鋼結構抗震設計分析方法概述

曾 青

中冶南方工程技術有限公司

鋼結構抗震設計分析方法概述

曾 青

中冶南方工程技術有限公司

對于當前城市化進程中高層建筑模式的不斷推廣，使得高層建筑的抗震性能要求逐漸的提高。鋼結構作為一種新型的建筑形式，在高層建筑的穩定性和可靠性方面有著非常重要的實用價值，這也是進行高層建筑設計中鋼結構抗震設計的應用保障。本文將結合鋼結構建筑的基本概述，對如何有效提升高層鋼結構建筑抗震設計做深入的探討，以供參考。

高層；鋼結構；抗震設計；分析

1 前言

在現代的建筑施工中，環境保護和建筑材料的升級，逐漸的成為建筑行業發展的新課題。鋼結構作為一種新型的建筑形式，一起輕盈的靈活拼接形式，在現代建筑施工中得到了廣泛的應用。而且從建筑成本和施工環境保護方面也與傳統的建筑形式相比有很大的優勢，成為城市化進程中建筑行業發展的一個新向標。特別是對于人口高度密集的城市來說，建筑結構是否具有牢固性和穩定性，是人民較為關注的問題，鋼結構自身良好的穩定性使其大量的在人口密集區域的公共設施建設中得到運用。特別是在地震發生的情況下，能夠盡可能的降低災害導致的人身及財產損失。建筑高度越高，抗震要求越高，這就要求必須在高層的建筑設計中，加強對鋼結構抗震性能的設計與分析。

2 建筑鋼結構的相關概述

鋼結構在建筑行業中的應用范圍來說，主要是在現代大型城市的建筑中用的比較多。特別是一些人口比較密集的公共區域，比如：橋梁、會所、商場、大興體育場、機場及高鐵站等都有鋼結構的廣泛應用。隨著建筑高層化的發展模式進展，鋼結構以其良好的抗震性能也得到了重要應用。而伴隨著鋼結構抗震性能在材質及設計上的進一步升級，它還將得到更快更廣泛的使用。相關的功能也將趨于綜合性。這是因為鋼結構自身具有以下幾個良好的優點：

2.1 自身特有的良好性能

鋼結構自身輕、承載能力和抗震性能優越。在傳統的大型建筑施工縱橫，需要大量的水泥和鋼材，水泥生產過程需要消耗很多的材料，同時也會帶來嚴重的環境污染。而輕鋼結構施工工藝相對簡單，能夠進行針對性的靈活設計，在實際建筑設計中進行應用也比較節省材料，且不會導致環境污染。輕鋼結構還能夠具有自身良好的均勻承受力分散能力和較輕的自重，并可通過骨架型外形設計和組裝實現良好的抗震性能和承載效果。

2.2 鋼結構施工及裝配靈活

鋼結構施工比較靈活，能夠進行標準化的施工，且具有很高的投資回報。鋼結構之所以能夠在大型建筑中得以運用，主要是其具靈活的可裝配性，不受形式和空間的影響。并且可實現工廠定制式加工和自由組裝分離，方便異地生產。在組裝中不會占用太多的施工場地，且不會造成環境污染。并且可實現多次的靈活分割和布置，為此鋼結構具有很好的市場效應和利潤。

2.3 環保無污染

鋼結構適應了現代綠色建筑的需求，能夠確保施工的環保無污染。鋼結構在使用上耗材要遠低于磚混結構，施工和生產過程更加趨向于可持續發展的綠色節能要求。另外，鋼結構的用料比較容易控制，所產生的少部分廢料還能夠二次利用。具有很高的異地裝備效率，既節省了施工工作量又避免了現場的噪音污染。

3 基于高層的鋼結構抗震設計分析

在2001年推出的《建筑抗震設計規范》中就結合小、中、大地震等級，進行了建筑抗震標準的要求：小震不壞、中震可修、大震不倒。針對房屋抗震標準規定，對于現代的高層建筑而言，需要采取合理的抗震設計來確保高層建筑在面臨地震發生時的良好抗震性能。

3.1 振型分解設計分析

振型分解又稱振型分解反應譜法。這種方法屬于在反應譜基礎上進行的設計分析。其中用到最多的是加速度譜，在《抗震設計規范》中的反應譜就是以實際的大量地震記錄及人工地震繪制綜合得到的標注反應譜。當前在用的反應譜主要是單自由度對象形成的，只能反映單自由度問題的動力和地震相應的最大值。振型分解通過擬定靜力的計算形式，將實際問題離散成單個自由度的問題，先求解離散對象振動周期和振型，再進行動力方程的給出，最后通過離散求解來進行振型組合。從而實現多自由度問題的單自由度轉變，中綜合得出反應譜解答。這種方式的不足在于進行的是慣性力的靜力處理，所做出的反應譜只能反映最大地震響應值，無法反映地震全過程振動、結構位移及內力變化過程。這種方法優點在于方法和理論簡單，容易掌握，所以還是得到廣泛的使用。

3.2 時程設計分析

又稱直接動力法，是將地震從開始到終止的全過程作用時間細分成多個小時間段，通過積分形式進行分析，這種分析法相比振型分解法，強調了地震持續時間對總體結構的影響。通過逐步積分的形式能夠計算出結構振動的不同時刻構件內力和變形信息，能夠掌握結構破壞的全過程。時程分析中的困難在于計算需要的恢復力特性曲線較多，地震波的合理選擇等。

3.3 靜力非線性分析

對于地震中的建筑物倒塌，分析表明主要是變形過大。所以通過對地震作用力下的彈塑性變形的控制和結構預測來進行分析是非常重要的。彈塑性的地震反映分析主要有彈塑性時程分析和靜力彈塑性分析兩類，其中彈塑性時程分析計算工作量較大，耗時較多，存在較大的使用難度。而靜力彈塑性分析能夠對結構變形進行很好的反映，而被得以廣泛的應用。

3.4 均勻損傷設計分析

高層結構的倒塌主要是存在部分薄弱環節的集中受理超載而導致的破壞。所以，對建筑結構部分薄弱層的均勻損傷設計分析是非常關鍵的，是提升高層鋼結構整體抗震性能的有效方式。主要方法是進行鋼結構樓層段的損傷程度劃分，然后進行結構的設計分析，最后進行總體的結構調整。

4 結語

總而言之，在城市的不斷發展建設中，鋼結構已經成為一種重要的建筑材料。特別是在現代建設以高層建筑為發展趨勢的前提下，其與傳統的混凝土結構相比，具有自身重量輕，抗震性能良好，施工速度快以及綠色環保等很多優點而得到了非常廣泛的使用。對于鋼結構抗震的設計分析，還需要充分的以實際數據材料為依據，并借助現代化的信息通道和自動化設備來進行應用分析。只有這樣才能夠確保高層建筑的安全防控效果，并提升整體建筑物的抗震性能。

[1]張海捷.淺談高層鋼結構建筑杭震概念設計「J」.科技致富向導,2012(35).

[2]曉東,陳巍.簡述高層鋼結構房屋的杭震計算要點「J」.林業科技情報,2011(3).

[3]董賽,劉延.新型建筑以鋼為綱—杭蕭鋼構的新型工業化探索[J].中國建筑金屬結構,2012(11).

[4]建筑抗震設計規范(GB20011 － 2010)［S］.北京:中國建筑工業出版社,2010