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摘要：建筑中一般都运用了很多的钢结构，这类结构有超高的坚固度和很强的抗震性能。所以设计出抗震性能优秀的钢结构，对建筑的使用寿命和安全性能非常有帮助。在设计钢结构时，要充分了解钢结构的震害特点、设计要求、抗震结构体系和构造要求等，以便全方面地、综合性地设计出优秀的抗震性能高的钢结构。
关键词：钢结构；抗震性；建筑
中图分类号：TU398 文献标识码：A 文章编号：1671-3362（2013）01-0002-02
引言
钢结构有很高的抗震性能，工业化生产程度高，同时还节能环保、运输便利，所以目前在建筑结构当中都大量采用这种结构。在建筑过程中，采用钢结构设计能够提高施工速度，而且其结构的延展性能够有效减弱地震波，从而降低地震对建筑物的破坏程度。在许多发达国家广泛采用钢结构设计来提高建筑物的抗震性，地震多发的日本采用的钢结构设计比例甚至达到了65%。相关研究显示，钢结构设计建筑物在地震中受到的损坏远低于混凝土结构建筑。在设计钢结构的抗震性时，除了要提高钢结构的设计强度、刚度，还要注意钢结构设计下塑性变形能力和耗能能力，提高建筑物抗震性能。
1 钢结构设计中的震害
1.1 破坏建筑节点连接
建筑钢结构要成为完整的结构系统，必须通过节点进行连接，因此节点是钢结构中的重点分析对象，许多建筑结构的整体破坏，都是由节点的失效引起的。建筑节点连接的破坏产生的原因有以下几个方面：焊缝金属冲击韧性不高；焊缝缺陷引起的连接不连续问题；因梁上翼缘有楼板加强，而且上翼缘焊缝无腹板妨碍焊接，所以裂缝一般出现在下翼缘；梁端焊缝因为应力集中产生裂缝且延伸至平材；梁翼缘端部全熔透坡口焊的衬板边缘会形成人工裂缝且继续扩大等。
1.2 结构的整体倒塌
建筑物的倒塌是震害的根源，建筑结构合理的抗震设计对整体抗倒塌能力十分重要。研究表明钢材发生平面外弯曲失稳是造成倒塌的重要原因，通过对多个建筑体的相关的震后分析发现，纵横向垂直支撑设置偏位引起刚度中心和质量重心的距离过大，从而在地震发生时引起较强的扭转效应，使钢柱受力超过其承载力，引发建筑倒塌和严重破坏。结构规则对称的建筑有利于抗震防害。在强度相同的地震中，采用新的钢结构设计标准来建造的房屋倒塌数量要比传统的建筑物少很多，结构的抗震水平高低决定了震害的严重程度。
1.3 破坏建筑构件
建筑构件的破坏主要指框架梁和柱等的破坏。梁的破坏形式有腹板开裂、腹板屈曲和翼缘板屈曲、扭转屈曲等等。柱的破坏主要有柱子受拉断裂、翼缘屈曲、翼缘撕裂失稳等等。在框架-支撑结构中，容易出现支撑杆件的整体失稳、局部失稳和断裂破坏等。支撑杆件类似于两端简支轴心受力构件，只要合理设计，使其保持弹性的工作状态，在风荷载和多遇地震的作用下能够保证整体稳定。中心支撑构件在特殊地震作用下容易产生整体失稳，并且以塑性屈服方式分散消耗地震破坏能量。建筑支撑失去稳定会损害压弯杆，使其承载力大幅降低。构件发生的塑性弯曲变形，要受到反向塑性铰的作用才能恢复。运用研究发现，建筑构件长细比小的支撑会有相对较小的承载力丧失。
支撑构件的部件偏大时，整体失稳会伴随产生局部失稳，从而带来相应的断裂破坏和低周疲劳。有关研究表明，在钢结构设计中要严格限制支撑板件的宽厚比，对于防止板件在相应作用下引起局部失稳和后续破坏的问题产生具有显著效果。
2 抗震结构系统
钢结构建筑的结构体系主要有框架结构、框架-中心支撑结构和框架-偏心支撑结构等几种。纯框架结构一般具有良好的延展性和抗震性能，但是其抗侧刚度较差，当建筑结构超过一定的高度时，在水平荷载作用下，结构的侧移较大，需要增加一定的梁或是柱截面来保持结构稳定性，从而失去了经济合理性，所以不适合用于高层数的建筑。框架-中心支撑结构的特点是抗侧刚度大，适用于高层数建筑，但是支撑构件的滞回性不高影响了地震能量的耗散作用，所以它的抗震性能要比纯框架稍差。沿建筑周边设置密柱深梁框架会构成框筒结构，它的抗侧刚度大，抗震性能较好，所以可用于房屋刚度很高的建筑设计当中。框架-偏心支撑结构由于结合了中心支撑钢框架强度高、刚度大和纯框架结构耗能能力好的优点，加上偏心连梁的良好剪切屈服作用，在保证支撑的整体稳定性的同时，能够分散损耗地震的破坏能量，减少地震破坏。目前在高层建筑结构抗震设计中的应用被广泛采用。
3 抗震设计的标准
3.1 对钢材性能的要求
抗侧力结构的钢材采用B级的Q235碳素结构钢或Q345低合金高强度结构钢比较合适，或者采用性能符合要求的其他钢材也可以。例如：钢材的伸长率不低于20%，而且要有明显的屈服台阶；钢材的抗拉强度和屈服强度的实际测量值比例要大于1.2；钢材的焊接性能良好、冲击韧性合格；采用345N/mm2以下屈服强度的钢材作为偏心支撑框架中的耗能连梁等。
3.2 合理布置结构
在进行房屋的平、剖、立体面设计和结构体系设计时，要以建筑物设计体型简单、平面对称规则为设计原则，均匀对称布置建筑抗侧力结构，使建筑楼层的总体刚度重心尽量接近建筑的质量中心，同时使建筑的质量和刚度都沿着竖向均匀连续没有突变。
不要采用不规则的建筑结构方案来设计钢结构房屋，同时要设置防震缝。若建筑设计中出现复杂平面，可采用防震缝将不规则平面划分为多个规则对称单元。防震缝的宽度大于相应钢筋混凝土结构建筑的1.5倍时，可以有效避免发生地震时各部分单元之间的互相碰撞。
3.3 优化结构设计
建筑的结构设计要充分考虑设计高度、地基地形、材料施工条件等要素的影响，结合建筑物的抗震设计要求和经济技术条件，合理选择建筑的结构体系设计。
结构设计中还要充分考虑地震破坏作用的传递耗散途径，设置多道抗震防线保障建筑设计的抗震性能。此外，加强建筑的局部结构和构件的抗震性能，防止局部结构的破坏影响整体建筑结构的抗震能力设计。采用在节点附近削弱梁翼缘截面法，可以避免传统的梁柱刚性节点发生脆性破坏；在节点处加强梁段，保证梁段的地震能量耗散能力和塑性转动能力充分发挥。加强建筑结构中可能薄弱部位的抗震防害能力，注重连接点的抗震能力设计，避免节点先被破坏引发相应震害。
3.4 合理设计抗震构造
国家出台了相应的抗震构造措施来指导规范行业内不同的建筑钢结构设计。其目的和手段都是通过限制受压构件的长细比、构件组成板件的宽厚比、梁平面外的长细比和采取措施增强连接节点的承载能力等手段，使钢结构能在遇到罕见地震破坏时能承受较大的往复塑性变形、吸收和耗损地震输入能量，以确保房屋的稳固。
4结束语
钢结构设计的抗震能力在研究和运用中都得到了检验。在进行钢结构的抗震设计时，要注意建筑的整体结构设计和局部设计中的抗震性能。依据实际设计、施工条件和相应的抗震能力要求，选择合理的结构、部件、施工材料和技术。既要提高整体的抗震性能，也要注意局部构件的能力要求，保证整体建筑满足抗震设计需要。
参考文献
[1]刘洪波，谢礼立，邵永松.钢框架结构的震害及其原因[J].世界地震工程，2008（04）：47-51.
[2]李国强，孙飞飞.关于钢结构抗震存在的问题及建议[J].地震工程与工程振动，2010（03）：108-114.
[3]蔡益燕.阪神地震后日本钢结构的发展[J].建筑钢结构，2010（08）：22-25.
作者简介：刘鸿禧（1983-）男，籍贯：山东烟台，本科，助理工程师，研究方向：结构设计。
关键词：钢结构；抗震性；建筑
中图分类号：TU398 文献标识码：A 文章编号：1671-3362（2013）01-0002-02
引言
钢结构有很高的抗震性能，工业化生产程度高，同时还节能环保、运输便利，所以目前在建筑结构当中都大量采用这种结构。在建筑过程中，采用钢结构设计能够提高施工速度，而且其结构的延展性能够有效减弱地震波，从而降低地震对建筑物的破坏程度。在许多发达国家广泛采用钢结构设计来提高建筑物的抗震性，地震多发的日本采用的钢结构设计比例甚至达到了65%。相关研究显示，钢结构设计建筑物在地震中受到的损坏远低于混凝土结构建筑。在设计钢结构的抗震性时，除了要提高钢结构的设计强度、刚度，还要注意钢结构设计下塑性变形能力和耗能能力，提高建筑物抗震性能。
1 钢结构设计中的震害
1.1 破坏建筑节点连接
建筑钢结构要成为完整的结构系统，必须通过节点进行连接，因此节点是钢结构中的重点分析对象，许多建筑结构的整体破坏，都是由节点的失效引起的。建筑节点连接的破坏产生的原因有以下几个方面：焊缝金属冲击韧性不高；焊缝缺陷引起的连接不连续问题；因梁上翼缘有楼板加强，而且上翼缘焊缝无腹板妨碍焊接，所以裂缝一般出现在下翼缘；梁端焊缝因为应力集中产生裂缝且延伸至平材；梁翼缘端部全熔透坡口焊的衬板边缘会形成人工裂缝且继续扩大等。
1.2 结构的整体倒塌
建筑物的倒塌是震害的根源，建筑结构合理的抗震设计对整体抗倒塌能力十分重要。研究表明钢材发生平面外弯曲失稳是造成倒塌的重要原因，通过对多个建筑体的相关的震后分析发现，纵横向垂直支撑设置偏位引起刚度中心和质量重心的距离过大，从而在地震发生时引起较强的扭转效应，使钢柱受力超过其承载力，引发建筑倒塌和严重破坏。结构规则对称的建筑有利于抗震防害。在强度相同的地震中，采用新的钢结构设计标准来建造的房屋倒塌数量要比传统的建筑物少很多，结构的抗震水平高低决定了震害的严重程度。
1.3 破坏建筑构件
建筑构件的破坏主要指框架梁和柱等的破坏。梁的破坏形式有腹板开裂、腹板屈曲和翼缘板屈曲、扭转屈曲等等。柱的破坏主要有柱子受拉断裂、翼缘屈曲、翼缘撕裂失稳等等。在框架-支撑结构中，容易出现支撑杆件的整体失稳、局部失稳和断裂破坏等。支撑杆件类似于两端简支轴心受力构件，只要合理设计，使其保持弹性的工作状态，在风荷载和多遇地震的作用下能够保证整体稳定。中心支撑构件在特殊地震作用下容易产生整体失稳，并且以塑性屈服方式分散消耗地震破坏能量。建筑支撑失去稳定会损害压弯杆，使其承载力大幅降低。构件发生的塑性弯曲变形，要受到反向塑性铰的作用才能恢复。运用研究发现，建筑构件长细比小的支撑会有相对较小的承载力丧失。
支撑构件的部件偏大时，整体失稳会伴随产生局部失稳，从而带来相应的断裂破坏和低周疲劳。有关研究表明，在钢结构设计中要严格限制支撑板件的宽厚比，对于防止板件在相应作用下引起局部失稳和后续破坏的问题产生具有显著效果。
2 抗震结构系统
钢结构建筑的结构体系主要有框架结构、框架-中心支撑结构和框架-偏心支撑结构等几种。纯框架结构一般具有良好的延展性和抗震性能，但是其抗侧刚度较差，当建筑结构超过一定的高度时，在水平荷载作用下，结构的侧移较大，需要增加一定的梁或是柱截面来保持结构稳定性，从而失去了经济合理性，所以不适合用于高层数的建筑。框架-中心支撑结构的特点是抗侧刚度大，适用于高层数建筑，但是支撑构件的滞回性不高影响了地震能量的耗散作用，所以它的抗震性能要比纯框架稍差。沿建筑周边设置密柱深梁框架会构成框筒结构，它的抗侧刚度大，抗震性能较好，所以可用于房屋刚度很高的建筑设计当中。框架-偏心支撑结构由于结合了中心支撑钢框架强度高、刚度大和纯框架结构耗能能力好的优点，加上偏心连梁的良好剪切屈服作用，在保证支撑的整体稳定性的同时，能够分散损耗地震的破坏能量，减少地震破坏。目前在高层建筑结构抗震设计中的应用被广泛采用。
3 抗震设计的标准
3.1 对钢材性能的要求
抗侧力结构的钢材采用B级的Q235碳素结构钢或Q345低合金高强度结构钢比较合适，或者采用性能符合要求的其他钢材也可以。例如：钢材的伸长率不低于20%，而且要有明显的屈服台阶；钢材的抗拉强度和屈服强度的实际测量值比例要大于1.2；钢材的焊接性能良好、冲击韧性合格；采用345N/mm2以下屈服强度的钢材作为偏心支撑框架中的耗能连梁等。
3.2 合理布置结构
在进行房屋的平、剖、立体面设计和结构体系设计时，要以建筑物设计体型简单、平面对称规则为设计原则，均匀对称布置建筑抗侧力结构，使建筑楼层的总体刚度重心尽量接近建筑的质量中心，同时使建筑的质量和刚度都沿着竖向均匀连续没有突变。
不要采用不规则的建筑结构方案来设计钢结构房屋，同时要设置防震缝。若建筑设计中出现复杂平面，可采用防震缝将不规则平面划分为多个规则对称单元。防震缝的宽度大于相应钢筋混凝土结构建筑的1.5倍时，可以有效避免发生地震时各部分单元之间的互相碰撞。
3.3 优化结构设计
建筑的结构设计要充分考虑设计高度、地基地形、材料施工条件等要素的影响，结合建筑物的抗震设计要求和经济技术条件，合理选择建筑的结构体系设计。
结构设计中还要充分考虑地震破坏作用的传递耗散途径，设置多道抗震防线保障建筑设计的抗震性能。此外，加强建筑的局部结构和构件的抗震性能，防止局部结构的破坏影响整体建筑结构的抗震能力设计。采用在节点附近削弱梁翼缘截面法，可以避免传统的梁柱刚性节点发生脆性破坏；在节点处加强梁段，保证梁段的地震能量耗散能力和塑性转动能力充分发挥。加强建筑结构中可能薄弱部位的抗震防害能力，注重连接点的抗震能力设计，避免节点先被破坏引发相应震害。
3.4 合理设计抗震构造
国家出台了相应的抗震构造措施来指导规范行业内不同的建筑钢结构设计。其目的和手段都是通过限制受压构件的长细比、构件组成板件的宽厚比、梁平面外的长细比和采取措施增强连接节点的承载能力等手段，使钢结构能在遇到罕见地震破坏时能承受较大的往复塑性变形、吸收和耗损地震输入能量，以确保房屋的稳固。
4结束语
钢结构设计的抗震能力在研究和运用中都得到了检验。在进行钢结构的抗震设计时，要注意建筑的整体结构设计和局部设计中的抗震性能。依据实际设计、施工条件和相应的抗震能力要求，选择合理的结构、部件、施工材料和技术。既要提高整体的抗震性能，也要注意局部构件的能力要求，保证整体建筑满足抗震设计需要。
参考文献
[1]刘洪波，谢礼立，邵永松.钢框架结构的震害及其原因[J].世界地震工程，2008（04）：47-51.
[2]李国强，孙飞飞.关于钢结构抗震存在的问题及建议[J].地震工程与工程振动，2010（03）：108-114.
[3]蔡益燕.阪神地震后日本钢结构的发展[J].建筑钢结构，2010（08）：22-25.
作者简介：刘鸿禧（1983-）男，籍贯：山东烟台，本科，助理工程师，研究方向：结构设计。