钢结构建筑抗震钢结构建筑抗震摘要：在建筑结构中，钢结构具有抗震性能高工业化生产程度高施工周期短节能环保便于运输施工速度快延展性好等优点。对钢结构建筑，要了解钢结构的震害及其特点，钢结构的加固以及钢结构的抗震设计。体现大震不倒小震不坏的抗震设计目标。关词键：钢结构 震害 加固 抗震设计 在建筑结构中，钢结构具有抗震性能高工业化生产程度高施工周期短节能环保便于运输施工速度快延展性好等优点，特别是钢结构建筑所具有的延展性可以衰减地震波，减少地震对建筑的破坏性 基于钢结构建筑的突出优点，美国韩国等国的钢结构建筑已占到总量的 50左右日本是多地震的国家，钢结构建筑在日本的占有率更是达到了65左右，据日本阪神地震后资料显示，钢结构建筑在地震中的受损率远低于混凝土结构建筑。在进行钢结构的抗震设计时，应从历次震害中吸取教训，除了在强度和刚度上提高结构的抗力外，还要从如何增大钢结构在往复荷载作用下的塑性变形能力和耗能能力，以及减小地震作用方面等全面考虑，做到既经济又可靠。1 钢结构的震害特点钢结构的震害主要有节点连接的破坏构件的破坏以及结构的整体倒塌三种形式。1.1 节点连接的破坏1.1.1 框架梁柱节点区的破坏原因1） 焊缝金属冲击韧性低；2） 焊缝存在缺陷，特别是下翼缘梁端现场焊缝中部，因腹板妨碍焊接和检查，出现不连续；3）梁翼缘端部全熔透坡口焊的衬板边缘形成人工缝，在竖向力作用下扩大；4） 梁端焊缝通过孔边缘出现应力集中，引发裂缝，向平材扩展；5）裂缝主要出现在下翼缘，是因为梁上翼缘有楼板加强，且上翼缘焊缝无腹板妨碍施焊。1.1.2 支撑连接的破坏在多次地震中都出现过支撑与节点板连接的破坏或支撑与柱的连接的破坏。采用螺栓连接的支撑破坏形式，包括支撑截面削弱处的断裂节点板端部剪切滑移破坏以及支撑杆件螺孔间剪切滑移破坏。1.2 构件的破坏在框架 - 支撑结构中，这种破坏形式是非常普遍的现象。支撑杆件可近似看成两端简支轴心受力构件，在风荷载和多遇地震作用下，保持弹性工作状态，只要设计得当，一般不会失去整体稳定。在罕遇地震作用下，中心支撑构件会受到巨大的往复拉压作用，一般都会发生整体失稳现象，并进入塑性屈服状态，耗散能量。但随着拉压循环次数的增多，承载力会发生退化现象，支撑在压力作用下一旦失去稳定，就会变成压弯杆，载力迅速下降，并在杆中央部位形成塑性铰 当随后承受拉力作用时，由于存在残余的塑性弯曲变形，受拉刚度很小，只有形成反向塑性铰后，支撑的抗拉刚度才逐渐恢复，直至全截面受拉屈服长细比大的支撑，整体失稳后的承载力退化要比长细比小的严重得多。1.3 结构的倒塌破坏1985年墨西哥大地震中，墨西哥市的Pino Suarez综合大楼的 3个22层的钢结构塔楼之一倒塌，其余2栋也发生了严重破坏，其中1栋已接近倒塌。这3栋塔楼的结构体系均为框架 支撑结构分析表明，塔楼发生倒塌和严重破坏的主要原因之一，是由于纵横向垂直支撑偏位设置，导致刚度中心和质量重心相距太大，在地震中产生了较大的扭转效应，致使钢柱的作用力大于其承载力，引发了3栋完全相同的塔楼的严重破坏或倒塌 由此可见，规则对称的结构体系对抗震将十分有利。2 钢结构加固 钢结构存在严重缺陷和损伤，或改变使用条件经验查验算构的 强度、刚度或稳定性不满足使用要求时，应对钢结构进行加固；常见的钢结构需加固：局部加固和全面加固。2.1钢柱加固方法2.1.1补强柱的截面一般补强柱截面用钢板或型钢，采用焊接或高强螺栓与原柱连接，成一整体，柱截面补强加固型式。承受较大轴力和较小弯矩的柱截面加固形式；柱截面加固形式适用于偏心受压柱（压弯构件）；柱截面加固后，不仅提高弯矩平面内，也能提高平面外惯性短，所以适用于双向偏心受压柱截面加固。2.1.2增设支撑增设支撑减小柱自由长度，提高承载能力，增设支撑形式，在截面尺寸不变情况下提高了柱稳定性。2.1.3改变计算简图减少柱外荷载或内力将屋架与柱铰接改为刚接，减小了柱计算弯矩，柱子截面就可不加固了，但对屋架杆件必须验算；加强列柱，使排架所受水平荷载主要由A列柱承担，使其它柱列卸荷使加固工作量减少；增设撑杆，减小柱自由长度。2.2钢梁加固2.2.1改变梁支座计算简图加固方法各单跨梁可采用使支座部分连续方法进行加固，在支座部分的梁上下翼缘焊上钢板，使其变成连续体系，该钢板所传递的力应恰好与支座弯矩相平衡，连续后可使跨中弯矩降低1520%，采用这种加固方法会导致柱子荷载的增加，应验算柱子。2.2.2支撑加固梁方法斜撑加固梁方法，有长斜撑和短斜撑两种方案；一般采用焊接方法连接斜撑和梁，验算时要考虑梁中间部分（斜撑支点之间）会产生压力，用斜撑加固梁时也必须加固梁截面。2.2.3吊杆加固梁方法在层高较高的房屋内，用固定于上部柱的吊杆加固梁；由于吊杆不沿腹板轴线与梁相连，故梁又受扭；吊杆应是预应力的，吊杆按预应力和梁计算荷载引起的应力总和确定。2.3 连接和节点的加固2.3.1原铆接连接的加固铆接连接加固的最好方式是采用高强螺栓，它不仅简化施工，且高强螺栓工作性能比铆钉可靠得多，还能提高连接刚度和疲劳强度。2.3.2 原高强螺栓连接的加固原高强螺栓连接节点，仍用高强螺栓加固；个别情况可同时使用高强螺栓和焊缝来加固，但要注意螺栓的布置位置，使二者变形协同。2.3.3原焊接连接的加固焊接连接节点的加固，仍用焊接，焊接加固方式有二种：一是加大焊缝高度（堆焊）； 二是加长焊缝长度，在原有节点能允许增加焊缝长度时，应首先采用加长焊缝的加固连接方法，尤其在负载条件下加固时。 3 钢结构建筑的抗震设计1）在进行结构设计时，应根据建筑的抗震设防类别抗震设计烈度建筑高度场地条件地基结构材料和施工等因素，经技术经济和使用条件综合比较，选择合适的结构体系。2）结构体系应有明确的计算简图和合理的地震作用传途径，可考虑多道抗震防线，宜使结构在两个主轴方向的动力特性相近，并尽量使其基本自振周期远离场地的特征周期，以防止共振，减小地震作用。3）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。例如，框架结构应设计成强柱弱梁型，以防止形成柱子倒塌结构。4）结构应具有必要的抗震承载力良好的变形能力和消耗地震能量的能力。例如，为避免传统的梁柱刚性节点发生脆性破坏，可采用在节点附近削弱梁翼缘截面的办法， 或采用在节点处设置加强梁段的办法，使梁中承受最大应力的截面离开梁柱接触表面，充分发挥塑性转动能力和消耗地震能量的能力，偏心支撑框架中的耗能连梁具有相似的能力。5)对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高抗震能力 例如，应体现强节点弱构件的设计思想，避免诸如支撑的连接节点先于杆件破坏所引发的震害。6)应体现大震不倒小震不坏的抗震设计目标，采用多遇地震时按弹性设计罕遇地震时按弹塑性进行变形验算的二阶段设计方法进行抗震设计 在进行小震设计时，钢结构均处于弹性，阻尼比较小，可取为 0.02；大震验算时进入弹塑性状态，阻尼比增大，可取 0.05。参考文献1 GB50017-2003钢结构设计规范S.2 GB50011-2001 建筑抗震设计规范S.3 汪一骏.钢结构设计手册K.北京： 中国建筑工业出版社，2004.4 陈晓光.钢结构抗震设计浅谈. 建筑与结构设计,20085 钢结构加固修复技术 6 马成松.建筑结构抗震设计.武汉：武汉理工大学出版社，20105