淺談唐山市鋼結構廠房的抗震設計

鄭明明，張翠艷

唐山市位于華北地震帶區(qū)域，地震發(fā)生較為頻繁，眾所周知地震將造成巨大的生命財產損失，其中由于房屋等建筑物的損壞、倒塌而導致的損失占絕大部分，因此，在類似這種地震災害易發(fā)區(qū)域進行鋼結構設計時，對鋼結構的抗震能力進行充分考慮尤為重要，具有良好抗震性能的建筑物可以極大地保護人民的生命財產，減少地震帶來的巨大生命財產損失。

1 鋼結構的特點

不同的結構設計所具有的抗震性是不同的，鋼筋混凝土結構的抗壓性要優(yōu)于鋼結構，但抗拉性能略為不足，鋼結構形式的結構不僅抗拉性能好，而且同時兼具良好的延展性。從而具有良好的抗震性能使之在地震時發(fā)揮主要的作用。鋼結構廠房建筑是工廠常用的廠房結構，無論是從重量、制作、安裝到施工周期等各個方面的獨特優(yōu)勢、還是鋼結構自身具備的延展性、抗震性等優(yōu)點，在地震發(fā)生時可以很好的抵消掉地震的能量波。優(yōu)質鋼各向同性的材料特點使其具有較高的拉伸、壓縮和剪切強度和高的延展性等特質。因此在地震中可有效減輕地震反應，同時因為鋼結構的彈性形變和塑性形變能力較好，地震發(fā)生時，通過鋼結構的彈性變形和塑性變形可以有效的抵消一部分地震所帶來的破壞性能量，并配合自重較輕的優(yōu)勢，很好的減輕了和消除部分地震造成的破壞。同時，在鋼結構施工時因沒有澆筑支模版等混凝土常用步驟，減少了許多例如噪音，揚塵等污染，相較于混凝土作業(yè)，鋼結構一定程度上更為環(huán)保。同時，廠房設計通常要求開間要大，廠房高度往往在20m 以上，若采用混凝土進行建造，混凝土自身自重過大，設計困難，同時會造成較大浪費，花費也是巨大，因此相較之下，廠房設計更適合采用鋼結構進行。但同時鋼結構耐火性較差并且容易被腐蝕，需做好相關防火及防腐措施。

2 鋼結構的震害特點

鋼結構在地震中的破壞形式主要通過節(jié)點、構件、結構整體這三方面的破壞來體現(xiàn)。同時，在地震作用中，因鋼結構材質本身發(fā)生延展性的破壞，是鋼結構破壞的主要形式，可以看的到破壞過程，而不是一瞬間發(fā)生的脆性破壞。這種設計符合抗震設計要點，材料的延展性破壞有一定的破壞時間，給予人充分的逃生時間，很大程度上有效保護人的生命財產安全。

2.1 鋼結構節(jié)點破壞

鋼結構的節(jié)點破壞主要包括兩種情況，支撐件節(jié)點處的破壞和連接件節(jié)點處的破壞。通過部分地震實例來看，很多震后發(fā)現(xiàn)了大量的鋼梁、鋼柱節(jié)點處發(fā)生破壞，并對現(xiàn)場受害情況進行研究調查數(shù)據(jù)分析，鋼結構建筑物梁柱的鋼性破壞大多數(shù)發(fā)生在梁的下翼緣附近，而上翼緣處相對來說破壞要少的多，造成這種現(xiàn)象的可能原因有兩個方面：一是鋼梁與之連接的屋面板的接縫處發(fā)生了形狀變化，使鋼梁的下翼緣處應力瞬間增大，二是安裝過程中焊縫具有缺陷，地震時缺陷部位發(fā)生破壞。

2.2 鋼結構的構件破壞

支撐壓屈：地震作用發(fā)生時，鋼結構支撐件所收到的壓力超過了它本身的抗壓值，也就是超過了其屈服強度，鋼結構建筑發(fā)生發(fā)展支撐壓屈，構件發(fā)生破壞。當構件的寬厚比過大時，支撐構件的失穩(wěn)。因此，對支撐鋼構件的寬厚比例設計優(yōu)化非常重要，甚至其重要性超過對鋼結構的塑性能力設計。

梁柱局部失穩(wěn)：在地震的作用下鋼結構的梁柱會反復受彎，在梁柱結構彎矩計算截面最大處可發(fā)生過度使用彎曲過程中產生的失穩(wěn)造成破壞。

鋼柱在水平方向的斷裂破壞：柱子的水平斷裂的原因是豎向地震導致了柱子中出現(xiàn)動拉力和柱子截面的彎矩和剪力的影響，也可認為是鋼柱的脆性斷裂。通過對某地地震案例的分析統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)在一棟高層樓房有約60 根柱子發(fā)生了斷裂破壞現(xiàn)象，并且很多都是水平方向的斷口，從而說明都是此部分的破壞均由脆性受拉斷裂引起。根據(jù)研究分析，很多的斷裂發(fā)生在焊口旁，而恰好此處是最容易出現(xiàn)缺陷的部位。壁厚達50mm 的箱型截面柱暴露在外面，而在冬季施工的過程中，外界溫度較低，焊接過程中厚鋼板出現(xiàn)了過熱現(xiàn)象，這將造成剛才延展性的降低，使鋼材變脆。這時候鋼柱在地震帶來的巨大豎向作用力下，產線強大扭矩及拉力，從而出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

2.3 鋼結構整體倒塌

最嚴重的結構破壞模式是結構的整體倒塌。鋼結構雖然具備了較好的可塑性，形變能力，抵抗地震的能力較好，但并不是不會出現(xiàn)整個結構的垮塌現(xiàn)象，主要是當結構應力集中在薄弱層時鋼結構產生了連鎖反應，導致鋼結構建筑物發(fā)生整體性失穩(wěn)。墨西哥市三個22 層的鋼結構塔樓在大地震時發(fā)生了極大損壞，甚至其中一個幾乎倒塌。經過有關的研究分析可以證明，這三個塔樓均為框架-支撐結構的鋼結構支撐體系。經過分析，整體垮塌的主要原因是塔樓的橫向和縱向支撐的對稱設計不合理。如果鋼結構不規(guī)則，支撐在橫向和縱向的偏差非常大，會造成整體鋼結構框架的兩個中心不符，分別是剛度中心和質量中心。這樣會造成嚴重的后果，框架整體的扭曲效應會成倍放大，如果地震帶來的破壞性能量超過承載力，則就發(fā)生了這種整個結構的垮塌現(xiàn)象。因此在設計過程中，要著重考慮鋼結構框架體系的對稱性。

3 鋼結構的抗震設計

鋼結構的抗震設計形式有主動和被動兩種控制形式。其中第一種主動控制，例如采用阻尼器的動力主動對結構施加反向作用，抵消地震作用力，改變結構的動力特征；第二種被動控制，將結構形式優(yōu)化改善，即改善結構的特征，來優(yōu)化結構的抗震性能。鋼結構廠房由于其跨度較大，且層數(shù)較少，不宜采用主動控制形式，且鋼結構自身性能較好，因此鋼結構廠房多采用改善結構的形式來進行抗震設計。在結構設計時把承載力定義為抗震設計基礎指標，結構的動應力特別是動拉應力定義為控制指標。從地震災害來看，地震破壞的結構主要表現(xiàn)在地震過程中產生的結構變形過大，因此又以結構的變形來當作地震的抗震指標，要求設計的結構在地震中的變形量滿足一定的抗震設計值，達到抗震設計要求。

鋼結構的抗震性能設計主要從以下幾方面進行。

3.1 在設計中盡量選擇對抗震有利的場地和地基

鋼結構在地震中的反應受場地影響最為直接，因此，在進行鋼結構設計時首先要考慮場地的地基情況，若地基情況不太理想，或者地基情況不好，需通過一系列措施進行地基加固來滿足鋼結構的穩(wěn)定性和抗震性。

常用的基礎加固措施如下：

換土墊層法：若地基土層較薄，則可采用換土墊層法進行地基加固。首先將表面軟弱土和不良土挖除，然后采用合適的材料換填，最后進行分層碾壓夯實。砂石墊層、碎石墊層、粉煤灰墊層、干渣墊層、灰土墊層等可作為換填材料。

注漿加固：有時需要對建筑地基進行必要的加固設計，可采用注漿加固進行。注漿加固的種類較多，較為常見的種類有靜壓注漿加固方式、水泥攪拌樁注漿加固方式、預壓地基高壓旋噴樁注漿加固方式等。通常選用水泥漿液、硅化漿液和堿液作為建筑地基加固的漿液。采用注漿加固的好處是因漿液的流動性不可避免的會產生一定的壓力，這對地基土有滲透作用，從而使用范圍較廣。

預壓地基：在淤泥、沖填土等飽和粘性土地基上進行建筑時可采用預壓地基方式進行設計。一般采用堆載預壓法和真空預壓法兩種方案施工設計。

壓實地基和夯實地基：當建筑地基遇到大面積填土地基時可采用壓實地基，根據(jù)回填地基的不同材料可選用強夯和強夯置換兩種形式的夯實地基，當填充材料為碎石土、砂土、低飽和度的粉土和粘性土等采用強夯地基，當遇到填充材料為高飽和度粉土與等且對變形要求不太嚴格的地基強夯置換地基。

復合地基：顧名思義是指有兩種或兩種以上加固方式從而使建筑地基得到增強已到達設計及使用要求。對部分地基土不適合做地基的，必須采用復合型地基增強承載力。最終加固地基成為由天然地基土體或被改良的天然地基土體和增強地基兩部分組成的人工合成地基。

微型樁加固：采用迷你樁或者微型樁等直徑小的樁進行地基土加固，微型樁應用于場地狹小不適用大型設備情況下，常見的微型樁有樹根樁、預制樁和注漿鋼管樁。在很多地區(qū)的鋼鐵廠房經常采用由石屑、砂、粉煤灰等原料摻水泥加水拌和而成的水泥粉煤灰碎石樁，即CFG 樁。還有一種是用各類成樁機械所制造的具有較強的可變強度樁，也是微型樁的一種，在廠房改造等場合大量使用。

3.2 選擇合理的結構整體布置

在選擇建筑物的形狀時，最大程度上做到建筑物的形狀簡潔、規(guī)整。在地震時形狀簡單的建筑物受力性能明確，從而對地震引起的損害能有效抵制。平立面的結構布置應當符合結構抗震設計的理念，不規(guī)則的結構形式不應該使用。也就是結構的立面和平面設計的選擇應當符合形體簡單、規(guī)則、均勻、對稱等特點，這樣結構的剛度中心和自身的質量中心會越來越近，進行重合。所以在進行抗震設計時，多采用形狀規(guī)則、簡單的建筑物，由于這種結構的質量中心和剛度中心偏移較小，不但便于進行抗震計算，而且對于減少地震震害也有著相當?shù)淖饔?。若建筑物的強度及剛度需要連續(xù)變化，則應保證承載力在平面內均勻、豎向應當連續(xù)且均勻。避免使用不規(guī)則的設計形式，不設置防震縫這些行為，如果因其他原因必須采用不規(guī)則的設計形式時，通過采用防震縫的行為把結構分解成幾個規(guī)則的結構單元；同時地震時必須防止幾個獨立單元互相碰撞，防震縫的設計應滿足規(guī)范規(guī)定的防震縫設計要求和設計長度。

3.3 選擇合理的抗震結構體系

在選擇抗震結構體系時，應當根據(jù)結構的抗震設防類別，當?shù)氐目拐鹪O防烈度，建筑物的高度長度，采用的材料和施工的影響等因素，從技術、使用和經濟三個方面進行綜合考慮。建筑體系應該有明確的計算簡圖，并且地震作用途徑要清晰明了，在進行結構抗震體系選擇時，其體系應具有多道抗震手段，來促使平立面兩個方向有相近的動力特性，并且讓結構自身的自振周期和場地的自振周期不同，防止結構產生共振，減小的地震作用的危害。同時在“強剪弱彎、強柱弱梁以及強節(jié)點弱構件”的設計原則基礎上，應該避免結構的局部破壞和節(jié)點破壞導致結構整體的破壞和傾覆，避免因局部損壞導致結構整體失去抗震能力和結構的承載力。同時，由于地震破壞主要是先破壞結構的薄弱部位，因此，在進行設計時，結構的薄弱部位應進行加強，部位的連接方式應符合規(guī)范要求的值，并使其具有一定的堅韌性，且在結構應有最大可能數(shù)量的富裕度以應對地震時能在結構適當部位建立其屈服區(qū)域，即大量吸收地震能量，減少地震損害。

建筑物鋼結構需保證在小型地震中不被破壞，在中型地震時破壞小且可修復，在遇到大震時不倒塌，結構自身要有良好的抵抗抗震破壞等能力，在地震中損害較少，保證地震中的生命財產損失降到最低，對于多于地震應按照彈性設計進行計算，但唐山市地區(qū)本身有過罕見大型地震所以還需對罕見地震進行彈塑性分析來進行驗算，兩個階段缺一不可，通過這兩個階段的計算和驗算，充分完成了對唐山市鋼結構廠房的抗震設計。同時，選擇有利的場地也是應對地震的很好的方式之一，但大部分區(qū)域的場地比較受限，例如部分舊廠改造項目，沒有場地選擇的余地，因此做好地基的改善工作也是重中之重，千里之行始于足下，地基決定了一棟建筑的最終承受荷載的能力。

框架結構、框架-中心支撐結構、框架-偏心支撐結構等是被經常采用的結構體系。其中，框架結構具備良好的抗震性能和較強的延展性，但是此結構的抗側剛度差，不適用于受側向荷載控制的建筑；框架-中心支撐結構抗側剛度能力比較強，適用于高層建筑，抗震性能略優(yōu)于框架結構；框架-偏心支撐結構是通過采用偏心連梁來減輕或者消耗地震所帶來的能量荷載，抗震性能在這三種結構中最好。

3.4 合理選用原材料

在選擇抗震體系原材料時，鋼材的選擇尤為重要，優(yōu)質的鋼材屈服強度、延展性和柔韌性都十分優(yōu)秀，我們現(xiàn)在給出的鋼材都是其屈服點的下限值，在真實出廠時，其屈服點都高于規(guī)范給出值，且差值較大。因此，我們需要選擇要求能達到設計的屈服機制，可以有效保證的抗震性能，保證鋼材的變形能力來達到抗震的目的，就需要控制鋼材的屈服點，把鋼材屈服點的上下限縮小，曲強比要低，還有就是要保證鋼材的截面尺寸，選用截面時，考慮鋼材的各項指標，保證鋼材韌性，也對結構的抗震具有良好的作用。鋼材的選擇應符合下面規(guī)定：鋼材選用應符合規(guī)范規(guī)定，當有特殊要求時，也可采用符合其他規(guī)定的鋼材。結構所用鋼材應該有一個明顯的屈服臺階，且鋼材的伸長率應滿足設計及規(guī)范要求，最后，材料自身應該需要具備良好的可焊性和良好的沖擊韌性。

3.5 鋼結構框架部分抗震措施

在進行抗震方面的鋼結構設計時傳統(tǒng)的思路是讓鋼結構自身具備抗震能力，分為以下兩種方式。一種是足夠剛，即具備足夠的鋼度，在地震是通過自身強大的剛度來抵抗地震的破壞；另一種恰恰相反，是足夠柔，鋼結構建筑的結構進行自身具備一定的變形能力，在地震中，通過結構本身的柔性變形來中和地震的作用力。這兩種行之有效的抗震形式，但是僅僅針對普通地震還能抵抗，若遇到烈性地震，確又不足以抵抗，因此，阻尼器出現(xiàn)了。結構的自振周期和阻尼比是降低地震破壞反應的兩個最重要指標，阻尼器的消能結構可以使結構自身具備強大的變形能力和復原能力，在地震中可以利用鋼結構建筑自身的反向變形來抵抗地震的作用。但是此種抗震形式并不通用，可以說是在不同的地方，需隨機應變，采用不同的抗震形式來進行抗震設計，以保證設計的經濟合理，也應考慮結構的施工方便安全。

4 總結

在鋼結構的設計中，抗震設計可以說涉及到了方方面面，本文僅僅是其中極少的一部分，在唐山市鋼結構廠房設計中，結構的抗震性能始終是結構設計考慮的重點，在結構設計的各個階段都要進行詳細充足的分析計算，在唐山這種高度抗震設防區(qū)域更為重要，在設計鋼結構抗震時要充分考慮地震的作用，以及地震造成危害的方式，即地震的破壞機制和地震的破壞過程，在考慮好各種規(guī)范的同時，合理進行設計，保證設計產品安全舒適，經濟實用，保證鋼結構抗震設計時設計出良好的成果。