建筑工程鋼結(jié)構(gòu)單層單跨框架的抗震加固設(shè)計方法

許 靖 江西省化學(xué)工業(yè)設(shè)計院

1 前言

鋼材由于具有彈塑性好、韌性高、重量輕等優(yōu)良的機(jī)械性能，從而在多層建筑中獲得較為廣泛的應(yīng)用。近幾年由于經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們的觀念發(fā)生了巨大的轉(zhuǎn)變，多層鋼框架結(jié)構(gòu)在我國也獲得巨大的市場。很多的住宅、商場、工廠以及高檔寫字樓都開始應(yīng)用鋼框架結(jié)構(gòu)，而這些建筑在應(yīng)用鋼框架結(jié)構(gòu)后也展示出其良好的抗震性。不僅如此，鋼框架結(jié)構(gòu)的輕度更高，施工工期也更短，環(huán)保優(yōu)勢也更加突出，因此得到了設(shè)計和施工方更多的青睞。過于鋼結(jié)構(gòu)的國家規(guī)范是根據(jù)彈性反應(yīng)譜中得到的設(shè)計地震作用來設(shè)計結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，并采取適當(dāng)?shù)目拐鸾Y(jié)構(gòu)措施，以保證結(jié)構(gòu)安全。

與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，在相同載荷的情況下，鋼結(jié)構(gòu)的截面尺寸更小，厚度更薄。但是這一特點(diǎn)也導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)框架的穩(wěn)定性較差，失穩(wěn)成為鋼結(jié)構(gòu)破壞性災(zāi)難產(chǎn)生的主要原因之一?，F(xiàn)階段我們通常使用單個構(gòu)件推導(dǎo)整個結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的簡化算法，但在實踐中，梁和柱不以獨(dú)立構(gòu)件的形式存在，而是框架的一個組成部分。因此，鋼框架結(jié)構(gòu)中梁柱的設(shè)計必須對框架中各構(gòu)件的相互影響進(jìn)行仔細(xì)分析。傳統(tǒng)的穩(wěn)定性計算方法用于與假設(shè)相似的框架時，近似性很好，但用于與假設(shè)條件相差很大的框架，或者復(fù)雜的空間框架時容易出現(xiàn)較大誤差。而JGJ 99—2015《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中提出用二階效應(yīng)的方法對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行校核。

2 影響鋼框架整體穩(wěn)定性的非線性因素

一般情況下力學(xué)問題分為線性和非線性兩方面。對于線性問題其形變問題較小。在實際情況中若邊界不滿足方程特性，那么問題是非線性的，而影響承載能力的非線性因素主要包括以下幾個方面。

2.1 幾何非線性

這類問題的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)在加載過程中位移和旋轉(zhuǎn)較大，例如在解決屈曲等問題時將不再適用較小變形的幾何方程，這是因為屈曲問題解決時研究材料是非線性的，在大的位移和旋轉(zhuǎn)問題研究時應(yīng)變表達(dá)式中含有位移二次項，為充分考慮變形對平衡的影響，不能簡化為線性方程。

2.2 初始缺陷

在進(jìn)行實際鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計時，工程結(jié)構(gòu)中總會出現(xiàn)一些缺陷對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載力造成影響。鋼筋的幾何缺陷一般表現(xiàn)為初始彎曲和偏心值，初始缺陷一般為鋼筋的初始應(yīng)力參數(shù)和力學(xué)參數(shù)等。

2.3 殘余應(yīng)力

由于殘余應(yīng)力的存在會使壓彎構(gòu)件的屈服強(qiáng)度減小、剛度降低、變形增大，在沒有達(dá)到預(yù)定載荷時就發(fā)生屈服，減小構(gòu)件的承載能力，相應(yīng)導(dǎo)致二階效應(yīng)增大。

2.4 彎扭失穩(wěn)

為了讓鋼結(jié)構(gòu)框架的極限承載能力計算更加準(zhǔn)確，本文考慮的主要包括幾何非線性和材料非線性兩個方面，對這兩方面做出相關(guān)詳細(xì)分析。

對鋼框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的幾何非線性因素主要有P-O效應(yīng)和P-δ效應(yīng)這兩方面。構(gòu)件的彎曲引起了P-δ效應(yīng)，而構(gòu)件的剛體旋轉(zhuǎn)引起了P-O效應(yīng)。通常情況下P-O效應(yīng)和鋼框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性存在一定關(guān)聯(lián)，若出現(xiàn)不同的二階效應(yīng)，此時鋼結(jié)構(gòu)的幾何非線性一般由P-Δ效應(yīng)控制，而不是P-δ效應(yīng)。對于多層建筑的鋼結(jié)構(gòu)，具體的P-O效應(yīng)過程可描述為：當(dāng)結(jié)構(gòu)受到水平力時，會產(chǎn)生水平橫向位移。橫向位移導(dǎo)致載荷偏心，并會產(chǎn)生額外的彎矩。而產(chǎn)生的力矩會進(jìn)一步導(dǎo)致結(jié)構(gòu)橫向位移的增加。而對于非對稱結(jié)構(gòu)來說同樣存在扭轉(zhuǎn)問題，當(dāng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，垂直荷載的合力與抗側(cè)力構(gòu)件的軸線會偏心，也會導(dǎo)致扭矩增加。簡而言之，在垂直載荷的作用下在水平方向方使內(nèi)力和位移增加的現(xiàn)象叫作P-O效應(yīng)。若橫向增加的內(nèi)力和豎向載荷最終能夠處于平衡狀態(tài)，那結(jié)構(gòu)可以保持穩(wěn)定，否則會造成整體的失穩(wěn)。而對于高層鋼框架結(jié)構(gòu)來說，橫縱方向距離都較大，受到強(qiáng)風(fēng)力和地震的影響下水平方向發(fā)生位移，會導(dǎo)致豎向方向的二階效應(yīng)失穩(wěn)情況更加嚴(yán)重，所以在設(shè)計的過程中需要著重考慮位移產(chǎn)生的附加水平力的影響。

3 地震對建筑造成的危害

地震是一種自然災(zāi)害，在全世界每年都有成千上萬的地震，但大多數(shù)震級都太小，人類無法感受到，而大地震很難預(yù)測，在世界范圍內(nèi)造成了大量的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。一般來說，建筑抗震程序有四種：（1）建筑結(jié)構(gòu)體系。我國最常用的建筑結(jié)構(gòu)是填充框架結(jié)構(gòu)或框架結(jié)構(gòu)。地震發(fā)生時，柱頂在平面內(nèi)承受較大的剪切力，造成破壞，外墻框架柱也承受較大的剪切力，但也處于墻下受剪狀態(tài)。在剪力作用下，房屋不會直接坍塌，極大地提高了房屋安全性。（2）建筑物的剛度分布在矩形平面上，用于結(jié)構(gòu)的施工和布置，如地震產(chǎn)生的升力波會讓電梯的抗震力構(gòu)件發(fā)生轉(zhuǎn)動，嚴(yán)重時會引起構(gòu)件的變形，因此發(fā)生地震時不能使用電梯。（3）此外，對于平面不對稱的建筑，由于三角形、L形和鋸齒形結(jié)構(gòu)，在地震前會發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動。在使用土墻的過程中，由于地下水的過度使用和不透水路面的影響，地下水位可能會下降，土壤可能液化或松動，導(dǎo)致局部沉降，另外，如果軟鋁的一側(cè)較厚，地震可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞，并加劇損壞。（4）根據(jù)我國多次地震資料的統(tǒng)計，總結(jié)出以下規(guī)律：在抗震作用下，梁板受力嚴(yán)重；在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，窗下墻體在抗震作用下受到強(qiáng)烈沖擊，導(dǎo)致開裂；而在框架結(jié)構(gòu)中，承重柱比梁和墊片損壞更嚴(yán)重，地震發(fā)生后，混凝土結(jié)構(gòu)仍能得到較好的保護(hù)，基礎(chǔ)混凝土結(jié)構(gòu)未受到嚴(yán)重破壞，柱體仍具有較強(qiáng)的抗震能力。

4 建筑工程鋼結(jié)構(gòu)單層單跨框架現(xiàn)階段存在的問題

4.1 選址問題

現(xiàn)階段我國的城市人口正在不斷增長，為了提高城市人口的承載力，需要大量的住宅建設(shè)，許多開發(fā)商需要擴(kuò)大建設(shè)規(guī)模，我國部分不適合建設(shè)的地區(qū)也被用作建筑工地。如果沒有災(zāi)害，位置因素對建筑物沒有重大影響，但如果發(fā)生強(qiáng)烈地震，建筑物將會迅速遭到破壞，倒塌速度相對也較快。

4.2 結(jié)構(gòu)和材料問題

近年來，我國對建筑抗風(fēng)、抗震設(shè)計規(guī)范制定得非常詳細(xì)、明確，但在實踐中，為了減少材料的使用和建筑的尺寸，降低工程造價，節(jié)約成本，獲得更多收益經(jīng)濟(jì)個別施工企業(yè)經(jīng)常使用不適合工程施工的材料，或自覺降低施工成本和施工鐵的質(zhì)量。尤其是在鋼結(jié)構(gòu)和高層建筑中。一些設(shè)計者認(rèn)為鋼結(jié)構(gòu)有足夠的抗風(fēng)抗震能力來抵御危機(jī)，因此無需添加地震生成系統(tǒng)，建筑公司也以這種方式設(shè)計和建造的建筑物具有重大的安全風(fēng)險，通常會出現(xiàn)裂縫或其他問題。如果發(fā)生地震，部分節(jié)點(diǎn)由于不能承受突然的集中應(yīng)力而受損，導(dǎo)致整個建筑倒塌，居民沒有時間逃離建筑。

此外，一些設(shè)計者沒有充分考慮建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計，也不能考慮所有的設(shè)計細(xì)節(jié)，反而會忽略某些細(xì)節(jié)，留下不合理的設(shè)計或建筑結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，在發(fā)生災(zāi)害時，會對某些支撐結(jié)構(gòu)造成局部損壞，在失去支撐時會對整個建筑造成損壞。我國建筑業(yè)的快速發(fā)展，導(dǎo)致了建筑業(yè)對于鋼需求量的增長和價格的上漲，所欲有些建筑公司正在逐步的減少鋼的用量，這種方法從理論上講，不影響建筑物的正常使用，但建筑物的抗震性能會受到很大的影響，一旦遇到強(qiáng)震，建筑物會在較短的時間內(nèi)倒塌。

5 建筑工程鋼結(jié)構(gòu)單層單跨框架的抗震加固設(shè)計措施

5.1 選址方面

除了地震的影響外，建筑物震害的另一個重要因素是地震通過地基產(chǎn)生巨大的沖擊力，破壞建筑物的地基，導(dǎo)致建筑物倒塌，因此，在抗震施工技術(shù)中應(yīng)正確選擇地點(diǎn)。施工方案編制、現(xiàn)場調(diào)查、地質(zhì)條件和土壤類型、破碎度、粘度、含水量等必須嚴(yán)格執(zhí)行，仔細(xì)檢查選擇目標(biāo)區(qū)域，并選擇高強(qiáng)度的土壤施工場地，通過碾壓等技術(shù)獲得更高的壓實度和穩(wěn)定性。不利于建筑物抗震設(shè)計的地方，如液化土，要避開，施工時應(yīng)注意選址，并采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧?，以提高建筑物的抗震能力?/p>

5.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計方面

5.2.1 高層鋼結(jié)構(gòu)的定義

在目前的建筑技術(shù)中，高層鋼結(jié)構(gòu)無處不在，是建筑抗震的主要組成部分，鋼結(jié)構(gòu)體系是高層建筑的主體框架，可以大大提高建筑的抗震性能，目前我國大多數(shù)建筑都存在這種結(jié)構(gòu)。

5.2.2 疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震體系

橡膠隔熱體系是目前抗震結(jié)構(gòu)的最佳選擇，它具有廣泛的適應(yīng)性，可用于各種結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)。另外，該體系造價相對較低、抗震能力強(qiáng)，深受設(shè)計者的喜愛。經(jīng)過多年的實踐工作和室內(nèi)試驗，疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震體系在隔震系統(tǒng)的基礎(chǔ)上得到了很大的發(fā)展，有了更好的性能。首先，疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震體系具有很好的耐久性、較強(qiáng)的耐酸腐蝕性和抗氧化性，可長期保持完整，不受潮濕或其他腐蝕因素的影響；第二，橡膠基復(fù)合保溫材料的隔熱效果十分顯著，與其它常規(guī)地震系統(tǒng)相比，可以降低地震放大的強(qiáng)度，有大量的安全儲備，大大提高了安全性能。

5.3 建筑材料方面

在建筑抗震施工技術(shù)中，材料問題將直接影響建筑抗震性能，在施工過程中，應(yīng)充分重視施工方案的設(shè)計，材料的選擇、儲存和維護(hù)。應(yīng)根據(jù)以下條件選擇材料：應(yīng)在潮濕和多雨地區(qū)選擇耐腐蝕材料，金屬材料應(yīng)做防銹處理，在易下雨地區(qū)選用耐酸腐蝕材料，做好材料的儲存、分類和防止老化，改善材料性能，減少裂縫發(fā)生。

6 結(jié)語

在建筑施工過程中，應(yīng)特別注意施工和抗震施工，嚴(yán)格遵守國家有關(guān)規(guī)定，確保居民安全，采用科學(xué)的地震規(guī)劃方法，選用高性能原材料，提高建筑的安全性和抗震性能。