鋼結(jié)構(gòu)建筑的抗震設(shè)計(jì)性能分析與研究

張忠良

（成都藝術(shù)職業(yè)學(xué)院 四川成都 611433）

鋼結(jié)構(gòu)建筑的抗震設(shè)計(jì)性能分析與研究

張忠良

（成都藝術(shù)職業(yè)學(xué)院 四川成都 611433）

鋼結(jié)構(gòu)建筑具有抗震性能高、工業(yè)化生產(chǎn)程度高、施工周期短、節(jié)能環(huán)保、便于運(yùn)輸、施工速度快、延展性好等優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代主要建筑結(jié)構(gòu)之一。本文就鋼結(jié)構(gòu)建筑的抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和研究。

鋼結(jié)構(gòu)；抗震；抗震設(shè)計(jì)

在眾多的建筑結(jié)構(gòu)之中，鋼結(jié)構(gòu)具有良好抗震性能。鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)已經(jīng)是現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，充分了解鋼結(jié)構(gòu)建筑的震害破壞原理和震害破壞過程，在抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的前提下，合理地確定鋼結(jié)構(gòu)的各種震害問題，方可采取可靠的抗震解決方案。

一、鋼結(jié)構(gòu)建筑的抗震設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)有兩類途徑，一類是主動(dòng)控制法：是對(duì)外荷載實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)跟蹤和預(yù)測，并通過作動(dòng)器對(duì)結(jié)構(gòu)施加控制力來改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，如：加阻尼器；另一類是被動(dòng)控制法：通過改善結(jié)構(gòu)本身的特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)變量的控制或優(yōu)化，改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，如：加大結(jié)構(gòu)截面或優(yōu)化變形薄弱區(qū)。

國內(nèi)常用的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方式，是以承載力為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，通常取結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)力特別是動(dòng)拉應(yīng)力為抗震設(shè)計(jì)時(shí)的控制指標(biāo)。多次震害表明，結(jié)構(gòu)破壞、倒塌的主要原因是變形過 大，超過了結(jié)構(gòu)能承受的變形能力，因此，國外學(xué)者又提出了基于位移的抗震設(shè)計(jì)，以結(jié)構(gòu)的變形作為抗震設(shè)計(jì)時(shí)的控制指標(biāo)，要求結(jié)構(gòu)的變形值要滿足在地震作用下的變形要求。

國內(nèi)常常采用反應(yīng)譜法，是采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算，再對(duì)大量地震反應(yīng)譜進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析而確定。地震反應(yīng)譜的計(jì)算理論是相當(dāng)經(jīng)典的，在短周期段內(nèi)只要地震記錄準(zhǔn)確，地震反應(yīng)譜就準(zhǔn)確，但是地震反應(yīng)譜在長周期段卻不準(zhǔn)確。高層鋼結(jié)構(gòu)建筑自振周期較大〔如上海中心、廣州電視塔等），地震反應(yīng)譜法對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的分析偏差較大，因此，對(duì)于長周期段的反應(yīng)譜法還需要進(jìn)一步研究。還有鋼結(jié)構(gòu)自身阻尼較小，按現(xiàn)行抗震規(guī)范的計(jì)算方法，在考慮結(jié)構(gòu)延性以后地震作用力減小的同時(shí)又因阻尼比降低而加大。以上種種不確定因素使得鋼結(jié)構(gòu)的用鋼量比理論上偏高。

二、鋼結(jié)構(gòu)建筑的抗震設(shè)計(jì)技術(shù)要求

（一）鋼結(jié)構(gòu)建筑的鋼材性能要求

鋼結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)符合下列規(guī)定：

1、抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的鋼材宜采用兩種：B級(jí)Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼和Q345低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，其質(zhì)量應(yīng)符合國標(biāo)《碳素結(jié)構(gòu)鋼》和《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》的規(guī)定。當(dāng)有特殊要求時(shí)，也可采用其它滿足技術(shù)要求的鋼材。

2、采用焊接方式連接的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)板厚大于等于 40mm，且沿板厚方向承受拉力作用時(shí)，該處鋼材應(yīng)滿足沿厚度方向受拉試件破壞后的斷面收縮率的附加要求，不得小于國標(biāo)《厚度方向性能鋼板》（GB/T5313)的規(guī)定。

3、丙類以上抗震設(shè)計(jì)類別的抗側(cè)力體系鋼結(jié)構(gòu)中，所有坡口全熔透焊縫的填充金屬應(yīng)滿足規(guī)范要求和低溫抗沖擊要求。

（二）鋼結(jié)構(gòu)建筑的抗震結(jié)構(gòu)布置

1、平立面布置應(yīng)符合抗震概念設(shè)計(jì)的要求，不應(yīng)采用不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案。即建筑的平面、立面布置和結(jié)構(gòu)體系選擇，應(yīng)做到形體簡單、規(guī)則、均勻、對(duì)稱，建筑的總體剛度中心與建筑的質(zhì)量中心相重合或相接近，建筑的剛度和質(zhì)量沿豎向均勻連續(xù)、無突變。

2、避免采用不規(guī)則的結(jié)構(gòu)方案，不設(shè)防震縫。如果建筑必須采用比較復(fù)雜的平面形狀時(shí)，則宜用防震縫將建筑劃分為幾個(gè)平面規(guī)則的獨(dú)立單元，為了避免地震時(shí)各單元之間相互碰撞，防震縫的寬度應(yīng)不小于相應(yīng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋的1.5倍。

（三）鋼結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

1、結(jié)構(gòu)體系選擇。應(yīng)根據(jù)建筑的抗震設(shè)防類別、抗震設(shè)防烈度、建筑高度、場地條件、地基、結(jié)構(gòu)材料和施工等因素，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和使用條件綜合考慮確定。

2、結(jié)構(gòu)體系應(yīng)有明確的計(jì)算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑，多道抗震防線。宜使結(jié)構(gòu)在兩個(gè)主軸方向的動(dòng)力特性相近，并使其基本自振周期遠(yuǎn)不同于場地的特征周期，以防止共振，減小地震作用。

3、遵循“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的原則， 應(yīng)避免因局部結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載能力。

4、結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的抗震承載能力、變形能力和消能減震的能力。例如，為避免梁柱剛性節(jié)點(diǎn)發(fā)生脆性破壞，可采用在節(jié)點(diǎn)附近削弱梁翼緣截面，或在節(jié)點(diǎn)處設(shè)置加強(qiáng)梁段的辦法，充分發(fā)揮塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力和耗量的能力。

5、對(duì)薄弱部位，預(yù)先采取措施提高抗震能力。

6、以小震不壞、中震可修、大震不倒為抗震目標(biāo)，多遇地震按彈性設(shè)計(jì)、罕遇地震按彈塑性進(jìn)行變形驗(yàn)算的兩階段設(shè)計(jì)方法進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。

7、選擇有利的場地和地基，場地影響鋼結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，鋼結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)決定震害大小。因此應(yīng)選擇堅(jiān)硬、均勻的場地，當(dāng)無法避開不利的場地時(shí)，必須采取補(bǔ)救措施。

三、鋼結(jié)構(gòu)建筑的抗震結(jié)構(gòu)體系選擇

常用的結(jié)構(gòu)體系有框架結(jié)構(gòu)、框架-中心支撐結(jié)構(gòu)和框架-偏心支撐結(jié)構(gòu)幾種。純框架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是延性好，抗震性能好，但抗側(cè)剛度較差，不宜用于受側(cè)向控制的建筑。

框架-中心支撐結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是抗側(cè)剛度大，適用層數(shù)較多的建筑，但由于支撐構(gòu)件的滯回性能較差，耗散的地震能量有限，抗震性能優(yōu)于純框架。

框架-偏心支撐結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是可通過偏心連梁的剪切屈服， 消耗地震能量，同時(shí)又能保證支撐不喪失整體穩(wěn)定，抗震性能優(yōu)于框架-中心支撐結(jié)構(gòu)。

如果采用能與鋼框架抗側(cè)剛度相當(dāng)?shù)膬?nèi)藏鋼板剪力墻和帶豎縫剪力墻代替支撐，就構(gòu)成鋼框架-抗震墻板結(jié)構(gòu)，其抗震性能優(yōu)于框架-中心支撐結(jié)構(gòu)。當(dāng)需要建筑剛度更高時(shí)，可沿建筑周邊設(shè)置密柱深梁框架構(gòu)成鋼框筒結(jié)構(gòu)。鋼框筒結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度大，并具有更好的抗震性能。

四、鋼結(jié)構(gòu)框架的消能、隔震措施

傳統(tǒng)的防震思路是要求建筑結(jié)構(gòu)具有一定的抗震性能，常常形成兩種抗震方式：一是足夠剛，提高結(jié)構(gòu)的自身剛度來抵抗地震作用；另一種是足夠柔，允許結(jié)構(gòu)有一定的柔性變形，使結(jié)構(gòu)在變形過程中吸收、釋放、消耗掉一定的能量。這兩種方式是在提高結(jié)構(gòu)總體強(qiáng)度和剛度，是兩個(gè)有效的抗震途徑。當(dāng)建筑高度很高，地震烈度很高的時(shí)候，前兩種方式的抗震能力也很有限。

另外一種防震思路出現(xiàn)了：消能減震，隔震。對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)有重要影響的主要有兩個(gè)因素：結(jié)構(gòu)物的基本周期和阻尼比。采用消能結(jié)構(gòu)可以在很大程度上延長了建筑物的基本周期，從而避開了地震輸入的高能量頻段；采用高阻尼減震裝置使建筑物具有大變形的能力和強(qiáng)自復(fù)位能力。

使自由振動(dòng)衰減的各種摩擦和其他阻礙作用，我們稱之為阻尼。而安置在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)上的“特殊”構(gòu)件可以提供運(yùn)動(dòng)的阻力，耗減運(yùn)動(dòng)能量的裝置，我們稱為阻尼器。鋼結(jié)構(gòu)抗震對(duì)阻尼器的要求：第一，在小振幅的振動(dòng)下，呈線性反應(yīng)，不產(chǎn)生很大的阻尼，但剛度很大，從而限制結(jié)構(gòu)的位移；第二，在強(qiáng)烈振動(dòng)時(shí)，阻尼器的一部分可以失效，從而允許大變位和大阻尼，以達(dá)到隔震目的；第三，隔振阻尼裝置的豎向剛度遠(yuǎn)大于其水平剛度。

五、結(jié)束語

隨著對(duì)筑抗震要求的不斷提高，如何進(jìn)一步完善和充實(shí)現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)抗震、防震，合理確定建筑的結(jié)構(gòu)安全度、改進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)造與設(shè)計(jì)方法、科學(xué)經(jīng)濟(jì)地保障鋼結(jié)構(gòu)建筑的安全性是業(yè)內(nèi)工程師們不斷探索的方向。

[1]陳紹蕃，郭成喜.房屋建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（第三版）[M].中國建筑工業(yè)出版社.北京.2014.8

[2]柴昶.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].機(jī)械工業(yè)出版社.北京.2006.1

TU7

B

1007-6344（2016）10-0043-01

張忠良（1981.12～），男，本科，工程師/講師,主要研究方向：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)抗震、地基基礎(chǔ)。Email:390196537@qq.com。