浅谈高层钢结构的地震倒塌控制

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摘 要：尽管钢结构的抗震性能较好，但是在地震作用下，当结构的层间位移较大的时候，也会引起结构的破坏甚至倒塌。本文对目前高层钢结构地震倒塌控制进行了简要的总结。

关键词：高层钢结构 地震反应 倒塌 失效准则

中图分类号：TU7 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）05（c）-0063-01

地震是对人类生存环境破坏较严重的一种自然灾害。我国是地震发生较频繁的国家，而且强震发生较多。地震荷载是随机性的，当发生强地震时，地震烈度往往超过当地的抗震设防烈度，结构往往会遭到超过预计的破坏，甚至发生倒塌破坏，即便规范要求进行抗震设防，也不一定能确保结构安全。

自上世纪以来，里氏7.0级以上的大地震，我国就发生了七次，给我国造成了巨大的人员伤亡和经济损失，并造成了严重的社会影响。1976年的唐山大地震，烈度达到Ⅺ度，唐山市的地面建筑基本上全部都塌，死亡24万人，直接经济损失30多亿元人民币；1999年的台湾南投7.6级地震，倒塌各种建筑9909栋，财产损失92亿美元；2008年的汶川大地震，烈度达到Ⅺ度，远超过房屋抗震设防烈度，震中映秀镇的地面建筑基本全部倒塌，北川县城变成一片废墟，死亡6.9万人，财产损失8451亿元人民币。地震造成的人员伤亡和财产损失，主要来自建筑物的倒塌，因此，提高建筑的整体抗震能力，特别是提高建筑抗地震倒塌能力，具有重要的研究意义。

钢材具有较强的塑性变形能力，钢结构被认为具有良好的抗震性能。然而，在1994年的Northridge地震和1995年的Kobe地震中，钢结构发生破坏，甚至倒塌。主要是因为，主要是因为梁柱之间的抗弯焊缝连接大量发生脆性断裂，节点的脆性破坏改变了钢结构在地震作用下的破坏模式，使其无法在合适的位置形成塑性铰，发展塑性变形，导致国内外对梁柱节点的抗震性能进行了大量研究。

为改进节点部位的延性，梁柱节点的抗震性能研究主要基于“强节点弱构件”的思想，通过加强连接的强度和削弱梁端截面[1]，使塑性铰从柱面外移一段距离，出现在梁上。也可通过改进节点构造形式，如去掉焊接垫板、严格焊接工艺要求，构件部分替换等方法，减小节点区的应力集中现象，改善节点区的应力分布，从而改善节点的抗震性能[2]。

另外，有研究[3～5]把刚性连接改为栓接半刚性连接，虽然半刚性连接使钢框架具有较大的变形能力，但钢框架的侧向刚度也较低。

钢结构的严重破坏也促进了新型结构体系的发展，比较典型的是多重抗震结构体系，如具有二道防线的耗能支撑——钢框架结构体系，耗能支撑作为第一道抗震防线首先破坏，进行耗能，保护起承重作用的主框架；使作为第二道抗震防线的主框架在设防大震作用下只发生轻微破坏[6，7]。

目前，国内外对高层钢结构失效模式的控制主要集中在梁柱节点和新型结构体系这两方面。对于梁柱节点抗震性能的研究，仅局限于结构的梁柱连接部位，虽然可以使结构满足“强节点弱构件”的设计原则，使塑性铰出现在构件上，但未考虑结构体系的失效模式。对于新型结构体系的发展主要基于耗能减震的思想，在结构的某一部位安装特殊的耗能减振装置，吸收本来由主要结构构件消耗的地震输入能量，以减轻结构主体的损伤，是通过在主结构上附加耗能元件来保护主结构，未考虑主结构的自身的失效模式。

对于多重抗震结构体系，当耗能构件破坏后，结构主体就起主要抗震作用，主结构通过梁柱端部的弹塑性变形来消耗地震输入能量，抗震设计只能保证结构在预定的大震设防烈度下不倒，当结构遭到高于设防烈度大震的强地震作用时，结构的主要构件可能会受到严重损伤，直至结构倒塌。

结构的倒塌是由于承受重力荷载的主结构失去竖向承重作用，梁柱节点和新型结构体系都不能保证结构在远超过预定设防烈度的强地震作用下不倒，结构的倒塌由主结构的损伤造成的，因此，在结构满足“强节点弱构件”设计原则和具有多重抗震防线的基础上，对主结构的倒塌失效模式进行控制，通过调整主结构的构件截面，使结构体系更加合理，可在不太增加成本的情况下提升结构的抗地震倒塌能力。

参考文献

[1] Sean Wilkinson，Gordon Hurdman， Adrian Crowther.A moment resisting connection for earthquake resistant structures [J].Journal of Constructional Steel Research，2006，62：295-302.

[2] Duane K.Miller.Lessons learned from the Northridge earthquake[J].Engineering Structures，1998，20（4-6）：249-260.

[3] Egor Paul Popov，Tzong-Shuoh Yang and Shih-Po Chang.Design of steel MRF connections before and after 1994 Northridge earthquake [J].Engineering Structures，1998，20（12）：1030-1038.

[4] Alfredo Reyes-Salazar，Achintya Haldar.Nonlinear seismic response of steel structures with semi-rigid and composite connections [J].Journal of Constructional Steel Research，1999，51：37-59.

[5] M.Fathia，F.Daneshjoob，R.E. Melchersc.A method for determining the behaviour factor of moment-resisting steel rames with semi-rigid connections [J].Engineering Structures， 2006，28：514-531.

[6] M.Bosco，P.P.Rossi.Seismic behaviour of eccentrically braced frames[J]. Engineering Structures，2009，31：664-674.

[7] Mehrdad Lotfollahi，M.M.Alinia.Effect of tension bracing on the collapse mechanism of steel moment frames[J]. Journal of Constructional Steel Research，2009，65：2027-2039.