多层钢结构房屋抗震设计浅析

关键字：多层；钢结构；抗震；结构体系；破坏形式

　　1 前言

　　钢结构有很多优点，便于运输、抗震性能高、施工周期短、延展性好、施工速度快等，而且与传统的混凝土结构相比，钢结构的强度、韧性高，节能环保，特别是钢结构具有良好的延展性可以衰减地震波，减少地震时地震波的影响，因此在工业化生产中钢结构广泛应用于多层房屋建筑中。但是，如果多层钢结构房屋在材料选用、设计以及施工维护和制作上稍有不妥，就难以发挥钢结构自身所具有的优越性，在地震作用下就难以减轻地震对房屋的破坏性。如今，钢结构已经普遍应用于各种类型的民用建筑、工业建筑中，如果不合理正确应用钢结构，会造成建筑物结构局部破坏甚至整体倒塌等更严重的后果。

　　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。无独有偶，四川汶川地震，同样是钢结构建筑的绵阳体育馆受到损坏极小，成为了安置灾民的主要地点。

　　2 多层钢结构房屋抗震结构体系

　　钢结构房屋的结构类型直接影响着多层钢结构房屋的抗震性能，因此在进行实际工程设计时，必须综合考虑几种因素，对方案进行优化设计，然后在优化过程中确定最适合本房屋的结构体系。多层钢结构体系有纯钢框架体系、钢框架剪力墙体系、钢框架支撑体系等，它们各有特点，在钢结构建筑领域中被广泛的应用。

　　3 钢结构的破坏形式

　　多层钢结构房屋具有很多优点，它受到震害的影响要比混凝土结构的房屋要小很多，但设计和施工的要求却同样重要，如果连接、冷加工、焊接不合理，后期维护不当以及受到外部环境、工艺技术的不良影响，很可能会造成钢结构的破坏。根据多层钢结构房屋在历次地震中的破坏形式可以归纳为以下几类。

　　1、框架节点区的梁柱焊接连接破坏：竖向支撑的整体失稳和局部失稳，柱脚焊缝破坏及锚栓失效。

　　2、构件的破坏：翼缘的屈曲、拼接处的裂缝、节点焊缝处裂缝引起的柱翼缘层状撕裂、框架柱的脆性断裂、腹板屈曲和截面扭转屈曲。

　　3、构件的局部屈曲破坏：框架梁或柱的局部屈曲是因为梁或柱在地震作用下反复受弯，以及构件的截面尺寸和局部构造如细长比、板件宽厚比设计不合理造成的，柱的水平断裂是因为地震造成的倾覆拉力较大、动应变速率较高、材性变脆引起的。

　　4、支撑的破坏：支撑构件为钢结构提供了较大的侧向刚度，当地震强度较大时，承受的轴向力（反复拉压）增加，如果支撑的长度、局部加劲板构造与主体结构的连接构造等出现问题，就会出现钢结构的破坏或失稳。

　　5、节点破坏：由于节点传力集中、施工难度大、构造复杂，容易造成应力集中、强度不均衡现象，再加上可能出现的构造缺陷、焊缝缺陷，就更容易出现节点破坏。节点域的破坏形式比较复杂，主要有加劲板的屈曲和开裂、加劲板焊缝出现裂缝、腹板的屈曲和裂缝。

　　4 设计的一般规定

　　尽管多层钢结构房屋的抗震性能较好，但是在强烈地震的作用下，也会出现不同程度的损害。在地震作用下，建筑物的破坏过程和破坏机理十分复杂，所以需要对多层钢结构房屋进行严密的抗震设计，从而减轻地震灾害带来的损失。

　　1、多层钢结构房屋结构布置的一般原则。多层钢结构房屋的结构布置和结构体系的选择关系到整个建筑结构的经济性、适用性以及安全性。这和其他类型的建筑结构是一样，多层钢结构房屋应该尽量采用规则的建筑方案，当平立面不规则和结构体型复杂时，可以根据实际情况在适当部位设置抗震缝，从而形成多个规则的抗侧力结构单元。当混凝土和钢结构并用时，由于混凝土结构的变形小于钢结构，一般来说是不宜设抗震缝，如果是必须设置时，就应该将建筑物分割成规则的结构单元。

　　2、钢结构平面的布置应该遵循对称、规则和简单的原则，使结构能具有良好的整体性。这样可以防止在遭遇地震的情况下多层钢结构房屋由于应力集中和发生钢结构扭转、突变或者因局部削弱和塑性变形使得应力集中在薄弱部位，破坏钢结构。为了有效地减小扭转作用对建筑物的影响，还应该使各层的质心和刚心尽可能处于同一竖直线上。另外，还需要注意多层钢结构房屋的楼盖应该采用非组合楼板或者是压型钢板现浇混凝土组合楼板。有效地提高多层钢结构的房屋的稳定性，增加结构下部整体性以及增强其抗倾覆能力，减小沉降，提升整个多层房屋的抗震性能。

　　3、多层钢结构房屋适用的高宽比和最大高度。房屋总高度与平面较小宽度之比就是高宽比。在抗震结构体系中，最大适用高度和结构类型是根据抗震设防烈度和结构总体高度确定的。影响钢结构抗震性能和整体稳定性重要参数是钢结构的高宽比，它直接影响着钢结构的侧移、振动形式以及结构刚度。如果要使钢结构产生较大的水平位移，就增大高宽比值，并且倾覆力矩使支撑柱产生很大的轴向力。因此，钢结构房屋的最大高宽比必须要限定，使其保持在一个合理范围内，超过时应该进行专项研究，采取必要的抗震措施。

　　4、在多层钢结构房屋抗震设计中必须体现强柱弱梁的原则，因为这样可以有效地避免了在地震作用下支撑柱先进入塑性区破坏钢结构导致整个房屋的倒塌。这就要求我们通过不同构件的内力设计值或者调整刚结构中不同部位受到的地震效应，使整体框架和钢结构具有消耗地震能量和较大的内力重分布能力。

　　5、多层钢结构房屋的设计应遵照专门设计规程“高层民用建筑钢结构技术规程”进行，应严格要求合理的结构布置与结构体系的选用，以及合理的技术经济性能。钢结构的抗震设计应进行两阶段设计：第一阶段按多遇地震计算地震作用设计；第二阶段按罕遇地震作用设计，并分别验算其位移限值及层间侧移延性比等限值的要求。

　　5 结束语

　　随着近几年来自然灾害的频发，尤其是不断地发生地震灾害。为了尽可能的减小地震造成的经济损失以及人员伤亡，多层钢结构房屋的抗震性能的要求就更高了。我国的多层钢结构房屋抗震的技术与发达国家的水平还有一定的差距，我们应该积极努力的学习国外的多层钢结构知识，借鉴国外在多层钢结构上运用的经验，对多层钢结构房屋的抗震进行优化设计，从设计理念入手对多层钢结构房屋结构抗震的具体要求，制定科学合理的设计方案，从而确保实现多层钢结构房屋的抗震设计目标。

　　参考文献

　　[1]彭观寿、高轩能.基于性能的钢结构抗震设计理论与方法[J].钢结构.2007

　　[2]丰定国、王杜良.建筑结构抗震设计原理[M].武汉工业大学出版社.2006

　　[3]樊长林、武寅刚.多层钢结构住宅抗震设计[J].太原城市职业技术学院学报.2006