建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計及優(yōu)化策略

楊廣磊

（山東華邦建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 濰坊 262500）

0 引言

鋼材料相較于傳統(tǒng)混凝土材料具有多方面的優(yōu)勢，如質(zhì)量較輕、較理想的彈塑性、較突出的機(jī)械性、可循環(huán)利用。正是憑借著以上諸多優(yōu)勢，鋼結(jié)構(gòu)建筑已經(jīng)廣泛應(yīng)用于很多行業(yè)，尤其是工廠建設(shè)中。經(jīng)過多年應(yīng)用，鋼結(jié)構(gòu)建筑另一優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)出來——抗震性。在設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)建筑時，需要嚴(yán)格遵守國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，將抗震結(jié)構(gòu)設(shè)置方式和方法明確，從而最大限度地保障建筑鋼結(jié)構(gòu)的安全性。在相同荷載中，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件比傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)界面尺寸小、厚度薄，這是其突出的優(yōu)勢。但是鋼結(jié)構(gòu)也可能受到多方面因素影響發(fā)生穩(wěn)定性不足、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等不良現(xiàn)象。為了妥善處理鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問題，設(shè)計人員需要深入分析每個構(gòu)件，進(jìn)而推演整個結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，提高計算準(zhǔn)確性，保證整體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)置科學(xué)合理。設(shè)計人員需要重點設(shè)計好梁柱等主要結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)研究鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間相互關(guān)系和影響程度，對是否存在較高失穩(wěn)問題進(jìn)行客觀準(zhǔn)確的判斷[1]。本文對鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計與優(yōu)化方法進(jìn)行介紹。

1 鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)類別及原因分析

1.1 鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)類別

（1）分支點失穩(wěn)。該類型主要是由于沒有合理設(shè)計分支點結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性不足。鋼結(jié)構(gòu)建筑有著一定的荷載，如果實際荷載超出最大承載力，就會打破受力平衡，破壞鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

（2）極值點失穩(wěn)。該問題常常出現(xiàn)在異形結(jié)構(gòu)或者非對稱結(jié)構(gòu)建筑中，偏心受壓鋼結(jié)構(gòu)承載能力無法滿足實際要求，導(dǎo)致穩(wěn)定性不足發(fā)生變形、失穩(wěn)等現(xiàn)象。

（3）躍越失穩(wěn)。扁平拱結(jié)構(gòu)出現(xiàn)躍越失穩(wěn)的概率較大。扁平拱結(jié)構(gòu)在受到外部荷載后其穩(wěn)定性呈現(xiàn)上升趨勢，但是隨著荷載加大，會發(fā)生跳躍式變化。比如受壓到受拉的轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致打破原有平衡結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)情況，威脅建筑安全?？梢?，鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性很大程度上受到荷載的影響，只有將鋼結(jié)構(gòu)承載能力準(zhǔn)確地計算確定，科學(xué)預(yù)測構(gòu)件屈曲后性能變化趨勢，合理設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，才能保證整體建筑的性能[2]。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)原因分析

（1）設(shè)計人員沒有深入考察施工現(xiàn)場實際情況，沒有充分了解影響建筑鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的現(xiàn)場因素，僅僅依靠勘查資料和以往的經(jīng)驗開展設(shè)計工作，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)性能無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)計方案可能和建筑運(yùn)行需求難以相符合，增加了鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的概率，導(dǎo)致一旦發(fā)生地震災(zāi)害建筑鋼結(jié)構(gòu)會發(fā)生變形、坍塌等嚴(yán)重事故。

（2）設(shè)計人員缺乏足夠的專業(yè)能力和責(zé)任心，在設(shè)計中沒有嚴(yán)格落實鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中的要求，沒有全面掌握鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的原因，沒有采取針對性的應(yīng)對措施，導(dǎo)致一旦遇到地震災(zāi)害建筑鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性不足。

（3）鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性還會受到防火性能、防腐性能等多方面因素的影響。想要保證地震災(zāi)害發(fā)生時建筑鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，不但要提高抗震能力，還要從鋼結(jié)構(gòu)防火性能、防腐性能等多方面進(jìn)行優(yōu)化，通過全面考慮、協(xié)同設(shè)計，確保鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性提高，在地震災(zāi)害來臨時不會快速坍塌，釀成嚴(yán)重災(zāi)害[3]。

2 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計穩(wěn)定性原則

2.1 保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定

建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計有著較高的難度，任何一項因素考慮不到位都有可能引發(fā)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)現(xiàn)象。為此，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計時要加強(qiáng)和相關(guān)部門溝通，全面考慮各種影響因素，加強(qiáng)現(xiàn)代信息技術(shù)的應(yīng)用，加強(qiáng)對業(yè)主方真實需求和施工方技術(shù)水平的了解，提高設(shè)計方案可行性、科學(xué)性，盡量降低數(shù)據(jù)誤差。為保證建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計，可以利用BIM等先進(jìn)的軟件輔助設(shè)計，通過不斷改進(jìn)優(yōu)化得到最佳的設(shè)計方案。

2.2 不規(guī)則建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性

隨著鋼結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展，建筑行業(yè)涌現(xiàn)出越來越多的不規(guī)則建筑。在鋼結(jié)構(gòu)建筑中，斜柱的應(yīng)用能夠從很大程度上提高鋼結(jié)構(gòu)建筑的美觀性，但是同時也增加了鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計的難度。設(shè)計人員需要將斜柱的位置清晰地標(biāo)注在設(shè)計圖紙上，對斜柱水平方向、垂直方向受力情況以及構(gòu)件所受壓力情況進(jìn)行科學(xué)計算和準(zhǔn)確分析，通過不斷完善設(shè)計方案平衡斜柱受力情況，進(jìn)而提高鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性[4]。

2.3 遵循強(qiáng)柱弱梁

一旦發(fā)生地震災(zāi)害，建筑物會受到極大的外界應(yīng)力，這種應(yīng)力會嚴(yán)重破壞梁柱結(jié)構(gòu)，當(dāng)柱子的損傷較為明顯時整個建筑也會坍塌。為了避免建筑坍塌，需要按照強(qiáng)柱弱梁的原則進(jìn)行建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計和建造。通過這種方式可以減少柱子承擔(dān)上部重量造成的壓力，能夠分散荷載，可以將塑性鉸出現(xiàn)于梁上，避免柱子第一時間受到破壞，這符合建筑抗震設(shè)計要求。在發(fā)生地震時柱結(jié)構(gòu)堅持的時間越長建筑整體穩(wěn)定性越強(qiáng)，越不容易發(fā)生變形、坍塌等問題，越能夠保證內(nèi)部人員安全[4]。

3 鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法的應(yīng)用

3.1 抗震計算方式

可以用底部剪力方法計算建筑鋼結(jié)構(gòu)的抗震情況。如果鋼結(jié)構(gòu)有著較高的整體高度，那么計算過程中可以采用分解反應(yīng)譜法。設(shè)計人員需要對工程所在區(qū)域具體抗震要求進(jìn)行確定，通常在4～6級抗震等級要求的地區(qū)可以根據(jù)具體規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)合理設(shè)置建筑，要注意考慮建筑物自身情況和當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)情況，確保設(shè)計抗震強(qiáng)度能夠和實際標(biāo)準(zhǔn)需求相符合。設(shè)計人員還要分析建筑場地類型，根據(jù)當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度要求明確抗震方法。如果是丙類建筑物則需要采取降度處理建筑設(shè)計方案。在計算地震作用過程中需要計算重力荷載代表值，用恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值加活荷載組合值確定最終荷載值。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[5]。

3.2 水平地震影響系數(shù)

在確定建筑鋼結(jié)構(gòu)地震影響系數(shù)過程中需要充分考慮各方面的情況，比如結(jié)構(gòu)自振周期、阻尼比、設(shè)計地震分組等。在研究系數(shù)時要分析最大值，合理選取數(shù)據(jù)信息，保證精準(zhǔn)的計算結(jié)果。在選擇特征周期數(shù)據(jù)中需要根據(jù)地震情況合理分組，確定工程場地類別。如果場地有著較高的抗震設(shè)防烈度級別，可以按照0.05s特征周期進(jìn)行計算[6]，如表1、表2。

表1 水平地震影響系數(shù)最大值

表2 時程分析時低著加速度最大值

3.3 荷載設(shè)計

對稱、貫通形式的鋼結(jié)構(gòu)不規(guī)則形態(tài)設(shè)計具有更好的地域扭曲變形的效果，設(shè)計人員在設(shè)計中需要將鋼結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)線明確，對影響鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素加強(qiáng)考慮并且采取有效的應(yīng)對辦法，將結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量提高。具體實踐中還要加強(qiáng)特殊情況的考慮分析，比如不動鉸支座可以避免梁位移現(xiàn)象，能夠保證梁在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，但是僅僅考慮這一方面無法均衡鋼結(jié)構(gòu)受力情況，還要注意避免其他不良問題發(fā)生。應(yīng)當(dāng)設(shè)置梁繞縱軸扭轉(zhuǎn)阻止構(gòu)件，同時保證梁端界面自由翹曲確保鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，保證更加精準(zhǔn)地計算結(jié)果，提高鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。

3.4 防火設(shè)計

第一，要考慮鋼結(jié)構(gòu)彈性變形，對溫度升高后鋼結(jié)構(gòu)膨脹情況以及降溫后鋼結(jié)構(gòu)的形狀變化進(jìn)行細(xì)致的分析。第二，要重點考慮塑性變形。在溫度變化后鋼材可能會產(chǎn)生永久變形無法恢復(fù)原狀。在建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中需要明確防火材料和防火涂料等級，從實際情況出發(fā)保證和實際要求相符合，有力控制地震時期伴發(fā)的火災(zāi)等問題對建筑產(chǎn)生的影響。

3.5 防腐設(shè)計

鋼材長時間接觸空氣、水分后可能出現(xiàn)生銹、腐蝕等問題，導(dǎo)致鋼材性能降低，一旦發(fā)生地震災(zāi)害會出現(xiàn)變形、坍塌等問題。為此，要高度重視鋼材的防腐防銹處理。在防腐處理中，要加強(qiáng)當(dāng)?shù)貧夂驐l件、地理情況、水文環(huán)境等因素的考慮，結(jié)合經(jīng)濟(jì)成本，做好鋼材防腐計劃的編制。永久性涂裝和非永久性涂裝是常用兩種鋼材防腐方式，其中非永久性涂裝需要在后期通過維修保養(yǎng)進(jìn)一步提高鋼結(jié)構(gòu)防腐性能[7]。

4 鋼結(jié)構(gòu)抗震性能優(yōu)化設(shè)計建議

4.1 合理選擇建筑場地

為了提高建筑抗震性能，一方面要充分掌握當(dāng)?shù)厮?、地質(zhì)等信息，對所在區(qū)域是否處于地震帶進(jìn)行確定，合理選擇鋼結(jié)構(gòu)建筑場地。另一方面，在復(fù)雜區(qū)域建設(shè)鋼結(jié)構(gòu)建筑時，深入分析研究該地區(qū)以往發(fā)生災(zāi)害的基礎(chǔ)上做好應(yīng)對方案的編制，并且將抗震結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最大程度地減少地震災(zāi)害對鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的威脅[8]。

4.2 合理選擇鋼結(jié)構(gòu)類型

建筑鋼結(jié)構(gòu)有著豐富且多元化的抗震體系，所以在確定鋼結(jié)構(gòu)建筑類型中需要綜合分析建筑高度、使用材料等內(nèi)容，科學(xué)選擇施工工藝，保證鋼結(jié)構(gòu)類型和當(dāng)?shù)乜拐鸬燃壱笠恢?，為后期順利開展鋼結(jié)構(gòu)建筑建設(shè)創(chuàng)造有利條件。

4.3 抗震裝置及措施設(shè)計

在建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中需要特別關(guān)注重點構(gòu)件和節(jié)點，加強(qiáng)優(yōu)化細(xì)節(jié)問題，將建筑鋼結(jié)構(gòu)整體抗震性能提高，將地震災(zāi)害產(chǎn)生的風(fēng)險因素盡可能地減少。同時，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)研究和優(yōu)化減震隔震技術(shù)，提高建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震能力的同時優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)體系。比如可以合理應(yīng)用阻尼器（如圖1），科學(xué)設(shè)置減震構(gòu)件，保證在發(fā)生地震災(zāi)害時構(gòu)件能夠吸引和消化地震能量，達(dá)到減震的效果。

圖1 抗震阻尼器

4.4 材料選擇

施工材料在很大程度上影響建筑鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量。市場上的建筑材料質(zhì)量魚龍混雜，采購時對產(chǎn)品性能及質(zhì)量了解不深入，入場抽樣檢查、材料保管不到位等原因，導(dǎo)致使用的材料存在質(zhì)量問題。因此需要從產(chǎn)品采購、質(zhì)量檢查、材料保管等多個環(huán)節(jié)加強(qiáng)材料質(zhì)量控制，確保材料能夠滿足鋼結(jié)構(gòu)建筑的質(zhì)量需求。設(shè)計人員還要科學(xué)地分析受力情況，平衡好各個結(jié)構(gòu)部分、各種材料的受力情況，對鋼材的受力性能認(rèn)真檢查。合理選用焊接工藝，加強(qiáng)焊接質(zhì)量檢查，確保有機(jī)地連接各個構(gòu)件。保證一旦發(fā)生地震能夠迅速分散各種應(yīng)力，提升鋼結(jié)構(gòu)建筑的總體承載力，確保建筑抗壓、抗拉能力達(dá)標(biāo)，均衡受力情況，提高建筑鋼結(jié)構(gòu)整體安全性。

5 結(jié)束語

建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震性能直接關(guān)系著建筑內(nèi)生命財產(chǎn)安全。為了提高建筑鋼結(jié)構(gòu)的整體抗震能力，需要優(yōu)化建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計水平，做好場地選擇以及鋼結(jié)構(gòu)抗震類型選擇，同時還要科學(xué)展開鋼結(jié)構(gòu)的抗震計算等，以保證鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，切實強(qiáng)化鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震性能，從而保證建筑物的安全性以及穩(wěn)定性。