高层钢结构抗震设计对钢材性能的要求

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中国建筑标准设计研究院:郁银泉总工程师
 
郁银泉：我是今天下午的最后一个报告，希望大家再坚持一下。我今天的报告题目是：高层钢结构抗震设计对钢材性能的要求。

“512”地震我们大家都知道，我们很多的钢筋混凝土结构往往没有达到我们的基准，所以这些要引起我们的重视，钢结构也存在一定的要求，怎么样才可以达到一定的基准，所以对钢材有一定的要求。我们需要一些抗震性能好的钢材。何为抗震性能好的钢材？是我们规范里所提出的，下面给大家做一些介绍。

我想这些方法概述地在这里简单地过一下，因为我们知道国家设计的方法是小震弹性的设计方法，可是对小震弹性的设计方法的话，很多专家提出异议，我们的抗震结构不应该说是抗小震，超烈度的地震怎么样抗呢，我们现有的设计方法是弹性小震，这是现有规范的方法，这就是弹性反应谱的放大系数和来源。

这一条是反应谱，我们设计的方法总结起来叫三水准、两阶段的设计方法。所谓的三水准大家都知道，在这里就不再重复说了。两阶段的话，所说的两阶段实际上很多房子都是要一阶段，小震下的截面抗震验算和大震下的结构变形验算。这是对于特殊建筑的要求。

我们的房子不能那样设计，我们要抗中震，我们要在中震的规范基础上进行抗震设计，这是我们的理由之一。第二个理由，我们不要用弹性设计的另外一个理由，在一定的塑性变形下，对我们的结构安全和钢结构的房子根本没有大的影响。第三个理由，塑性变形的话大家应该都看了，上面很多房子都是这样设计的，塑性变形会降低我们的结构刚度，从而进一步减轻我们的地震峰谷。这是我们规范里面给出的水平地震影响的最大值，这个大家都很清楚。

这个数值的意思是说我们的小震多于地震影响系数跟地震的影响系数相差是非常大的，所以我们的房子设计一定要进入弹塑性阶段。并且你看一下这两个限值，从钢结构中可以看出来差了6倍，所以说弹性位移角限值是非常之大的。

支撑钢架，特别是梁要产生比较大的能量来避开建筑物的倒塌，这就是所说的“梁铰”机制，要确保抗震性能，所以在这里也提出了我们要选抗震性能好的钢材，这个是梁铰机制，这是我们希望的梁铰机制。

钢结构抗震设计要提到一些性能要求，这些大家都比较清楚，以后规范里可能出现的是屈服强度，有明显的屈服强度，我们现在有4条，其中前面的1、2、3条是我们对钢框架的要求，第4条是连接的时候需要焊接，这是对焊接时候的要求，这个四条基本要求是抗震用材的四项基本要求，一般性都是要满足的。并且在我们非抗震设计规范里面我们GB50017在塑性设计中也提了三项要求，它提了三项要求，这是源远而来的规范抄下来的，一个是最大的变形应变。

美国钢结构协会有规程，就是AISC，高强钢的规定经历了不断的修改，我在这里没有列出来，但是大家回去以后可以看到，它没有提几项要求，可是它把柱子、梁，选的钢材都做了规避，实际上大家还可以看到，钢结构设计规划里没提这些要求，可是做相对计算的时候提出了这些要求，它的安全系数1.7，在抗拉强度的时候安全系数是2.5，实际上1.7到2.5，不到0.7，提出了相应的要求，很多规范里都隐含在里面。

刚才说的美国的这些规定实际上就是发挥性能、耗能，因此一般大家都知道材料的高强化屈强比要增大，延伸力要降低，这是我们材料、高强跟年限要求的一个矛盾。

这里面我还列举了日本高性能的抗震钢材，这里面设置了这么几项。我们现在普通的钢材给出的都是屈服点的下线，实际上真正拿到的钢材它的屈服点非常之大，甚至可能差到2百兆大，2百多兆都有，可是日本的在120兆，并且还规定加大焊钢量，这些应该要保证焊接钢材的性能，日本也有高强的钢材，叫SA440钢材，它也规定了几项要求，所以日本的抗震性能多数是有这些要求的。我们的建筑结构用钢板在里面应该说参照了日本的SN系列钢，也做了规定，这些钢材的性能相对来说是比较好的。

所以说对于大家在选用GJ钢时候大家要注意，我们现在有一个规范把这个性能列在里面了，可是这不是所有的GJ钢都可以，GJ钢是一种比较好的，等同于日本SNC的钢材，它跟普通的SN系列钢，它与通用的碳素钢，低合金钢的主要差异是规定：屈强比，屈服强度波动范围，降低了P、S含量。同时GJ钢还有良好的伸长率，所以GJ钢有好的延性，是理想的抗震钢材。

我总结一下，我们要达到屈服机制，要达到要求的抗震性能，要保证设计要求的抗震性能，保证变形能力，我们对钢材的性能提出了这么多的要求。第一个是控制屈服点，就是说要把上下限制的范围缩小，要“低屈强”，还有一个是要保证截面的尺寸，因为我们现在的钢板、型材是有偏差的，所以大家选择材料的时候要注意，要保证钢材的韧性，在支撑连接的部位要保证。

在这里要重点地说一下钢材屈强比的重要性。这个比可以通过这个图来显示出来，假如说它的屈强比越低，它的塑料区域的发展将会增大，构件的耗能能力也将会增强。

这里还有举一些例子，连接梁。没有一定屈强比的保证，我们一定要保证相对的屈强比。

这个是欧美规范对屈强比的一些规定。这个罗列了不仅是建筑规范，还有桥梁的，还有管线钢的，实际上面真正要求的是0.84，德国要求更严格，控制的是0.81，这些规范对我们有一定的借鉴意义。

第四个要跟大家说一下，早上也有人说过，我们国家现在有很多部门都在开发钢材，那这些怎么样应用到建筑里面来呢，对我们建筑工程师提出了相关的要求。所以我的理解是要在建筑里用屈强比比较高的钢材，这样就需要发展我们新的抗震结构，我这里叫控制震害结构。

在北岭地震和阪神地震后，发现特殊抗弯框架坡坏了。主要破坏是梁端与柱焊接区的脆性破坏。这样，依靠SMRF吸取和消耗大部分输入能量的概念，导致了结构的严重破坏。所以国际趋势是发展控制震害的结构(DCS)。这个就是DCS结构的原理。DCS结构模型是依靠支撑耗能。用了所谓的能量消耗系统，左侧是一个全部的结构，分立出来了以后是一个新的钢的结构系统，另外一个是能量消耗系统。

这里所说的能量消耗系统的话，我这里举了一个简单的例子，在日本叫UBB，我这里有两张图，一个是纯粹的钢框架，这个后面加了UBB的简支，它的耗能能力非常强大，加了这个东西以后，我的钢框架处于相对的弹性状态，这样可以放松对钢铁屈强比延性的要求，这样的钢材使用应该有非常广阔的前景，所以我们要大力发展DCS结构。

通过上面那些介绍跟叙述，我在这里就得出两个结论，这个结论是一家之言，按现有的抗震设计方法，按强柱弱梁要求来耗能抵抗地震，对构件钢材的要求应遵循上面所述的四项要求。其中屈强比不应大于0.85，我在这里着重提出来。第二，在今后发展了抗震方法，如DCS设计法，钢框架梁柱子再生大震时还处于弹性状态，那么对钢框架中的梁柱可以放松要求，采用屈强比的钢材是有可能的。

好的，我的报告就到这里。谢谢大家！