關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)和減隔震問題的探討

摘要：本文通過對現(xiàn)行規(guī)范對于鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法的介紹，說明了隔震、消能減震鋼結(jié)構(gòu)亦具有其他隔震、消能減震結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。只要采用適當(dāng)?shù)目拐鸱椒ǎ瑹o論是混凝土結(jié)構(gòu)還是鋼結(jié)構(gòu)形式都能經(jīng)受罕遇地震時(shí)強(qiáng)烈的地面振動(dòng)，避免嚴(yán)重的破壞。本文還列舉了多種消能器，并簡單闡述了其工作原理，并結(jié)合實(shí)際在工程中的運(yùn)用說明其優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計(jì)；減震技術(shù)

引言

眾所周知，我國是一個(gè)地震多發(fā)的國家，國家的大中城市多為地震區(qū)，因此無論是混凝土結(jié)構(gòu)還是鋼結(jié)構(gòu)都必須要進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。我國的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起步比較晚，改革開放之后才出現(xiàn)首部抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。由于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中仍存在一些問題，一方面造成用鋼量較大，阻礙了鋼結(jié)構(gòu)的推廣，另一方面造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，影響了鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能[1]。因此，盡管鋼結(jié)構(gòu)具有眾多優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)際工程中鋼結(jié)構(gòu)的數(shù)量相對來說還是比較少的。

本文主要針對目前鋼結(jié)構(gòu)在地震作用下的設(shè)計(jì)及如何對鋼結(jié)構(gòu)采用消能減震措施以降低地震作用進(jìn)行部分討論。

一、鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

（一）鋼結(jié)構(gòu)的地震作用

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB5001-2010中采用基于多遇地震作用下的彈性分析計(jì)算設(shè)計(jì)方法，在考慮結(jié)構(gòu)延性以后降低的同時(shí)又因阻尼比降低而加大。基于上面的考慮，使得鋼結(jié)構(gòu)用鋼量偏高。阻尼比越小，反應(yīng)譜值越大。由于沒有考慮抗震強(qiáng)度水平協(xié)調(diào)，導(dǎo)致用鋼量上升，而鋼結(jié)構(gòu)延性好的優(yōu)勢得不到發(fā)揮[2]。

（二）抗震設(shè)防目標(biāo)的合理性

與混凝土結(jié)構(gòu)不同的是，鋼結(jié)構(gòu)在進(jìn)入彈塑性階段后結(jié)構(gòu)并不一定會(huì)破壞，如果結(jié)構(gòu)構(gòu)件或節(jié)點(diǎn)沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的裂紋，就可以繼續(xù)承受荷載，這完全可以滿足“小震不壞”的要求。即便是混凝土結(jié)構(gòu)很多時(shí)候也是帶裂縫工作的，在承受負(fù)彎矩的地方配上適量的鋼筋并通過彎矩調(diào)幅設(shè)計(jì)，同樣可以滿足“小震不壞”的設(shè)計(jì)理念。因此“小震不壞”不是“小震彈性設(shè)計(jì)”，否則就無法充分利用結(jié)構(gòu)的延性了[2]。

二、鋼結(jié)構(gòu)的隔震、消能

（一）鋼結(jié)構(gòu)的隔震、消能原理

鋼結(jié)構(gòu)跟混凝土結(jié)構(gòu)一樣，都可以采用隔震，消能減震的方式減小地震力對結(jié)構(gòu)的影響。同樣，隔震鋼結(jié)構(gòu)也具有其他隔震結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，即基本周期延長2倍以上，具有良好的隔震效果[3]。

鋼結(jié)構(gòu)的隔震同樣分為基礎(chǔ)隔震和中間層，一般情況下優(yōu)先考慮基礎(chǔ)隔震，中間層隔震一般用于建筑的加固中。應(yīng)用于基礎(chǔ)隔震中的隔振器目前主要采用疊層鋼板橡膠支座，那是因?yàn)榀B層鋼板橡膠支座具有足夠的承載能力，水平剛度比較小，同時(shí)還具有自動(dòng)復(fù)位功能。從目前的情況來看，橡膠支座隔震的技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合指標(biāo)要優(yōu)于其他技術(shù)。與此同時(shí)，還制定了建筑隔震橡膠支座的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)了這一新技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

但是對于隔震支座在復(fù)雜的應(yīng)力條件下的穩(wěn)定性，耐久性和變形特征及其性能退化規(guī)律和改善措施還得進(jìn)一步研究[4]。在結(jié)構(gòu)體系方面，復(fù)合隔震體系的性能和分析方法，層間隔震，高位隔震和其他特殊部位的隔震技術(shù)措施等也是值得研究的。鋼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)隔震也運(yùn)用到了實(shí)際工程當(dāng)中，如廣東科學(xué)中心巨型鋼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)隔震[5]。

鋼結(jié)構(gòu)采用消能的方法則是在變形較大的地方通過布置消能器以消耗地震能量，減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

（二）消能器及其應(yīng)用

通過提高建筑結(jié)構(gòu)的附加阻尼和對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)控制是減少地震對結(jié)構(gòu)影響的重要途徑。提高附加阻尼主要是采用阻尼裝置，比如在結(jié)構(gòu)中加入消能器。根據(jù)消能器耗能機(jī)理的不同，可分為速度相關(guān)型效能器和位移相關(guān)型效能器兩大類。目前常用的消能器有粘滯阻尼器、粘彈性阻尼器、軟鋼剪切效能器、金屬彎曲效能器、屈曲約束支撐、鉛效能器、摩擦消能器等。這些消能器不僅在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)中得以運(yùn)用，同樣適用于鋼結(jié)構(gòu)中，常見的有：支撐上用的彈簧阻尼器，柱腳所用的疊層橡膠墊、磁流變減震器以及形狀記憶合金。

在實(shí)際的工程中，可以通過在樓蓋的適當(dāng)位置添加合適的消能減震裝置，對樓板因人行運(yùn)動(dòng)而引起的共振效應(yīng)進(jìn)行減震。

三、結(jié)束語

隨著國家把隔震和消能減震設(shè)計(jì)寫入《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，預(yù)示著這項(xiàng)技術(shù)越來越能得到技術(shù)人員的認(rèn)可，并且在以后的建筑建設(shè)當(dāng)中有必要考慮這方面。雖然鋼結(jié)構(gòu)不具有像混凝土那樣較高的阻尼比，但是由于其本身具有良好的延性，能夠消耗部分地震能量，所以我們一般采用消能的設(shè)計(jì)方法。這一技術(shù)對提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能有很大的幫助。當(dāng)然，其中也還存在許多需要研究的方面，如耐久性等。應(yīng)該結(jié)合實(shí)際工程開展實(shí)用化。標(biāo)準(zhǔn)化的研究，完善抗震設(shè)計(jì)方法，加速推進(jìn)其工程應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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[2]沈祖炎，孫飛飛.關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法的討論與建議[J].建筑結(jié)構(gòu)，2009，39（11）

[3]徐忠根，周福霖，肖振宇.隔震鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)例介紹[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2002，3（2）

[4]周錫元.中國建筑結(jié)構(gòu)抗震研究和實(shí)踐六十年[J].建筑結(jié)構(gòu)，2009，39（9）

[5]許勇，張繼超，陳原.廣東科學(xué)中心巨型鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震施工技術(shù)[J]，施工技術(shù)，2009，38（8）