關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)影響系數(shù)的討論

張立強(qiáng) 賈日晨

(信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院科技工程股份有限公司，天津 300201)

關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)影響系數(shù)的討論

張立強(qiáng) 賈日晨

(信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院科技工程股份有限公司，天津 300201)

近年來(lái)，對(duì)于建筑物的安全問(wèn)題的考量不斷增多，在一些地震帶的建筑物的抗震性能也不斷被提出，本文就鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)影響系數(shù)的影響因素，我國(guó)的相關(guān)規(guī)定及改進(jìn)的建議進(jìn)行討論，為結(jié)構(gòu)影響系數(shù)的科學(xué)制定提供意見。

鋼結(jié)構(gòu)；抗震；結(jié)構(gòu)影響系數(shù)

一、結(jié)構(gòu)影響系數(shù)

結(jié)構(gòu)影響系數(shù)是在地震反應(yīng)的計(jì)算過(guò)程中，考慮到不同的結(jié)構(gòu)有不同的特性，因此使用簡(jiǎn)易的彈性地震反應(yīng)計(jì)算的方式來(lái)得出現(xiàn)實(shí)的結(jié)構(gòu)和某個(gè)質(zhì)點(diǎn)彈性體系之間的區(qū)別所采用的修正系數(shù)。影響這種系數(shù)的因素包括結(jié)構(gòu)的形式，整體結(jié)構(gòu)的變形程度、結(jié)構(gòu)的阻尼、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震效果、地基扭曲程度等等。

1、結(jié)構(gòu)的形式

結(jié)構(gòu)形式的分類。按材料可分為木制、鋼材、鋼筋混凝土等；按受力形式可分為框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)。不同的形式在地震之后的結(jié)構(gòu)影響系數(shù)都是不同的。而其影響結(jié)構(gòu)影響系數(shù)是由于不同的結(jié)構(gòu)其延性不同超強(qiáng)性能也不同，一般來(lái)講一個(gè)結(jié)構(gòu)的延性與其結(jié)構(gòu)影響系數(shù)成反比，而如果結(jié)構(gòu)的耗能能力越強(qiáng)，則結(jié)構(gòu)的延性越好，結(jié)構(gòu)影響系數(shù)也會(huì)更大。如鋼結(jié)構(gòu)的延性就比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的延性更好，而多重結(jié)構(gòu)的延性比單一結(jié)構(gòu)的延性更好，如果是短周期結(jié)構(gòu)，則是由結(jié)構(gòu)的超強(qiáng)性能發(fā)揮主要作用。

2、結(jié)構(gòu)的變形程度

結(jié)構(gòu)在地震之后可能會(huì)發(fā)生塑形變形，結(jié)構(gòu)的塑形變形是指在一定的條件下，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)在外力的作用發(fā)生形變，一旦加諸其上的外力去除之后結(jié)構(gòu)不能恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。結(jié)構(gòu)的塑形變形也會(huì)直接影響結(jié)構(gòu)影響系數(shù)。

3、結(jié)構(gòu)的阻尼

結(jié)構(gòu)阻尼是在形容結(jié)構(gòu)在振動(dòng)的時(shí)候能量的損耗。理論上的結(jié)構(gòu)阻尼比是0．05。這個(gè)數(shù)值和我國(guó)大部分建筑的結(jié)構(gòu)阻尼比較接近，然而如果是鋼結(jié)構(gòu)其結(jié)構(gòu)阻尼比通常為 0.02。另外像是煙囪、水塔等比較高而強(qiáng)度不大的結(jié)構(gòu)阻尼都比較小。一般而言阻尼越小在地震中的反應(yīng)越大，因此結(jié)構(gòu)的阻尼也是影響結(jié)構(gòu)影響系數(shù)的重要因素。

4、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震效果

非結(jié)構(gòu)構(gòu)件是指不屬于結(jié)構(gòu)本身的構(gòu)成要件，包括附屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件像是雨棚、矮墻等等；裝飾物像是屋頂?shù)呐锛艿?；非結(jié)構(gòu)墻體是內(nèi)部的隔墻以及建筑附屬的機(jī)電設(shè)備等。在進(jìn)行地震反應(yīng)的計(jì)算過(guò)程中，許多的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件自身的抵抗地震的能力往往會(huì)被忽略，實(shí)事上這些非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的存在大大地加重了進(jìn)行計(jì)算的結(jié)構(gòu)，實(shí)際上得出的地震作用數(shù)據(jù)更大，同時(shí)，他們可能在一定程度上增加了結(jié)構(gòu)的阻尼，尤其是它們?cè)斐傻念愃朴诮o予結(jié)構(gòu)一個(gè)薄膜保護(hù)的薄膜效應(yīng)實(shí)際上能夠加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震性，在實(shí)踐中有很大的進(jìn)行抗震的潛力。

5、地基扭曲程度

地基的扭曲程度是指地基在地震之后變形的程度，其大小也是直接的影響了構(gòu)影響系數(shù)的大小。

6、結(jié)構(gòu)體系

為了防御地震，很多結(jié)構(gòu)采取了相應(yīng)的防御體系，如起支撐作用的結(jié)構(gòu)體系，即使這一支撐被破壞了，其支撐的框架本身也有一定的抗震能力，從而形成了兩道防護(hù)。如果結(jié)構(gòu)體系比較大的話，其抗震的能力也比較好，另外像煙囪、水塔等，其設(shè)計(jì)都是僅僅一道防御體系，當(dāng)部分受到地震的損毀時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)都將會(huì)倒塌，因此，單層防護(hù)的結(jié)構(gòu)和多層防護(hù)的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)影響因素也是不同的。

7、多振型因素

不同的結(jié)構(gòu)形成的不同的個(gè)振型組合其自振的周期、重量的單質(zhì)點(diǎn)彈性體系的底部剪力都是不同的，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)造成了影響，從而影響結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)影響系數(shù)。

二、我國(guó)結(jié)構(gòu)影響系數(shù)的數(shù)值的相關(guān)規(guī)定

我國(guó)的抗震設(shè)計(jì)經(jīng)歷了三個(gè)階段，第一階段是78規(guī)范，即《工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，這一規(guī)范利用結(jié)構(gòu)影響系數(shù)對(duì)不同設(shè)計(jì)下的結(jié)構(gòu)的抗震能力進(jìn)行強(qiáng)化，從而對(duì)地震的影響力造成減損；第二階段是89規(guī)范和現(xiàn)行規(guī)范，即《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，這兩部規(guī)范性文件采納的是兩個(gè)階段、三種水準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)以及應(yīng)對(duì)強(qiáng)度較小的地震的設(shè)計(jì)方式；第三階段就是現(xiàn)行的通則規(guī)定，即《建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計(jì)通則(試用)》，在規(guī)定中強(qiáng)化了結(jié)構(gòu)影響系數(shù)，納入了采用基于性態(tài)的抗震設(shè)計(jì)方法。

各方面的數(shù)據(jù)顯示，塑性變形的程度達(dá)到了彈性變形的1-4倍，那么地震的效果將有無(wú)塑性變形的1/2-1/4。因此我國(guó)的相關(guān)規(guī)定曾經(jīng)提議把常用的工業(yè)和民用建筑的結(jié)構(gòu)影響系數(shù)定為 1／3，對(duì)于像高煙囪、燈塔等建筑的結(jié)構(gòu)影響因素能夠定在 1／2左右。

因此我國(guó)的74抗震規(guī)范在起草的過(guò)程中，將以下幾個(gè)因素納入考慮范圍。按照不同的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分類，選取合適的容許延伸系數(shù)，做出相應(yīng)的折線圖，得到合適的結(jié)構(gòu)影響系數(shù)值約為0．35～0．40。

78規(guī)范在起草后，我國(guó)出現(xiàn)了唐山大地震，對(duì)于地震帶來(lái)的影響舉國(guó)震驚，同時(shí)繼續(xù)參考國(guó)外的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)我國(guó)對(duì)結(jié)構(gòu)影響系數(shù)值做出了一定的調(diào)整，主要表現(xiàn)為開始區(qū)分一些高柔結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)影響系數(shù)，像是煙囪、水塔；開始區(qū)分不同材料的結(jié)構(gòu)影響系數(shù)，尤其是鋼、鋼筋混凝土和磚等材料；開始區(qū)分單層結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)，同時(shí)將地基條件等因素也納入考慮的范圍。直觀上，磚結(jié)構(gòu)房屋及房屋內(nèi)的整體架構(gòu)，實(shí)際上這類房屋的結(jié)構(gòu)影響系數(shù)并沒有增加。

三、討論

當(dāng)前，一些國(guó)家對(duì)不同結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)影響系數(shù)提出了一些意見，而他們研究的方式大部分是彈塑性動(dòng)力分析方法，結(jié)合這幾年我國(guó)進(jìn)行的彈塑性分析，可以發(fā)現(xiàn)：

1、鋼結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)影響系數(shù)和位移放大系數(shù)的關(guān)系。實(shí)際上在全部的鋼結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)影響系數(shù)值比其它結(jié)構(gòu)則明顯偏小。根據(jù)美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范、一些實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)可以得出，以及國(guó)內(nèi)外許多實(shí)驗(yàn)的結(jié)果都表明，偏離中心點(diǎn)的支撐框架結(jié)構(gòu)與框架偏心支撐結(jié)構(gòu)比較而言，其延展性和耗能都更好。而由于真正耗能的部分比較早的進(jìn)入了塑性的狀態(tài)，它們的位移放大系數(shù)應(yīng)該有所提高。

2、鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的延性以及它們的阻尼比的差值比其他材料更大一些，應(yīng)當(dāng)另作分析。

四、結(jié)論

1、嚴(yán)格按照通則的規(guī)范進(jìn)行操作，能夠防御常見的地震。

2、對(duì)于高層的鋼建筑或是使用鋼材料的位置比較高的建筑的結(jié)構(gòu)影響系數(shù)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

3、高層的鋼結(jié)構(gòu)建筑的鋼材彎曲之后有很大的利用價(jià)值。

4、不同層級(jí)的結(jié)構(gòu)對(duì)于結(jié)構(gòu)影響系數(shù)也有很大影響。

五、結(jié)語(yǔ)

總而言之，目前我國(guó)的結(jié)構(gòu)影響系數(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)較之以前有很大的進(jìn)步，將結(jié)構(gòu)影響系數(shù)的影響因素基本上都考慮到了。然而仍然存在一些不足之處，像是對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的特殊性考慮的不夠，對(duì)于其位移放大系數(shù)的規(guī)定也存在一定的不合理之處，因此國(guó)家的相關(guān)規(guī)范仍需不斷的完善，而設(shè)計(jì)者則因高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，確定一個(gè)新的建筑合理的結(jié)構(gòu)影響系數(shù)。

[1]何若全，顧 強(qiáng)，孫國(guó)華 關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)影響系數(shù)的討論 蘇州科技學(xué)院學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版)-2004年04期

[2]楊俊芬，顧 強(qiáng) 抗震設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)影響系數(shù)及其研究進(jìn)展 地震工程與工程振動(dòng)-2008年8月

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[4]沈祖炎 關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法的討論與建議 建筑結(jié)構(gòu)-2009年11期

[5]沙廣瑾 何若全 K形中心支撐鋼框架的結(jié)構(gòu)影響系數(shù) 蘇州科技學(xué)院院報(bào)-2007年04期

[6]陳曉光 鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)淺談 建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-2008年11期

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