建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)及運(yùn)用探析

官斌斌，郭炳乾，張寶，侯斌，王敬森

（中國建筑第二工程局有限公司華南分公司，廣東深圳518000）

1 引言

地震災(zāi)害會(huì)對建筑物的安全性以及穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重影響，如果建筑物的抗震等級沒有達(dá)到要求，就會(huì)發(fā)生斷裂，甚至是倒塌等問題，對人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成直接威脅。為有效提高建筑物在地震災(zāi)害中的抵抗能力，設(shè)計(jì)人員加大了對抗震設(shè)計(jì)的研究，并著重對鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容展開了相關(guān)分析與研究。

2 建筑鋼結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)重要性

鋼材料具有質(zhì)量輕及彈塑性理想等方面的優(yōu)勢，機(jī)械性能較為突出，在建筑行業(yè)中有著廣泛應(yīng)用。隨著鋼結(jié)構(gòu)的大量應(yīng)用，其具備的良好抗震性能也逐漸顯現(xiàn)出來了，得到了設(shè)計(jì)方與施工方的青睞。在對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，可以按照國家規(guī)范展開結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，明確抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)置方式和方法，以便最大限度地對結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行保障[1]。在相同載荷工況中，采用鋼結(jié)構(gòu)能使構(gòu)件的厚度更薄且截面尺寸更小，其優(yōu)勢在鋼結(jié)構(gòu)施工中能得到充分的體現(xiàn)，但鋼結(jié)構(gòu)也存在著穩(wěn)定性較差的不足，容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的問題。為保證對該項(xiàng)問題進(jìn)行妥善處理，實(shí)現(xiàn)理想化的鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用模式，需要通過對單個(gè)構(gòu)件進(jìn)行分析，對整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性展開推演，做好簡化計(jì)算，從而科學(xué)展開整體鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)置。

設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，需要做好梁柱的設(shè)計(jì)，應(yīng)對結(jié)構(gòu)中構(gòu)件的相互影響關(guān)系展開研究，確定是否存在結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問題。

3 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的影響因素

對鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響的因素較多，本文將重點(diǎn)對非線性因素展開分析。影響鋼結(jié)構(gòu)承載能力的非線性因素主要有以下4個(gè)方面：

1）幾何非線性。在結(jié)構(gòu)加載過程中存在旋轉(zhuǎn)過大以及位移過大的問題，在對屈曲等問題進(jìn)行處理時(shí)，小變形幾何方程并不適用[2]。需要在問題處理過程中對材料非線性進(jìn)行研究，需要將有位移二次方的項(xiàng)融入大位移以及旋轉(zhuǎn)問題的研究中，對變形平衡問題進(jìn)行充分考量，禁止出現(xiàn)對線性方程進(jìn)行簡化的狀況。

2）初始缺陷。在具體進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，可能會(huì)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)出現(xiàn)的各種缺陷，對結(jié)構(gòu)承載能力以及穩(wěn)定性造成不良影響。一般以偏心值和初始彎曲等幾何缺陷為主，初始缺陷與鋼筋力學(xué)參數(shù)以及初始應(yīng)力參數(shù)等有著密切關(guān)聯(lián)。

3）殘余應(yīng)力。鋼結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，屈曲載荷發(fā)生改變的狀況，但不會(huì)對歐拉臨界載荷產(chǎn)生干擾。因?yàn)閼?yīng)力存在會(huì)使壓彎構(gòu)件出現(xiàn)屈服強(qiáng)度過小的狀況，會(huì)造成變形過大以及剛度下降的問題，會(huì)在沒有達(dá)到預(yù)定載荷數(shù)值時(shí)，出現(xiàn)屈服狀況，進(jìn)而造成承載能力下降，二階效應(yīng)出現(xiàn)增加的情況。

4）彎扭失穩(wěn)。為保證鋼結(jié)構(gòu)極限承載能力計(jì)算的精準(zhǔn)度，需要在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中對材料非線性以及幾何非線性等內(nèi)容展開深入分析，以便制訂出最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的幾何非線性因素主要包括P-δ效應(yīng)與P-△效應(yīng)2部分內(nèi)容。構(gòu)件彎曲與構(gòu)件剛體旋轉(zhuǎn)會(huì)直接完成2個(gè)效應(yīng)。P-△效應(yīng)與鋼構(gòu)架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有密切關(guān)聯(lián)，如果沒有出現(xiàn)不同二階效應(yīng)，鋼構(gòu)件幾何非線性由P-△效應(yīng)進(jìn)行控制。對于多層建筑鋼結(jié)構(gòu)而言，P-△效應(yīng)是結(jié)構(gòu)在水平力的作用之下，出現(xiàn)水平橫向位移狀況，導(dǎo)致載荷發(fā)生偏心問題，進(jìn)而產(chǎn)生額外彎矩。在彎矩的作用下，會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)橫向位移進(jìn)一步增大的狀況，非對稱結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)問題，會(huì)因?yàn)榕まD(zhuǎn)問題的作用，導(dǎo)致抗側(cè)力構(gòu)件發(fā)生偏心問題，從而導(dǎo)致扭矩增加。如果豎向荷載與橫向增加內(nèi)力能夠處于平衡的狀態(tài)，結(jié)構(gòu)也會(huì)保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，反之就會(huì)發(fā)生失穩(wěn)問題。因?yàn)楦邔愉摻Y(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)縱橫方向的距離相對較大，容易在地震以及強(qiáng)風(fēng)的影響下，出現(xiàn)水平位移，所以會(huì)直接造成豎向的二階效應(yīng)失穩(wěn)問題。

鑒于此，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，需要對位移產(chǎn)生附加水平力的影響展開分析與研究。鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)要比鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的截面積更小，所以其靈活度也會(huì)更高，需要更加注重其穩(wěn)定性。如果建筑物層數(shù)相對較多且設(shè)防烈度相對較高，可能會(huì)因?yàn)榈卣鸬淖饔枚a(chǎn)生較大橫向位移，會(huì)直接造成框架結(jié)構(gòu)的幾何形狀發(fā)生明顯改變的狀況。

4 鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程的抗震設(shè)計(jì)與應(yīng)用

4.1 抗震計(jì)算方式

可運(yùn)用底部剪力方法，對鋼結(jié)構(gòu)展開抗震計(jì)算。如果結(jié)構(gòu)的整體高度相對較高，則需要用分解反應(yīng)譜法進(jìn)行計(jì)算。抗震方案設(shè)計(jì)需要滿足地區(qū)的具體抗震要求，一般抗震等級在4~6級時(shí)，需要按照地區(qū)的具體抗震要求展開科學(xué)設(shè)計(jì)，結(jié)合建筑物自身情況以及地質(zhì)等情況合理展開設(shè)置，確保建筑整體抗震強(qiáng)度能夠達(dá)到實(shí)際需求的標(biāo)準(zhǔn)。

設(shè)計(jì)人員還需要對建筑場地的類型展開分析，需要按照地區(qū)抗震設(shè)防烈度的具體情況，科學(xué)展開抗震設(shè)計(jì)。但需要注意的是，如果建筑屬于丙類建筑，需要在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行降度處理。進(jìn)行地震作用計(jì)算時(shí)，在對選用重力荷載代表值進(jìn)行計(jì)算的過程中，需要將恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值以及活荷載組合值相加，其中活荷載的組合值系數(shù)為0.5，各結(jié)構(gòu)具體活荷載組合值系數(shù)也為0.5，屋面部分的活荷載數(shù)值并不記入其中[3]。

4.2 水平地震影響系數(shù)確定

在對結(jié)構(gòu)地震影響系數(shù)進(jìn)行確定的過程中，需要按照結(jié)構(gòu)自振周期、阻尼比以及設(shè)計(jì)地震分組等各項(xiàng)情況，做好分析與判斷[4]。在進(jìn)行系數(shù)研究的過程中，對其最大值進(jìn)行分析，通過對數(shù)據(jù)的合理選取，保證最終計(jì)算結(jié)果的精準(zhǔn)度。在對特征周期數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇的過程中，需要按照地震情況實(shí)施分組，做好工程場地類別的劃分以及確定工作。如果場地的抗震設(shè)防烈度級別相對較高，一般計(jì)算時(shí)的特征周期都會(huì)設(shè)置為0.05 s。

4.3 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求分析

在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，需要做好衰減指數(shù)的分析與研究，根據(jù)相應(yīng)的方程式展開計(jì)算操作[5]。需要通過對阻尼比以及降斜率等各項(xiàng)參數(shù)的合理計(jì)算，完成最終的衰減指數(shù)的計(jì)算，并要根據(jù)公式展開調(diào)整系數(shù)以及阻尼調(diào)整系數(shù)的計(jì)算，明確調(diào)整系數(shù)以及阻尼調(diào)整系數(shù)的具體情況。

通過對建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程的抗震設(shè)計(jì)的分析可以發(fā)現(xiàn)，如果建筑的抗震等級為Ⅵ，并不需要對其地震作用進(jìn)行計(jì)算，也不需要展開抗震截面的計(jì)算工作，只需要保證所有設(shè)計(jì)能夠滿足抗震工作的具體要求即可[6]。

5 鋼結(jié)構(gòu)抗震性能提升建議

5.1 做好建筑場地的選擇

為保證鋼結(jié)構(gòu)建筑的抗震性能能夠達(dá)到預(yù)期，需要做好鋼結(jié)構(gòu)建筑的建設(shè)地址選擇。一方面需要對各地的具體情況展開分析，明確地區(qū)是否處于地震帶，掌握地質(zhì)以及水文等各項(xiàng)信息，以便在此基礎(chǔ)上選擇最優(yōu)的施工地址，保證鋼結(jié)構(gòu)的性能；另一方面，如果需要在復(fù)雜地區(qū)進(jìn)行建設(shè)，需要對該地區(qū)的災(zāi)害發(fā)生情況以及以往歷史等各項(xiàng)情況展開研究，要在此基礎(chǔ)上制訂出較為詳細(xì)的應(yīng)對方案，并將其融入抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之中，以便最大限度降低地震災(zāi)害對鋼結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的不利影響，保證民眾的居住安全[7]。

5.2 合理選擇鋼結(jié)構(gòu)類型

由于鋼結(jié)構(gòu)的抗震體系并不屬于單一類型，種類較為豐富且較為多元化，所以在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)建筑的施工過程中，需要按照建筑施工所使用的材料以及鋼結(jié)構(gòu)建筑的實(shí)際高度，對相關(guān)的施工工藝展開科學(xué)選擇[8]。應(yīng)保證所選擇的鋼結(jié)構(gòu)類型能夠與具體的抗震等級要求相符合，可對施工活動(dòng)順利開展形成有效促進(jìn)作用，從而為后續(xù)各項(xiàng)操作的高質(zhì)量開展奠定良好基礎(chǔ)。

5.3 抗震裝置以及抗震措施的設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)過程中，要加大對重點(diǎn)工程的重視力度，做好設(shè)計(jì)，以便達(dá)到提高房屋建筑整體抗震等級的目標(biāo)，最大限度減少地震災(zāi)害對建筑造成的不良影響。同時(shí)，需要加大對減震隔震技術(shù)的研究以及優(yōu)化力度，需要通過對技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用，在切實(shí)提升房屋建筑抗震能力的同時(shí)，達(dá)到對整體建筑結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行優(yōu)化的目標(biāo)[9]?？赏ㄟ^對阻尼器的合理應(yīng)用，將其科學(xué)設(shè)置在構(gòu)件之上，使其按照自身的變形程度對地震所帶來的能量形成有效吸引與消化，減少地震在結(jié)構(gòu)上的作用。

6 結(jié)語

設(shè)計(jì)人員需要認(rèn)識(shí)到鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)對于建筑結(jié)構(gòu)安全使用的重要性以及必要性，需要加大對抗震設(shè)計(jì)方式方法的研究力度。不僅要按照場地的具體情況，做好場地地址選擇以及鋼結(jié)構(gòu)抗震類型選擇，同時(shí)還要科學(xué)展開鋼結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算等各項(xiàng)操作，保證鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)對鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震性能的切實(shí)強(qiáng)化，從而保證建筑物使用的安全性以及穩(wěn)定性，為民眾的安全使用創(chuàng)造更加理想的建筑空間環(huán)境。