鋼結(jié)構(gòu)建筑的抗震設(shè)計性能分析與研究

張忠良

（成都藝術(shù)職業(yè)學院 四川成都 611433）

鋼結(jié)構(gòu)建筑的抗震設(shè)計性能分析與研究

張忠良

（成都藝術(shù)職業(yè)學院 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、便于運輸、施工速度快、延展性好等優(yōu)點，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)計進行分析和研究。

鋼結(jié)構(gòu)；抗震；抗震設(shè)計

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)計已經(jīng)是現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要內(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)計準則的前提下，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)計現(xiàn)狀

結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計有兩類途徑，一類是主動控制法：是對外荷載實現(xiàn)聯(lián)機跟蹤和預測，并通過作動器對結(jié)構(gòu)施加控制力來改變結(jié)構(gòu)的動力特性，如：加阻尼器；另一類是被動控制法：通過改善結(jié)構(gòu)本身的特征，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)模態(tài)變量的控制或優(yōu)化，改變結(jié)構(gòu)的動力特性，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)計方式，是以承載力為基礎(chǔ)的設(shè)計，通常取結(jié)構(gòu)的動應力特別是動拉應力為抗震設(shè)計時的控制指標。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，國外學者又提出了基于位移的抗震設(shè)計，以結(jié)構(gòu)的變形作為抗震設(shè)計時的控制指標，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)常常采用反應譜法，是采用振型分解反應譜法進行結(jié)構(gòu)抗震計算，再對大量地震反應譜進行統(tǒng)計分析而確定。地震反應譜的計算理論是相當經(jīng)典的，在短周期段內(nèi)只要地震記錄準確，地震反應譜就準確，但是地震反應譜在長周期段卻不準確。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），地震反應譜法對高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的分析偏差較大，因此，對于長周期段的反應譜法還需要進一步研究。還有鋼結(jié)構(gòu)自身阻尼較小，按現(xiàn)行抗震規(guī)范的計算方法，在考慮結(jié)構(gòu)延性以后地震作用力減小的同時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Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼和Q345低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼，其質(zhì)量應符合國標《碳素結(jié)構(gòu)鋼》和《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》的規(guī)定。當有特殊要求時，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，當板厚大于等于 40mm，且沿板厚方向承受拉力作用時，該處鋼材應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《厚度方向性能鋼板》（GB/T5313)的規(guī)定。

3、丙類以上抗震設(shè)計類別的抗側(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、平立面布置應符合抗震概念設(shè)計的要求，不應采用不規(guī)則的設(shè)計方案。即建筑的平面、立面布置和結(jié)構(gòu)體系選擇，應做到形體簡單、規(guī)則、均勻、對稱，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雜的平面形狀時，則宜用防震縫將建筑劃分為幾個平面規(guī)則的獨立單元，為了避免地震時各單元之間相互碰撞，防震縫的寬度應不小于相應鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋的1.5倍。

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

1、結(jié)構(gòu)體系選擇。應根據(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)濟和使用條件綜合考慮確定。

2、結(jié)構(gòu)體系應有明確的計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)在兩個主軸方向的動力特性相近，并使其基本自振周期遠不同于場地的特征周期，以防止共振，減小地震作用。

3、遵循“強柱弱梁，強剪弱彎，強節(jié)點弱構(gòu)件”的原則， 應避免因局部結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導致整個結(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)點發(fā)生脆性破壞，可采用在節(jié)點附近削弱梁翼緣截面，或在節(jié)點處設(shè)置加強梁段的辦法，充分發(fā)揮塑性轉(zhuǎn)動能力和耗量的能力。

5、對薄弱部位，預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，多遇地震按彈性設(shè)計、罕遇地震按彈塑性進行變形驗算的兩階段設(shè)計方法進行抗震設(shè)計。

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，鋼結(jié)構(gòu)的地震反應決定震害大小。因此應選擇堅硬、均勻的場地，當無法避開不利的場地時，必須采取補救措施。

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)的特點是可通過偏心連梁的剪切屈服， 消耗地震能量，同時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?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)。當需要建筑剛度更高時，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)總體強度和剛度，是兩個有效的抗震途徑。當建筑高度很高，地震烈度很高的時候，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。對結(jié)構(gòu)地震反應有重要影響的主要有兩個因素：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自復位能力。

使自由振動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)件可以提供運動的阻力，耗減運動能量的裝置，我們稱為阻尼器。鋼結(jié)構(gòu)抗震對阻尼器的要求：第一，在小振幅的振動下，呈線性反應，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，在強烈振動時，阻尼器的一部分可以失效，從而允許大變位和大阻尼，以達到隔震目的；第三，隔振阻尼裝置的豎向剛度遠大于其水平剛度。

五、結(jié)束語

隨著對筑抗震要求的不斷提高，如何進一步完善和充實現(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、改進鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)造與設(shè)計方法、科學經(jīng)濟地保障鋼結(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（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)計與計算[M].機械工業(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、結(jié)構(gòu)抗震、地基基礎(chǔ)。Email:390196537@qq.com。