鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計分析方法概述

曾 青

中冶南方工程技術(shù)有限公司

鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計分析方法概述

曾 青

中冶南方工程技術(shù)有限公司

對于當(dāng)前城市化進(jìn)程中高層建筑模式的不斷推廣，使得高層建筑的抗震性能要求逐漸的提高。鋼結(jié)構(gòu)作為一種新型的建筑形式，在高層建筑的穩(wěn)定性和可靠性方面有著非常重要的實用價值，這也是進(jìn)行高層建筑設(shè)計中鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的應(yīng)用保障。本文將結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)建筑的基本概述，對如何有效提升高層鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震設(shè)計做深入的探討，以供參考。

高層；鋼結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計；分析

1 前言

在現(xiàn)代的建筑施工中，環(huán)境保護和建筑材料的升級，逐漸的成為建筑行業(yè)發(fā)展的新課題。鋼結(jié)構(gòu)作為一種新型的建筑形式，一起輕盈的靈活拼接形式，在現(xiàn)代建筑施工中得到了廣泛的應(yīng)用。而且從建筑成本和施工環(huán)境保護方面也與傳統(tǒng)的建筑形式相比有很大的優(yōu)勢，成為城市化進(jìn)程中建筑行業(yè)發(fā)展的一個新向標(biāo)。特別是對于人口高度密集的城市來說，建筑結(jié)構(gòu)是否具有牢固性和穩(wěn)定性，是人民較為關(guān)注的問題，鋼結(jié)構(gòu)自身良好的穩(wěn)定性使其大量的在人口密集區(qū)域的公共設(shè)施建設(shè)中得到運用。特別是在地震發(fā)生的情況下，能夠盡可能的降低災(zāi)害導(dǎo)致的人身及財產(chǎn)損失。建筑高度越高，抗震要求越高，這就要求必須在高層的建筑設(shè)計中，加強對鋼結(jié)構(gòu)抗震性能的設(shè)計與分析。

2 建筑鋼結(jié)構(gòu)的相關(guān)概述

鋼結(jié)構(gòu)在建筑行業(yè)中的應(yīng)用范圍來說，主要是在現(xiàn)代大型城市的建筑中用的比較多。特別是一些人口比較密集的公共區(qū)域，比如：橋梁、會所、商場、大興體育場、機場及高鐵站等都有鋼結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用。隨著建筑高層化的發(fā)展模式進(jìn)展，鋼結(jié)構(gòu)以其良好的抗震性能也得到了重要應(yīng)用。而伴隨著鋼結(jié)構(gòu)抗震性能在材質(zhì)及設(shè)計上的進(jìn)一步升級，它還將得到更快更廣泛的使用。相關(guān)的功能也將趨于綜合性。這是因為鋼結(jié)構(gòu)自身具有以下幾個良好的優(yōu)點：

2.1 自身特有的良好性能

鋼結(jié)構(gòu)自身輕、承載能力和抗震性能優(yōu)越。在傳統(tǒng)的大型建筑施工縱橫，需要大量的水泥和鋼材，水泥生產(chǎn)過程需要消耗很多的材料，同時也會帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染。而輕鋼結(jié)構(gòu)施工工藝相對簡單，能夠進(jìn)行針對性的靈活設(shè)計，在實際建筑設(shè)計中進(jìn)行應(yīng)用也比較節(jié)省材料，且不會導(dǎo)致環(huán)境污染。輕鋼結(jié)構(gòu)還能夠具有自身良好的均勻承受力分散能力和較輕的自重，并可通過骨架型外形設(shè)計和組裝實現(xiàn)良好的抗震性能和承載效果。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)施工及裝配靈活

鋼結(jié)構(gòu)施工比較靈活，能夠進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的施工，且具有很高的投資回報。鋼結(jié)構(gòu)之所以能夠在大型建筑中得以運用，主要是其具靈活的可裝配性，不受形式和空間的影響。并且可實現(xiàn)工廠定制式加工和自由組裝分離，方便異地生產(chǎn)。在組裝中不會占用太多的施工場地，且不會造成環(huán)境污染。并且可實現(xiàn)多次的靈活分割和布置，為此鋼結(jié)構(gòu)具有很好的市場效應(yīng)和利潤。

2.3 環(huán)保無污染

鋼結(jié)構(gòu)適應(yīng)了現(xiàn)代綠色建筑的需求，能夠確保施工的環(huán)保無污染。鋼結(jié)構(gòu)在使用上耗材要遠(yuǎn)低于磚混結(jié)構(gòu)，施工和生產(chǎn)過程更加趨向于可持續(xù)發(fā)展的綠色節(jié)能要求。另外，鋼結(jié)構(gòu)的用料比較容易控制，所產(chǎn)生的少部分廢料還能夠二次利用。具有很高的異地裝備效率，既節(jié)省了施工工作量又避免了現(xiàn)場的噪音污染。

3 基于高層的鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計分析

在2001年推出的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中就結(jié)合小、中、大地震等級，進(jìn)行了建筑抗震標(biāo)準(zhǔn)的要求：小震不壞、中震可修、大震不倒。針對房屋抗震標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對于現(xiàn)代的高層建筑而言，需要采取合理的抗震設(shè)計來確保高層建筑在面臨地震發(fā)生時的良好抗震性能。

3.1 振型分解設(shè)計分析

振型分解又稱振型分解反應(yīng)譜法。這種方法屬于在反應(yīng)譜基礎(chǔ)上進(jìn)行的設(shè)計分析。其中用到最多的是加速度譜，在《抗震設(shè)計規(guī)范》中的反應(yīng)譜就是以實際的大量地震記錄及人工地震繪制綜合得到的標(biāo)注反應(yīng)譜。當(dāng)前在用的反應(yīng)譜主要是單自由度對象形成的，只能反映單自由度問題的動力和地震相應(yīng)的最大值。振型分解通過擬定靜力的計算形式，將實際問題離散成單個自由度的問題，先求解離散對象振動周期和振型，再進(jìn)行動力方程的給出，最后通過離散求解來進(jìn)行振型組合。從而實現(xiàn)多自由度問題的單自由度轉(zhuǎn)變，中綜合得出反應(yīng)譜解答。這種方式的不足在于進(jìn)行的是慣性力的靜力處理，所做出的反應(yīng)譜只能反映最大地震響應(yīng)值，無法反映地震全過程振動、結(jié)構(gòu)位移及內(nèi)力變化過程。這種方法優(yōu)點在于方法和理論簡單，容易掌握，所以還是得到廣泛的使用。

3.2 時程設(shè)計分析

又稱直接動力法，是將地震從開始到終止的全過程作用時間細(xì)分成多個小時間段，通過積分形式進(jìn)行分析，這種分析法相比振型分解法，強調(diào)了地震持續(xù)時間對總體結(jié)構(gòu)的影響。通過逐步積分的形式能夠計算出結(jié)構(gòu)振動的不同時刻構(gòu)件內(nèi)力和變形信息，能夠掌握結(jié)構(gòu)破壞的全過程。時程分析中的困難在于計算需要的恢復(fù)力特性曲線較多，地震波的合理選擇等。

3.3 靜力非線性分析

對于地震中的建筑物倒塌，分析表明主要是變形過大。所以通過對地震作用力下的彈塑性變形的控制和結(jié)構(gòu)預(yù)測來進(jìn)行分析是非常重要的。彈塑性的地震反映分析主要有彈塑性時程分析和靜力彈塑性分析兩類，其中彈塑性時程分析計算工作量較大，耗時較多，存在較大的使用難度。而靜力彈塑性分析能夠?qū)Y(jié)構(gòu)變形進(jìn)行很好的反映，而被得以廣泛的應(yīng)用。

3.4 均勻損傷設(shè)計分析

高層結(jié)構(gòu)的倒塌主要是存在部分薄弱環(huán)節(jié)的集中受理超載而導(dǎo)致的破壞。所以，對建筑結(jié)構(gòu)部分薄弱層的均勻損傷設(shè)計分析是非常關(guān)鍵的，是提升高層鋼結(jié)構(gòu)整體抗震性能的有效方式。主要方法是進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)樓層段的損傷程度劃分，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計分析，最后進(jìn)行總體的結(jié)構(gòu)調(diào)整。

4 結(jié)語

總而言之，在城市的不斷發(fā)展建設(shè)中，鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為一種重要的建筑材料。特別是在現(xiàn)代建設(shè)以高層建筑為發(fā)展趨勢的前提下，其與傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)相比，具有自身重量輕，抗震性能良好，施工速度快以及綠色環(huán)保等很多優(yōu)點而得到了非常廣泛的使用。對于鋼結(jié)構(gòu)抗震的設(shè)計分析，還需要充分的以實際數(shù)據(jù)材料為依據(jù)，并借助現(xiàn)代化的信息通道和自動化設(shè)備來進(jìn)行應(yīng)用分析。只有這樣才能夠確保高層建筑的安全防控效果，并提升整體建筑物的抗震性能。

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[2]曉東,陳巍.簡述高層鋼結(jié)構(gòu)房屋的杭震計算要點「J」.林業(yè)科技情報,2011(3).

[3]董賽,劉延.新型建筑以鋼為綱—杭蕭鋼構(gòu)的新型工業(yè)化探索[J].中國建筑金屬結(jié)構(gòu),2012(11).

[4]建筑抗震設(shè)計規(guī)范(GB20011 － 2010)［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010