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摘要：目前，我国现有的建筑结构主要有砖混结构、钢筋混凝土结构、钢结构和少量木结构。大量震害调查表明，几种常见建筑结构的抗震性能由低到高依次为：民用结构、砖混结构、底部框架结构、框架结构、框架-剪力墙结构、剪力墙结构、钢结构。钢结构已经成为强度高、重量轻、延性好的最佳建筑结构，其在地震中的破坏率远低于其他结构形式。
关键词：钢结构；特点；设计；优势
1.前言
2010年，智利发生8.8级地震，仅452人死亡。康塞普西翁是智利第二大城市，距离震中仅90公里。尽管人口密集，但伤亡很少。原因是很多住宅都是钢结构，抗震能力很强。调查显示，我国钢结构住宅的比例不到5%，而发达国家一般在40%以上，日本更接近50%，可见我国钢结构的发展空间很大。
2.常见的钢结构体系种类及特点
目前国内外常用的钢结构体系主要有：冷弯薄壁型钢体系、框架体系、框架支撑体系、框架剪力墙体系、交错桁架体系。传统钢结构体系各有优缺点及适用范围，但是在抗震性能方面，都存在不足之处。
2.1钢结构体系种类及特点
2.1.1冷弯薄壁型钢体系
构件用薄钢板冷弯成C形、Z形构件，可单独使用，也可组合使用。自攻螺钉用于构件之间的连接。冷弯薄壁型钢体系是以冷弯薄壁型钢为基本承重构件的一种新型轻钢结构建筑体系。其结构强度高，重量约为普通混凝土结构的1/3，能满足大开间的需要，使用面积比钢筋混凝土住宅增加约10% ~ 15%。该系统通常设计为密肋柱和覆盖有木板的板肋结构，整体性能良好，不易受到地震力的破坏。但这种体系难以保证节点的刚度，抗侧力较差，一般只用于1 ~ 2层的房屋或别墅。
2.1.2框架体系
目前，该系统广泛应用于多层钢结构住宅。纵横向均设置钢架，门窗设置灵活，可提供更大的开间，方便用户二次设计，满足各种生活需求。该系统具有受力明确、平面布局灵活、大开间设置方便的特点，完全能够满足建筑布局的要求；同时制造安装简单，施工速度更快。考虑到楼板的共同作用，钢框架在低层住宅中使用时，一般可以满足抗侧力的要求。钢框架体系主要由梁、柱构件组成，依靠梁、柱承受竖向荷载和水平荷载。但由于框架柱以H型钢为主，在弱轴方向很难保证梁柱连接的刚度，所以设计和施工时要谨慎处理。这种结构体系抗侧刚度低，抗震性能差，造价高。
2.1.3框架支撑体系
为了提高系统的横向刚度，在风荷载或地震作用较大的区域增加轴向或偏心支撑是非常有效的。这种体系是一种多向抗力体系，梁柱节点和柱脚节点可设计成铰接半刚性。建筑结构简单，基础主要承受轴向力，造型小巧，因此成为人们青睐的对象。当结构发生层间变形时，支撑承受水平力，使系统获得比纯框架结构大得多的侧向刚度，减小建筑物层间位移。该系统用钢量比较大，墙体、门窗的布置往往受支撑杆存在的影响。但这种结构延性和耗能能力很小。在地震荷载作用下，支撑中的受压构件容易发生屈曲失稳，导致整个结构体系的承载力降低，产生较大的侧向位移。这种体系主要是利用结构主体消耗能量，最终会导致主要结构构件塑性变形过大，难以修复。
2.1.4框架剪力墙体系
包括低层住宅普遍采用的钢筋混凝土剪力墙和钢板剪力墙。在该结构体系中，框架是主要的承重骨架，剪力墙是结构的主要抗侧力体系。国外剪力墙多采用组合剪力墙，即在薄壁钢板剪力墙两侧加混凝土板，防止钢板平面外屈曲，提高剪力墙的强度和耗能能力。该体系中剪力墙为刚性结构，钢框架为柔性结构。地震作用下，剪力墙承受大部分水平力，有时高达90%。即使把钢架做得更坚固，也很难从根本上改变这种状况。这个系统的两道防线抗震能力很弱。
2.1.5交错桁架体系
交错桁架结构体系的骨架由房屋外的柱子和高度高、跨度等于房屋宽度的桁架组成。上下两层交错布置在相邻的柱子上，楼板的一端支撑在桁架的上弦杆上，另一端支撑在相邻桁架的下弦杆上。垂直载荷从地板传递到桁架的上下弦杆，然后传递到外围立柱。该系统采用立柱、平面桁架和楼板组成空间抗侧力体系，具有布置灵活、楼板跨度小、重量轻、经济实用、效率高的特点。该体系可视为水平支撑框架和垂直无支撑框架，在结构计算中可与水平和垂直方向分开处理。结构体系在强震下的抗震性能很差，构件的承载力和刚度由于腹杆的非弹性变形较早而突然降低。
综上所述，不同的钢结构体系设计存在一些问题，在强震作用下表现出一定的弱点，每次结构设计调整都是以建设成本大幅增加为代价的。越来越多的事实表明，在地震灾害造成的人员伤亡大幅下降的背景下，付出的经济代价是令人震惊的。
2.2钢结构设计
在传统的钢结构抗震设计中，由于钢结构的阻尼比很小，结构阻尼所耗散的地震能量非常有限。为了停止地震反应，我们只能依靠主体结构产生大量的塑性变形来吸收地震能量，但这必然会导致主体结构的严重破坏甚至倒塌。在钢结构抗震设计中，阻尼器和支座通常串联在一起形成消能装置。在地震作用下，耗能装置率先进入工作状态，消耗了大量输入结构的地震能量。这不仅可以保护主体结构免受破坏，而且可以快速衰减地震响应，保证结构的安全性。基于性能的抗震设计方法要求结构在不同的地震风险水平下满足不同的性能要求，消能钢结构可以通过改变消能装置的参数和数量来方便地控制结构的地震响应，从而达到不同的性能目标。因此，将基于性能的抗震设计方法与消能减震技术相结合具有重要的现实意义。
钢结构的消能设计形式与钢框架基本相同——中心支撑，但其支撑构件不是中心支撑而是消能支撑，消能支撑通常通过螺栓或焊缝与主体结构连接。一般可以在传统结构体上实现消能系统。如从传统钢框架体系中拆除填充墙，在结构中安装消能装置；用耗能支撑代替钢框架-中心支撑体系的中心支撑；钢结构的消能设计不适合采用钢框架-偏心支撑的形式，因为体系主要采用主体结构消能，其主梁在强震作用后一般会产生较大的塑性变形，难以修复；对于钢框架-剪力墙体系，剪力墙可以拆除，用耗能支撑代替；对于交错桁架体系，消能支撑可以直接交错布置在桁架上。
2.3设计的优势
2.3.1安全性
由于耗能减震设计模式设有非承重耗能构件或耗能装置，因而具有很大的耗能能力，在地震中能率先进入耗能工作状态，消耗地震能量及衰减结构的地震反应，保护主体结构和构件免遭损坏，从而确保结构在强地震中的安全性，而且震后易于修复或更换，使建筑结构物迅速恢复使用。
2.3.2经济性
传统钢结构体系主要通过加强结构、加大断面等途径提高建筑的“硬性抵抗”结构抗震性能，使结构的造价明显提高。钢结构减震体系是通过“柔性消能”来减少结构地震反应，可以减小构件断面，而其抗震性能反而提高。
2.3.3技术合理性
耗能构件或装置属于“非结构构件”，即非承重构件，其作用只是在结构变形过程中起到耗能作用，对结构的承载力和安全性没有任何影响或威胁。因此，消能结构体系在技术上是安全可行的。
汶川地震、玉树地震和历次地震都证明钢结构具有良好的抗震性能。目前，公众已经意识到住宅建筑安全的重要性。因此，从设计规范中尽快出台消能钢结构设计规范，使消能钢结构进入快速良性发展阶段。
参考文献：
[1]李国强等.从汶川地震灾害看钢结构在地震区的应用.建筑钢结构进展，2008.
[2]张爱莲等.从玉树地震看钢结构在震区的发展.科技风，2010，（9）.
[3]赵风华.钢结构设计原理.北京：高等教育出版社，2005.