浅析钢结构的性能特点及抗震设计

　　摘要：文章简述了钢结构建筑的结构体系及性能特点，并分析了钢结构的抗震设计方法及要求，以供参考。
　　关键词：钢结构；性能特点；抗震设计
　　
　　钢结构是以钢材为材料做成受力构件的结构，钢结构住宅依其自重轻，基础造价低，适用于软弱地基，安装容易，施工快，周期短，投资回收快，施工污染环境少，抗震性能好等综合优势而受到各方的重视。但是，如果钢结构房屋在结构设计、材料选用、施工制作和维护上出现问题，则其优良的钢材特性将得不到充分的发挥，在地震作用下同样会造成结构的局部破坏或整体倒塌。
　　一、钢结构建筑的结构体系及性能特点
　　（一）钢框架结构体系
　　纯钢框架结构体系是钢结构住宅的基本体系，受力明确，使用灵活，制作安装简单，施工速度较快，但为抵抗侧向力所需梁柱截面较大，一般可用于6层以下的多层建筑，且一般情况下，梁柱节点应采用刚接。
　　（二）钢框架—支撑结构体系
　　当钢框架体系层数较多时，由于侧向作用力的增大，使得梁柱等构件尺寸也相对较大，失去其经济合理性。这时宜增设支撑，形成钢框架—支撑结构体系。支撑体系包括十字交叉支撑、单斜杆支撑、人字形或V形支撑。
　　（三）钢框架—预制钢筋混凝土墙结构体系
　　该结构体系，一般预制钢筋混凝土墙体中均埋有钢板支撑，它只有在支撑点处与钢框架相连，而且钢筋混凝土墙板与框架梁留有空隙，从受力上来说，它仍是一种支撑。这种体系受力性能良好，支撑构件相对较经济，且能与隔墙布置相结合。但现场安装比较困难，制作比较复杂。
　　(四)钢框架—钢筋混凝土剪力墙结构体系
　　在钢框架结构中设置部分现浇钢筋混凝土剪力墙，即为钢框架——钢筋混凝土剪力墙结构体系。钢框架——钢筋混凝土剪力墙结构中，由于钢筋混凝土剪力墙刚度大，剪力墙是抗侧力的主体，整个结构的侧向刚度大大提高，钢框架则承担竖向荷载，同时也承担少部分水平力。这种结构形式都可用来建造较高的高层住宅，在我国已有很多工程采用。
　　(五)钢框架—钢筋混凝土核心筒结构体系
　　钢框架——钢筋混凝土核心筒结构体系的平面布置一般为电梯或卫生间做成四周封闭的钢筋混凝土简体，形成主要的抗侧力结构，而外周的框架则采用钢框架。这种结构体系将钢材的强度高、重量轻、施工速度快和混凝土的抗压强度高、防火性能好、抗侧刚度大的特点有机的结合起来，主要用于高层钢结构住宅中。
　　二、抗震设计方法
　　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)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βmax谱，反应谱的形状和分段记号见图1。我国采用的是平均谱，βmax取为2．25。采用弹性谱确定地震力，则
　　FE=ZβW(2)
　　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；β是动力放大系数，按β谱取值。
　　
　　图1β谱
　　我国《建筑抗震设计规范》自GBJ11—89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”有比较统一的认识，对钢框架结构层间位移角在1/50～1/30，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：①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=0．2，β=2．25，则FE=0．2×2．25W=0．45W，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；②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。
　　三、抗震设计基本要求
　　（一）钢结构房屋结构类型选择
　　钢结构房屋的抗震性能的优劣取决于结构的选型，进行实际工程设计时，需要综合考虑多种因素进行方案的优化，在优化过程中确定其适宜的结构体系。
　　（二）钢结构房屋结构布置原则
　　钢结构房屋的结构体系和结构布置的选择关系到结构的安全性、适用性和经济性。和其他类型的建筑结构一样，多高层钢结构房屋应尽量采用规则的建筑方案，当结构体型复杂、平立面特别不规则时，可按实际需要在
　　适当部位设置防震续，从而形成多个较规则的抗侧力结构单元，由于钢结构可耐受的结构变形大于混凝土结构，一般来说，不宜设抗震缝．必须设置时，抗震缝宽应不小于相应钢筋混凝土结构房屋的1.5倍。
　　（1）结构平面布置：面布置宜简单、规则和对称，保证结构具有良好的整体性和抗侧刚度，同时使结构各层的抗侧刚度中心与质量中心接近或重合。
　　（2）结构竖向布置：建筑的立面和竖向剖面宜规则，结构的质量与侧向刚度沿坚向分布应均匀连续，坚向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小。使得抗侧力结构的侧向刚度和承载力分布合理，避免因局部削弱或突变形成结构薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形集中，另外，还应使各层刚心和质心尽可能处于同一竖宜线上，减小扭转作用的影响。
　　（3）结构布置的其他要求：钢结构房屋的楼盖宜采用压型钢板现浇混凝土组合楼板或非组合楼板。对不超过l2层的钢结构尚可采用装配整体式钢筋混凝土楼板、装配式楼板或其他轻型楼盖。超过12层的钢结构应设置地下室。地下室的设置，可提高上部结构的抗震稳定性、提高结构抗倾覆能力、增加结构下部整体性、减小沉降。设置地下室时的基础形式应根据上部结构及地下室情况、工程地质条件、施工条件等因素综合确定，其基础埋置深度，当采用夭然地基时不宜小于房屋总高度的1／15；当采用桩基时，桩承台埋深不宜小于房屋总高度的1／20。
　　（三）钢结构房屋适用的最大高度和高宽比
　　根据结构总体高度和抗震设防烈度确定结构类型和最大适用高度。构的高宽比是影响结构整体稳定性和抗震性能的重要参数，它对结构刚、侧移和振动形式有直接影响。高宽比指房屋总高度与平面较小宽度之比。高宽比值较大时，一方面使结构产生较大的水平位移及P—△效应，还由于倾覆力矩使柱产生很大的轴向力。因此，需要对钢结构房屋的最大高宽比制定限值，不宜大于合理的限值，超过时应进行专门研究，采取必要抗震措施。
　　
　　参考文献：
　　[1]戴建甫.关于钢结构节能住宅结构体系性能的思考[J].科技促进发展，2010（4）.
　　[2]胡小平.关于钢结构抗震设计的探讨[J].建材与装饰：上旬.市场营销.2010（7）.

《浅析钢结构的性能特点及抗震设计》

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