽量做到平面竖向规则对称，整体性好；建筑物宜有多道防线，避免局部削弱形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形；结构在两个主轴方向的动力特性宜接近；平面上尽量避免凹凸不规则，扭转不规则，楼板不连续；竖向尽量避免侧向刚度不规则，抗侧力构件不连续，楼层承载力突变等。这是结构工程师应该具备的基本设计理念，按照这些原则进行结构布置，结构计算的重要控制性指标不会有太大偏差，计算结果能够控制在合理的范围内。

2钢结构震害分析

钢结构破坏大致分为两类：一是整体破坏，即结构整体坍塌；二是局部破坏，包括出现超过规范允许的位移和变形，构件丧失承载能力，连接节点开裂松动，失效等。钢结构房屋在强震作用下往往表现为强度有余而侧向刚度不足。在往复地震力作用下钢结构会产生如下破坏形式：其一，结构坍塌，这种破坏形式多是由于竖向刚度分布不均匀，楼层承载力突变，形成薄弱层引起。其二，梁柱节点破坏，历次震害表明，节点破坏是发生最多的一种破坏形式。由于钢结构的特殊性，钢材本身可能存在材料缺陷，施工过程中焊接或螺栓连接也可能存在缺陷，设计上构造不合理等原因，梁柱节点处容易产生应力集中或受力不均匀，地震力作用下会出现裂缝，焊接脱落，脆性断裂，加劲板或腹板的层状撕裂或屈曲等。其三，竖向支撑的整体或局部失稳，支撑为结构提供了较大的侧向刚度，地震力作用下，支撑构件的轴向力加大，一旦超出其临界力，即发生失稳。局部失稳多发生在梁柱翼缘，由于截面尺寸构造不合理，如长细比或宽厚比不满足规范要求震作用下可产生构件的屈曲失稳，发生破坏。其四，柱脚破坏，由于地脚埋置深度不满足计算要求，承受较大水平力的柱脚未布置抗剪键或抗剪键布置有误，柱脚混凝土短柱配筋不足等原因，柱脚会发生由于混凝土破碎或柱脚拔出而造成柱脚破坏，引发结构倒塌。

3钢结构抗震优化设计

3.1合理选址

《抗震规范》3.3.1条规定：选择建筑场地时，应根据工程需要和地震活动情况，工程地质和地震地质的有关资料，对抗震有利，一般，不利和危险地段作出综合评价。对不利地段应提出避让要求；无法避开时应采取有效措施。汶川地震及历次震害表明在发震断裂带上建造的房屋，会遭受毁灭性破坏。

3.2合理选材

建筑用钢结构材料主要分为钢材和连接材料两大类。材料性能好坏直接影响到钢结构的可靠性。设计师应综合考虑结构的重要性，荷载特征，结构形式，应力状态，连接方式，工作环境，材料厚度及价格等因素，选用合理的材料以保证结构安全。

3.3合理设计

第一，选用合理的计算模型，真实模拟结构的受力状态。对体型复杂，结构布置复杂的建筑，宜采用有限元模型分析，并至少采用两个不同的力学分析软件进行计算。第二，计算简图的简化一定要符合结构实际受力状态。第三，局部受力复杂的构件，宜按照应力分析结果进行校核。第四，对软件分析的结果，应判断其合理性，切勿盲目照搬。

3.4节点设计

（1）柱脚节点设计。柱脚通常分为三大类：外露式柱脚，外包式柱脚，埋入式柱脚。其中，抗震设计时优先采用埋入式柱脚。埋入式柱脚适用于独立基础，条形基础，筏板基础及桩承台等。柱脚的埋入深度应按照计算确定，并不小于构造要求。由于柱底弯矩和剪力是通过混凝土受压来传递，故埋入式柱脚对其周边混凝土保护层厚度及配筋均有严格规定，并对混凝土施工也有严格要求。由于埋入式柱脚就位后浇筑膨胀混凝土，钢柱校正难度加大，因此，软弱地基不宜采用。（2）梁柱节点设计。梁柱连接分为铰接和刚接两类：第一类，铰接。梁柱铰接连接一般是梁腹板与柱翼缘通过螺栓连接，为保证梁端有足够的转动能力，应控制连接角钢的厚度，梁端与钢柱间应留有缝隙，应使连接板受剪屈服先于焊缝屈服和螺栓失效，以保证计算假定与构造相吻合。第二类，刚接。梁柱的钢架连接通常采用全焊接，栓焊混合，带悬臂梁的栓焊混合及带悬臂梁的全螺栓连接等形式。设计中经常采用栓焊混合连接方式。这种连接形式简单，便于现场安装，容易保证结构安全。抗震设计要求强节点弱构件，这种连接通常会采用在梁上下翼缘处增加楔形板或加盖板以增加焊缝的长度和厚度，来满足构件屈服时连接不破坏。若以上两种方式仍不满足要求，设计师还可采用狗骨式节点，通过削弱梁端全塑性受弯承载力来满足规范要求。

4结束语

结构设计师应分析各类震害，总结经验，理清思路，不断完善设计，保证人民群众生命财产安全。

参考文献：

[1]本刊通讯员.GB50011—2001《建筑抗震设计规范(2008年版)》介绍[J].煤气与热力,2008,28(12):24.

[2]郁银泉.《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99—2015修订的重点内容介绍[J].工程建设标准化,2017(10):51-60.

[3]王立军.GB50017—2017《钢结构设计标准》简述[J].钢结构,2018,33(6):77-79+114.

作者:李少英 单位:烟台市勘察设计审查服务中心