郭小政 陶钱贵

【摘要】本文介绍了CECS160和GB50011两本有关钢结构规范在抗震设计时，对建筑物重要性类别的抗震设防加速度，建筑物场地类别的划分和不同场地类别建筑物的设防最低要求的区别。抗震设防的分类，以及世界主要国家抗震计算的强度折减系数的确定，钢结构梁柱节点的破坏机理与设计，抗震的相应构造措施是现在研究的方向。

【关键词】钢结构；抗震；构造措施

前言

钢结构体系具有安装容易，施工周期短，自重轻，能减小地震作用效应，抗震性能好，环境污染少等综合优势。随着我国经济水平的提高，钢产量的上升，研制出了很多优质钢材，所以高层超高层钢结构在我国迅速发展。钢结构一直是被认为是抗震性能优越的结构形式，但是，随着近年来在世界范围内，地震频繁发生，导致许多钢结构发生断裂破坏，是结构工程界开始重新认识和研究高层钢结构的抗震性能。深入了解高层钢结构在强烈或者罕遇地震作用下可能发生的损伤，破坏以至于倒塌的机理，从而采取有效的措施，是工程界目前应该做的首要的事情。

基于性能的抗震设计思想时有美国学者于20世纪九十年代初提出，是设计出的结构在未来的地震灾害下能维持所要求的性能水平，它要求在结构设计中从以往只注重结构安全，向全面注重结构的性能，安全及经济等诸多方面发展[1]。

一、抗震的设防的目的及分类

1.1抗震的设防的目的

CECS160规定的抗震设防指导思想是：在兼顾经济和安全的原则下实现建筑物预定的使用功能和性态目标，提出抗震设防的基本要求；当所设计的建筑物遭受本地区多遇地震，抗震设防地震或罕遇地震时，能按设计要求保证安全，基本上实现其预定目标[2]。

在CECS160规范中规定将建筑物按重要性和使用功能分类，主要是指建筑物在地震时或者地震后的损坏程度对社会造成的综合性影响程度。建筑物的重要性类别主要是从抗震的角度来分的，CECS160保留了GB50011和《建筑抗震设防分类标准》（GB50223）中（甲.乙.丙.丁）的分类方法，并且对几种重要性不同的建筑物发生某一概率水准的地震采用不同的年限确定相应的设计地震加速度。

因为甲乙丙三类建筑物的使用性质和抗震重要性不同，要求在地震时或者地震后的表现也不同，因此CECS160的规定相比之下较GB50011合理。

1.2抗震设防的分类

抗震设计的分类实际上就是根据建筑物的使用功能和相应规定的性态水平给出不同的设计和措施要求，以确保建筑物在设防地震作用下的性态能够满足预订的要求，通常要求，重要的建筑物在地震作用下震害程度应该轻一些，使用功能要正常运转，一般建筑会严重一些使用功能会受到影响，但是使用功能不能彻底瘫痪，因此重要建筑在设计时地震力比一般建筑的要求要严格一些，而且在构造措施上也比一般建筑要求会更严格一些，此外，抗震构造措施还应随着地震烈度的高低而有严，款之分。所以针对不同的使用功能的建筑，在根据其所在地震区域设防烈度的高低进行抗震设计类别的划分[3]。

二、抗震计算的强度折减系数的确定

2.1地震影响系数

单自由度体系水平地震作用定义为：

式中：G为重力荷载代表值；k为地震系数，表示地震动的大小，与地震烈度有一定的关系，见表1；β为动力系数，体系最大加速度与地面最大加速度之比，意义为体系加速度放大系数（主要反映结构特性，如周期，阻尼等）见图1。

GB50011根据“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准两阶段的设计思想，按第一阶段的设计要求，采用了多遇地震下的弹性地震作用效应作为抗震验算的基础，即地震作用计算表达式中的地震影响系数与多遇地震相对应。

2.2强度折减系数

现在各国抗震设计所使用的反应谱，大多都采用了强度折减系数，通常做法是将设防烈度对应的加速度反应谱通过随结构类型而变化的结构反映修正系数R（美国规范），结构性系数（欧洲规范），结构影响系数C（R与C互为倒数）均为结构设计取用的地震加速度反应谱[1]。

我国的抗震規范GB50011中折减系数是采用罕遇地震，中震和常遇地震的概念。结构的弹性反应谱是按照中震的地震烈度参数确定的，比常遇地震烈度高1.55度，地震力为中震弹性反应谱的1/2.82倍。在多遇地震的作用下基于弹性设计，考虑阻尼比对削减地震力的显著影响，我国规范GB50011对阻尼影响明确地引入了阻尼调整系数。钢结构在多雨地震作用下的阻尼比，对不超过12层的钢结构可采用0.035，对超过12层的钢结构可采用0.02，在罕遇地震下的分析，阻尼比可采用0.05。

美国的规范将结构的眼形设计分为三个等级：高延性设计，中等延性设计与低延性设计，三者的R值依次减小，设计地震力依次增加，延性依次降低，并且规定在高烈度地区必须用高延性设计，以保证建筑物的安全，在中等烈度地区，可以使用高延性设计或者中等延性设计，在低烈度区，可以根据结构的要求按实际选择设计等级，实际上是建立了设计地震作用与结构延性要求相挂钩的双重设计指标。欧洲规范也同样将钢结构划分为高，中，低三类延性等级设计。

三、钢结构梁柱节点的破坏机理与设计

3.1节点的抗震设计[5]

众多学者的研究表明，节点的脆性破坏原因，主要是由于焊缝的质量不好和较高的残余三向应力，破坏的典型方式有：脆性裂纹自梁下翼缘与柱翼缘相交焊缝处，通过不同途径扩展，导致多种多样的断裂模式。在有关学者总结的八种裂纹形式中七种都发生在梁下翼缘与柱翼缘的交叉区域。

知道了节点的破坏机理，我们就必须在节点设计时注意这些问题，所以，设计原则就是节点能够完全传递被连接板件的弯矩和剪力，充分发挥刚才的塑性，保证减少或者甚至不发生脆性破坏。设计方法主要有：（1）将塑性铰的位置外移；（2）对梁翼缘焊缝衬板缺口效应进行处理；（3）改进扇形切角构造；（4）选用有较高冲击韧性的焊缝；（5）将梁腹板与柱子焊接。

但是在实际设计中，仅仅通过设计还无法满足抗震要求，还需要一些抗震措施来加强，现在常用的有：（1）梁与柱刚性连接时，抗震设防的要求，柱在梁翼缘上下各500mm的节点范围内，柱翼缘与柱腹板或箱形柱壁板间的组合焊缝，应采用全焊透剖口焊缝；（2）当梁翼缘的塑性截面模量小于全截面塑性截面模量的70%时梁腹板与柱的连接螺栓不得少于两列。当仅需要一列时，仍应布置两列，且螺栓总数不得少于计算值的1.5倍；（3）螺栓孔对截面的削弱不得大于25%。通过设计计算再加上构造来达到钢结构的抗震目标。

3.2大跨度钢结构的破坏

在大跨度钢结构中除了梁柱节点的破坏，还有屋架支撑的失稳，屋盖支撑螺栓的破坏，网架结构周边支撑桁架杆的破坏，网架球节点的破坏等，当支撑构件的组成板件宽厚比较大时，往往伴随着整体失稳出现板件的局部失稳现象，进而引发低周期疲劳和断裂破坏，这在以往的地震破坏中是很常见的。试验表明，为了防止板件在往复塑性应变作用下发生局部失稳，进而引发低周期的疲劳破坏，必须对支撑板件的宽厚比进行限制，且应比塑性设计比严格[6]。

3.3钢结构的耗能减震

钢结构的耗能减震，实际上就是在钢结构建筑上安装减震耗能装置，由于结构中安装的耗能器及连结构件为结构提供了一定的附加刚度或附加阻尼，在地震作用下通过结构上安装的耗能器来耗散输入结构的能量，减轻结构的动力反应，从而减小结构的破坏更好的保护住结构的安全，是一种新型的结构，所以总体上比传统的钢结构总量要少，而且真正经受过地震作用的耗能钢结构有事少之又少，缺乏相关资料。所以对目前减震效能钢结构的研究主要好事通過地震拟振动台试验和有限元分析。近些年来，有大量的国内外学者和专家，对安装不同种类阻尼器的钢结构进行试验和理论研究分析，结果均表明，各类耗能阻尼器均能在一定程度上有效地耗散输入结构的地震能量，增大结构的整体刚度和阻尼比，减小结构的地震反应，明显提高不同体系钢结构体系的抗震性能。

四、总结

本文将钢结构抗震的有关规范CECS160和GB50011中有关规定对比发现，前者要比后者科学再设计使用上更加切合实际。在设计时除了计算外还要加强构造措施来保证抗震目标，在知道地震破坏机理时应加快研究解决方案，并研究新的抗震性能更好的新型结构形。

参考文献

[1]陈小峰，邓开国，郝际平.关于钢结构抗震设计的探讨[J].建筑结构，2009年4月第39期增刊。

[2]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010年。

[3]CECS160建筑工程抗震性态设计通则（试用）[S].中国工程建设标准化协会标准 2004年

[4]尚守平，周福霖 结构抗震设计[M].高等教育出版社，2010.06.1

[5]聂政春，李明全.钢结构节点抗震措施简述[J].工程结构第30卷4期，2010.8

[6]吴兆琪，何田田，姜绍飞，苏建强 钢结构梁柱连接节点抗震性能研究进展[J].福州大学学报（自然科学版），2011.10