钢结构工程抗震能力

当地壳中的大量岩石相互滑动和滑动时，就会发生地震。这种运动沿着断层最常见，断层是岩石体的断裂，可以延伸数英里甚至数百英里。当地壳岩石块突然滑动和移动时，它们会释放出大量的能量，然后以地震波的形式在地壳中传播。在地球表面，这些波会导致地面震动和振动，有时甚至是剧烈的。

地质学家将地震波分为两大类：体波和面波。体波，包括 P 波和 S 波，在地球内部传播。P 波类似于声波，这意味着它们在通过时会压缩和膨胀材料。S 波类似于水波，这意味着它们会上下移动物质。P波可以穿过固体和液体，而S波只能穿过固体。

如果地震只是垂直移动地面，建筑物可能会受到很小的破坏，因为所有结构的设计都是为了在一定程度上承受垂直力——那些与重力相关的力。但是地震的滚动波，尤其是洛夫波，会对站立的结构施加极大的水平力。这些力会导致横向加速度，科学家将其测量为 G 力。例如，6.7 级地震可以产生 1 G 的加速度和每秒 40 英寸（102 厘米）的峰值速度。这种突然向一侧移动（几乎就像有人猛烈地推你一样）对建筑物的结构元素（包括梁、柱、墙壁和地板以及将这些元素固定在一起的连接器）产生了巨大的压力。如果这些压力足够大，

另一个关键因素是房屋或摩天大楼的基材。建在基岩上的建筑物通常表现良好，因为地面坚固。位于松软或填充土壤上的结构通常会完全失效。在这种情况下，最大的风险是一种称为液化的现象，这种现象发生在松散堆积、浸水的土壤暂时表现得像液体时，导致地面下沉或滑动，建筑物也随之下沉。

钢结构抗震能力

钢结构一直被认为是高地震地区建筑的合适解决方案，因为结构材料具有非常好的强度和延展性，钢型材和钢板的工业化生产保证了高质量，以及连接的可靠性.

使用结构钢作为主要结构材料提供了利用钢结构建筑的较低质量和材料在这样做时塑性变形和吸收能量的能力的机会。能量吸收组件可以很容易地结合到结构解决方案中。

经验表明，设计合理的钢结构在遭受地震时表现良好。重大的结构损坏和倒塌，以及相关的人员伤亡和生命损失，大多与未经过抗震设计的旧砖石和混凝土建筑有关。钢框架建筑的主要优点是： • 钢和钢框架的延展性 • 钢结构建筑的灵活性和低重量。

延展性描述了材料（或结构）可以承受大变形而不失效的程度。该术语在地震工程中用于指定建筑物承受由地面震动引起的大横向位移的能力。

刚度是衡量将建筑物位移一定量所需的力的量度。如果移动 A 楼比移动 B 楼需要更大的力，我们会说 A 楼更硬。刚度对于地震破坏可能是有利的，因为它可以限制对建筑物的变形要求。

然而，你可以拥有太多的好东西。太硬（通常称为脆性）的结构在相对较小的变形要求下很容易失效。脆性结构的一个例子是未加固的砖石建筑，在损坏和失效开始之前，它只能承受很小的位移。

因此，韧性结构在地震期间扭曲和消散能量的能力也是有利的，因为它会继续变形而不会达到最终破坏或倒塌。延性结构的一个例子是适当详细的钢框架，其具有一定程度的弹性，使其能够在失效开始之前经历较大的变形。

由于以下原因，钢结构特别擅长消散地震能量： • 作为材料的钢的延展性 • 在钢结构元件及其连接中可实现的许多可能的延展机制 • 可靠的几何和物理特性。诸如偏心支撑框架之类的结构布置被设计成使支撑构件框架成与柱偏心的梁。

地震评估 由于过去一个世纪地震造成的经济和人力成本，在理解和评估地震对建筑物的影响以及制定规范抗震建筑物的设计和施工方面投入了大量精力。可以使用多种方法来分析结构在地震作用下的响应。方法的选择取决于分析的结构和目标，包括：

• 设计中使用的标准方法是使用设计谱的模态响应。这是一种线性方法，其中通过使用行为因子在设计谱的定义中考虑非弹性行为。
• “侧向力”方法是模态响应方法的简化版本，是一种静态分析，只能用于基本以单一振动模式响应的规则结构。
• “推力”分析是在恒定重力载荷和单调增加的水平载荷下进行的非线性静态分析
• 非线性时程分析是通过运动微分方程的直接数值积分获得的动态分析。地震作用由加速度图表示。这种类型的分析用于研究和代码背景研究。

灵活性和低重量

地震带中的钢结构还有其他优点，即它们的柔韧性和低重量。当地震发生时，更硬、更重的结构会吸引更大的力。钢结构通常比其他类型的结构更灵活，重量更轻（如下所述）。因此，结构及其基础中的力较低。这种设计力的降低显着降低了建筑物的上部结构和基础的成本。

与使用其他材料建造的结构相比，钢结构通常较轻。由于地震力与惯性有关，它们与结构的质量有关，因此减少质量不可避免地会导致较低的抗震设计力。事实上，一些钢结构足够轻，抗震设计并不重要。大厅/棚屋的情况尤其如此：它们在大体积周围创建了一个围护结构，因此它们的单位表面积重量很低，并且通常控制设计的是风力，而不是地震力。这意味着为重力和风荷载设计的建筑物隐含地提供了足够的抗震能力。这解释了为什么在过去的地震中，人们观察到这些建筑物的性能比那些由重型材料制成的建筑物要好得多。

钢结构抗震设计

控制概念抗震设计的指导原则是： • 结构简单 • 均匀性、对称性和冗余性 • 双向抗力和刚度（抗扭力和刚度） • 在楼层使用坚固和坚硬的隔板 • 使用足够的基础。现在设计师普遍采用基于性能的抗震设计。针对不同震级的地震确定了性能目标，并且建筑结构旨在实现这些目标。常用的抗震钢结构形式包括： • 抗弯框架 • 带同心支撑的框架 • 带同心支撑和耗散连接的框架 • 带偏心支撑的框架 • 复合钢-混凝土解决方案，包括支撑和抗弯框架、墙和柱. 钢板芯等创新，也通过剪切变形吸收能量；吸收能量的交叉支撑和允许柱底升起很容易在钢结构建筑中实施。