建筑鋼結構抗震設計及優化策略

楊廣磊

（山東華邦建設集團有限公司，山東 濰坊 262500）

0 引言

鋼材料相較于傳統混凝土材料具有多方面的優勢，如質量較輕、較理想的彈塑性、較突出的機械性、可循環利用。正是憑借著以上諸多優勢，鋼結構建筑已經廣泛應用于很多行業，尤其是工廠建設中。經過多年應用，鋼結構建筑另一優勢逐漸顯現出來——抗震性。在設計鋼結構建筑時，需要嚴格遵守國家規范標準，將抗震結構設置方式和方法明確，從而最大限度地保障建筑鋼結構的安全性。在相同荷載中，鋼結構構件比傳統鋼筋混凝土結構界面尺寸小、厚度薄，這是其突出的優勢。但是鋼結構也可能受到多方面因素影響發生穩定性不足、結構失穩等不良現象。為了妥善處理鋼結構失穩問題，設計人員需要深入分析每個構件，進而推演整個結構穩定性，提高計算準確性，保證整體鋼結構設置科學合理。設計人員需要重點設計好梁柱等主要結構，加強研究鋼結構構件之間相互關系和影響程度，對是否存在較高失穩問題進行客觀準確的判斷[1]。本文對鋼結構抗震設計與優化方法進行介紹。

1 鋼結構失穩類別及原因分析

1.1 鋼結構失穩類別

（1）分支點失穩。該類型主要是由于沒有合理設計分支點結構而導致鋼結構整體穩定性不足。鋼結構建筑有著一定的荷載，如果實際荷載超出最大承載力，就會打破受力平衡，破壞鋼結構穩定性。

（2）極值點失穩。該問題常常出現在異形結構或者非對稱結構建筑中，偏心受壓鋼結構承載能力無法滿足實際要求，導致穩定性不足發生變形、失穩等現象。

（3）躍越失穩。扁平拱結構出現躍越失穩的概率較大。扁平拱結構在受到外部荷載后其穩定性呈現上升趨勢，但是隨著荷載加大，會發生跳躍式變化。比如受壓到受拉的轉變，導致打破原有平衡結構，鋼結構發生失穩情況，威脅建筑安全。可見，鋼結構穩定性很大程度上受到荷載的影響，只有將鋼結構承載能力準確地計算確定，科學預測構件屈曲后性能變化趨勢，合理設計鋼結構穩定性，才能保證整體建筑的性能[2]。

1.2 鋼結構失穩原因分析

（1）設計人員沒有深入考察施工現場實際情況，沒有充分了解影響建筑鋼結構穩定性的現場因素，僅僅依靠勘查資料和以往的經驗開展設計工作，導致鋼結構性能無法達到標準要求，設計方案可能和建筑運行需求難以相符合，增加了鋼結構失穩的概率，導致一旦發生地震災害建筑鋼結構會發生變形、坍塌等嚴重事故。

（2）設計人員缺乏足夠的專業能力和責任心，在設計中沒有嚴格落實鋼結構設計規范標準中的要求，沒有全面掌握鋼結構失穩的原因，沒有采取針對性的應對措施，導致一旦遇到地震災害建筑鋼結構整體穩定性不足。

（3）鋼結構穩定性還會受到防火性能、防腐性能等多方面因素的影響。想要保證地震災害發生時建筑鋼結構穩定性，不但要提高抗震能力，還要從鋼結構防火性能、防腐性能等多方面進行優化，通過全面考慮、協同設計，確保鋼結構整體穩定性提高，在地震災害來臨時不會快速坍塌，釀成嚴重災害[3]。

2 鋼結構設計穩定性原則

2.1 保證結構穩定

建筑鋼結構設計有著較高的難度，任何一項因素考慮不到位都有可能引發結構失穩現象。為此，在鋼結構設計時要加強和相關部門溝通，全面考慮各種影響因素，加強現代信息技術的應用，加強對業主方真實需求和施工方技術水平的了解，提高設計方案可行性、科學性，盡量降低數據誤差。為保證建筑鋼結構的穩定性設計，可以利用BIM等先進的軟件輔助設計，通過不斷改進優化得到最佳的設計方案。

2.2 不規則建筑鋼結構的穩定性

隨著鋼結構的不斷發展，建筑行業涌現出越來越多的不規則建筑。在鋼結構建筑中，斜柱的應用能夠從很大程度上提高鋼結構建筑的美觀性，但是同時也增加了鋼結構穩定性設計的難度。設計人員需要將斜柱的位置清晰地標注在設計圖紙上，對斜柱水平方向、垂直方向受力情況以及構件所受壓力情況進行科學計算和準確分析，通過不斷完善設計方案平衡斜柱受力情況，進而提高鋼結構整體穩定性[4]。

2.3 遵循強柱弱梁

一旦發生地震災害，建筑物會受到極大的外界應力，這種應力會嚴重破壞梁柱結構，當柱子的損傷較為明顯時整個建筑也會坍塌。為了避免建筑坍塌，需要按照強柱弱梁的原則進行建筑鋼結構設計和建造。通過這種方式可以減少柱子承擔上部重量造成的壓力，能夠分散荷載，可以將塑性鉸出現于梁上，避免柱子第一時間受到破壞，這符合建筑抗震設計要求。在發生地震時柱結構堅持的時間越長建筑整體穩定性越強，越不容易發生變形、坍塌等問題，越能夠保證內部人員安全[4]。

3 鋼結構抗震設計方法的應用

3.1 抗震計算方式

可以用底部剪力方法計算建筑鋼結構的抗震情況。如果鋼結構有著較高的整體高度，那么計算過程中可以采用分解反應譜法。設計人員需要對工程所在區域具體抗震要求進行確定，通常在4～6級抗震等級要求的地區可以根據具體規范中的標準合理設置建筑，要注意考慮建筑物自身情況和當地地質情況，確保設計抗震強度能夠和實際標準需求相符合。設計人員還要分析建筑場地類型，根據當地抗震設防烈度要求明確抗震方法。如果是丙類建筑物則需要采取降度處理建筑設計方案。在計算地震作用過程中需要計算重力荷載代表值，用恒荷載標準值加活荷載組合值確定最終荷載值。其中，活荷載的組合值系數為0.5，各結構具體活荷載組合值系數也為0.5，屋面部分的活荷載數值并不記入其中[5]。

3.2 水平地震影響系數

在確定建筑鋼結構地震影響系數過程中需要充分考慮各方面的情況，比如結構自振周期、阻尼比、設計地震分組等。在研究系數時要分析最大值，合理選取數據信息，保證精準的計算結果。在選擇特征周期數據中需要根據地震情況合理分組，確定工程場地類別。如果場地有著較高的抗震設防烈度級別，可以按照0.05s特征周期進行計算[6]，如表1、表2。

表1 水平地震影響系數最大值

表2 時程分析時低著加速度最大值

3.3 荷載設計

對稱、貫通形式的鋼結構不規則形態設計具有更好的地域扭曲變形的效果，設計人員在設計中需要將鋼結構基準線明確，對影響鋼結構穩定性的因素加強考慮并且采取有效的應對辦法，將結構設計質量提高。具體實踐中還要加強特殊情況的考慮分析，比如不動鉸支座可以避免梁位移現象，能夠保證梁在平面內轉動，但是僅僅考慮這一方面無法均衡鋼結構受力情況，還要注意避免其他不良問題發生。應當設置梁繞縱軸扭轉阻止構件，同時保證梁端界面自由翹曲確保鋼結構穩定性，保證更加精準地計算結果，提高鋼結構整體穩定性。

3.4 防火設計

第一，要考慮鋼結構彈性變形，對溫度升高后鋼結構膨脹情況以及降溫后鋼結構的形狀變化進行細致的分析。第二，要重點考慮塑性變形。在溫度變化后鋼材可能會產生永久變形無法恢復原狀。在建筑鋼結構抗震設計中需要明確防火材料和防火涂料等級，從實際情況出發保證和實際要求相符合，有力控制地震時期伴發的火災等問題對建筑產生的影響。

3.5 防腐設計

鋼材長時間接觸空氣、水分后可能出現生銹、腐蝕等問題，導致鋼材性能降低，一旦發生地震災害會出現變形、坍塌等問題。為此，要高度重視鋼材的防腐防銹處理。在防腐處理中，要加強當地氣候條件、地理情況、水文環境等因素的考慮，結合經濟成本，做好鋼材防腐計劃的編制。永久性涂裝和非永久性涂裝是常用兩種鋼材防腐方式，其中非永久性涂裝需要在后期通過維修保養進一步提高鋼結構防腐性能[7]。

4 鋼結構抗震性能優化設計建議

4.1 合理選擇建筑場地

為了提高建筑抗震性能，一方面要充分掌握當地水文、地質等信息，對所在區域是否處于地震帶進行確定，合理選擇鋼結構建筑場地。另一方面，在復雜區域建設鋼結構建筑時，深入分析研究該地區以往發生災害的基礎上做好應對方案的編制，并且將抗震結構優化，最大程度地減少地震災害對鋼結構產生的威脅[8]。

4.2 合理選擇鋼結構類型

建筑鋼結構有著豐富且多元化的抗震體系，所以在確定鋼結構建筑類型中需要綜合分析建筑高度、使用材料等內容，科學選擇施工工藝，保證鋼結構類型和當地抗震等級要求一致，為后期順利開展鋼結構建筑建設創造有利條件。

4.3 抗震裝置及措施設計

在建筑鋼結構抗震設計中需要特別關注重點構件和節點，加強優化細節問題，將建筑鋼結構整體抗震性能提高，將地震災害產生的風險因素盡可能地減少。同時，應當加強研究和優化減震隔震技術，提高建筑鋼結構抗震能力的同時優化建筑結構體系。比如可以合理應用阻尼器（如圖1），科學設置減震構件，保證在發生地震災害時構件能夠吸引和消化地震能量，達到減震的效果。

圖1 抗震阻尼器

4.4 材料選擇

施工材料在很大程度上影響建筑鋼結構施工質量。市場上的建筑材料質量魚龍混雜，采購時對產品性能及質量了解不深入，入場抽樣檢查、材料保管不到位等原因，導致使用的材料存在質量問題。因此需要從產品采購、質量檢查、材料保管等多個環節加強材料質量控制，確保材料能夠滿足鋼結構建筑的質量需求。設計人員還要科學地分析受力情況，平衡好各個結構部分、各種材料的受力情況，對鋼材的受力性能認真檢查。合理選用焊接工藝，加強焊接質量檢查，確保有機地連接各個構件。保證一旦發生地震能夠迅速分散各種應力，提升鋼結構建筑的總體承載力，確保建筑抗壓、抗拉能力達標，均衡受力情況，提高建筑鋼結構整體安全性。

5 結束語

建筑鋼結構抗震性能直接關系著建筑內生命財產安全。為了提高建筑鋼結構的整體抗震能力，需要優化建筑鋼結構設計水平，做好場地選擇以及鋼結構抗震類型選擇，同時還要科學展開鋼結構的抗震計算等，以保證鋼結構的抗震設計能夠達到預期目標，切實強化鋼結構建筑抗震性能，從而保證建筑物的安全性以及穩定性。