建筑结构抗震性能分析 - 图文 (3)

3对几种结构的抗震性能进行简单的分析

3.1 砌体建筑的抗震性能分析

震惊世界的汶川大地震，给我国造成了巨大的损失，其中遇难6.9万人，受伤37.4万人，失踪1.8万人，房屋间毁坏21多万间。在这毁坏的21多万间房屋中，砌体结构占相当大的比例，且其破坏形态令人堪忧。

砌体结构的主要材料是粘土砖，砂浆。主要承重结构是粘土砖和砂浆砌筑的墙、柱。它是通过砌块和砂浆的相互作用及纵横墙的拉结而使建筑物达到一定的整体性和承重能力。虽然砌体有抗拉、弯、剪的强度较其抗压强度低，导致建筑变形能力小，抗震性能差等缺点，但是通过科学合理的设计是可以达到抗震要求。然而汶川地震地震中的砌体建筑缺毁坏的如此严重，这点我们不得不引起我们的反思。

3.2钢筋混凝土的抗震性能分析

钢筋混凝土框架结构是工业和民用建筑中最常用的结构形式之一。框架结构主要由梁、柱两种构件组成，构造简单、受力明确，它的优点是建筑平面布置灵活，可以通过调整柱距而满足各种建筑功能的需要，因此在建筑结构中得到广泛应用。但它有一个明显的缺点就是其侧向刚度差，抵抗水平荷载的能力较低，在地震作用下容易产生很大的残余变形，框架抗侧移刚度主要取决于梁柱的截面尺寸，通常梁柱截面惯性矩小，侧向变形较大故而限制了框架结构的使用高度因此框架结构只适用于中、低层的建筑物。

3.2.1 钢筋混凝土框架结构的抗震要求

我国现行的《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）采用“三水准，两阶段”的设计方法来实现抗震设防目标。为了实现这一设防目标，在总结历次震害经验和试验结果研究的基础上，《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）规定了框架结构在抗震设计中必须遵循“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件”三条基本原则，并以此为依

据对框架结构进行内力调整使其在地震中实现更为合理的破坏机制来减小地震带来的危害。其中“强柱弱梁”是指节点处柱端实际受弯承载能力大于梁端实际受弯承载能力，使结构在地震中梁端先于柱端出现塑性铰，利用变形能力相对更大的梁的破坏来吸收和消耗地震能量，实现梁铰的整体破坏机制。钢筋混凝土框架在地震中的典型屈服破坏机制有：柱铰破坏机制、梁铰破坏机制、混合破坏机制。比较这三种主要破坏机制可以得到：梁铰破坏机制以为只在梁端和柱脚部位形成塑性铰，是一种更为合理的整体破坏机制。为了实现这一合理的破坏机制，我国现行的抗震规范中通过引进柱端弯矩增大系数人为地提高柱端相对于梁的抗弯能力，使框架柱在强震下不出现塑性铰，或推迟出现塑性铰，达到“强柱弱梁”的效果。

3.2.2钢筋混凝土框架结构的抗震能力

钢筋混凝土框架结构为了达到抗震设防目标一般都要求设计成延性框架，因为在框架结构中水平荷载主要由框架柱来承担，而框架柱由于截面尺寸较小，使得其抗侧移能力较差，结构变形呈典型的剪切型。为了达到较好的抗震性能，框架结构设计时就必须具有良好的延性，即要设计成延性框架，结构的延性越耗散地震能量的能力就越强，从而实现抗震设防的目标。应该指出上述抗震理论是建立在传统强度较低、延性较好的材料基础上的，这些理论经过多年的研究分析已经相当成熟。但是传统钢筋混凝土因为材料强度较低，结构在强震中的损坏是无法避免的。因此对于普通材料建造钢筋混凝土框架结构，即使按照“强柱弱梁”的原则设计成梁端先出现塑性铰的整体破坏机制，柱底塑性铰的出现仍然是不可避免的，而柱底塑性铰的出现将影响塑性破坏机制的发展使结构形成复杂的混合铰破坏机制。另外，对于钢筋混凝土结构，钢筋的屈服强度是决定结构构件承载力的主要因素。对于普通钢筋，因屈服强度较低，构件的抗弯承载力也较低，相应的弯曲屈服变形也较小，同时由于地震作用的随机性和结构进人弹塑性阶段结构动力特性变化的不确定性，在较大侧移情况下，其他楼层框架柱上端出现塑性铰的可能性依然存在，仍有可能导致形成楼层破坏机构而产生倒塌的危险。

3.2.3 改善钢筋混凝土框架结构破坏机制方法

随着社会的发展，科学技术的进步，许多新材料在各个行业大量涌现并越来越多

地得到了广泛的应用，同样在工程结构中也出现了大量高强、高性能的新型建筑材料，钢筋和混凝土也出现了与以前相比强度高出很多的新型品种。现阶段高强材料已经广泛涌现并且价格也达到了工程建设可以接受的范围，为了改善和提高结构的抗震能力可以在结构某些部位合理地引进适当的高强钢筋，利用高强材料强度高、弹性范围大的优点弥补普通框架结构在地震破坏中的不足。就钢筋混凝土框架而言，为了提高其在地震中的存活能力，可以在框架柱中引进高强钢筋来提高框架柱的抗弯承载力和相应的弯曲屈服变形能力，从而增大框架柱和框架梁之间屈服变形差，变相地达到“强柱弱梁”的目的，从而实现合理的梁铰破坏机制，避免倒塌破坏机制的出现。

3.3型钢混凝土组合结构的抗震性能分析

型钢混凝土与混凝土组合结构(简称SRC—RC结构)是在关键部位对RC结构进行了加强，因此与RC结构相比，同样具有强度大，刚性大，延性好，抗震能力强，防火、防腐性能好的特点，它又汇集了钢结构高强度、小截面、施工方便的优点。钢结构造价较高，结构主体部分完全采用SRC结构也是不现实的。SRC—RC混合结构以较低的造价实现了优越的结构性能，被认为是一种符合我国国情的较好的建筑结构形式。SAP2000是通用的结构分析软件，在合理的材料关系、荷载组合和单元模型下可模拟结构内力变化和破坏的过程。文中将模拟SRC结构、RC结构和SRC+RC结构在相同地震作用下的地震反应，分析型钢混凝土组合结构的抗震性能。

从总体上看，SRC+RC柱结构具有较好的抗震性能，其性能介于SRC柱结构和RC柱结构之间，关键在于如何合理组织组合结构中SRC构件和RC构件的配比，使得组合结构的性能达到最优化。SRC+RC柱结构形式，可以使RC柱截面大幅减小，同时还能提高柱刚度，既可以满足经济性的要求，还能达到良好的抗震效果，是一种可以推而广之的组合结构形式。

从以上三种结构的抗震性能分析中可得，型钢混凝土组合结构的抗震性能最好，其次是钢筋混凝土，砌体结构的抗震性能最差。下面将重点介绍钢结构的抗震性能。

3．4钢结构的抗震性能分析

3.4.1钢结构的特点

a.钢材与其他材料相比有如下特点 ①建筑钢材强度高，塑性，韧性好

②强度高，适用于建造跨度大，高度高、承载重的结构。塑性好，结构在一般条件下不会因超载而突然断裂，只增大变形，故易于被发现。韧性好，适宜在动力荷载作用下工作，因此在地震多发区采用钢结构较为有利。

③钢结构质量轻

④材质均匀，其实际受力情况和力学计算的假定比较符合 ⑤钢结构制作简便，施工工期短 ⑥钢结构密闭性好 b.钢结构的特点

不同的结构形式，抗震性能明显不同。混凝士结构的房屋受压较好，但不抵抗拉力，两种力的差距达到10倍。当地震来临时，房屋在地震波循环荷载情况下，极易发生整体垮塌。钢材基本上属各向同性材料，抗拉、抗压、抗剪强度均很高，而且具有良好的延展性，特别是钢结构凭着自己特有的高延展性减轻了地震反应。钢结构还可以看作比较理想的弹塑性结构，可以通过结构的塑性变形吸收和消耗地震输入能量，从而具有较高的抵抗强烈地震的能力。钢结构相对于其他结构自重轻，这也大大减轻了地震作用的影响。钢结构除了抗震性能高，施工周期短、工业化程度高、环保性能好的特点也显著优于混凝土结构。

3.4.2钢结构在震害中的破坏形式 ①结构倒塌。钢材发生平面外弯曲失稳造成。

②支撑构件破坏。支撑构件为结构提供较大的侧向刚度，当地震强度较大时，承受的轴向力增加，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。就会出现破坏和失稳。

③节点破坏。铆、拴、焊节点传力集中，构造复杂，施工难度大，容易造成应力

集中，强度不均匀现象，再加上可能的焊缝缺陷、构造缺陷，就更容易出现连接破坏。梁柱节点可能破坏现象有加劲板断裂、扭曲，腹板断裂、扭曲，焊接部位拉脱，铆接断裂以及螺栓连接的破坏等等。

④基础锚固破坏。主要有螺栓拉短、混凝土锚固失效、连接板断裂。主要是涉及构造、材料质量、施工质量等问题造成。

⑤构件破坏。框架梁等的破坏形式主要有腹板开裂、腹板屈曲和翼缘板屈曲、扭转屈曲。框架柱的破坏主要由柱了受拉断裂，翼缘屈曲，翼缘撕裂失稳。构件拉断的原因估计是地震造成的倾覆拉力较大，动应变速率较高，材料变脆等。

3.4.3钢结构的抗震设计

①钢结构预制构件拼接建筑结构。从汶川抗震救灾中广泛使用的活动板房，归纳总结指出。在钢结构预制构件拼接建筑结构中，预制钢构件的连接增加了结构的超静定次数，从而增加了塑性铰的形成数量。构成多道抗震防线，不仅提高了结构的抗震可靠度，更延长了结构进入倒塌的过程。即使是纯框架结构(类似于汶川校舍建筑)之类的楼房，也能大大提高其抗震能力。且这种结构具有施丁方便，工期短，自重轻，结构面积小，节能，维修方便等优点，可以作为抗震结构设计类型。支撑布置方式。由高度限制，用于高层钢结构建筑的框架体系常设置支撑。同时，为控制楼层的顶点位移及层间位移，可设置水平加强层。增加支撑体系和水平加强层是提高结构整体刚度．减少梁、柱用钢量有效方法之一，具有较好的经济效果。不同的支撑布置形式对其地震响应有不同的影响。

②轻型门式刚架设计。实腹式轻型门式刚架结构按截面形式主要有两种类型：等截面门式刚架和变截面门式刚架。门式刚架结构的主体结构一般由等截面或变截而的焊接(或轧制)H型钢门架构成，柱脚常设计为铰接或刚接，维护结构通常采用压型钢板作为轻型外墙和屋面。变截面的焊接H型钢门式刚架通常将构件腹板制成楔形，只改变腹板宽度，不改变腹板厚度、翼缘的宽度和厚度[3]。依据刚架的弯矩分布特点，门式刚架柱一般由一个楔形构件组成。而梁则由几个楔形构件组成。轻型门式刚架结构体系具有施工速度快、安装方便、造型轻盈美观、造价低廉等诸多优点，近年来已经成为单、多层工业厂房、仓储库房和大跨轻钢结构的主要形式之一。

④巨型梁设置。巨型梁的设置对整个巨型钢结构的抗震性能影响很大，是巨型钢

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