大型鋼結構的防震性能研究

摘 要：為了提升大型建筑的支撐穩定性，本文提出了一種基于桁架結構的大型鋼結構設計方案。依托這種結構設計，給出了施工過程中的優化流程。進一步，分別從虛功、增量、自振3個角度建立了3種數學模型，對大型鋼結構的震動響應進行分析，并給出了詳細的解算過程。測試試驗過程中，針對大型商場內的大型鋼結構進行防震性能測試，證實了第三模型的分析效果最佳，也發現了第5個測試點位上的震動響應最劇烈，需要進行加固處理。

關鍵詞：建筑工程；結構安裝；鋼結構；震動破壞

中圖分類號：TU 391 " " 文獻標志碼：A

我國經濟發展迅猛，帶動了科學技術的飛速發展和各行各業的快速進步。在建筑工程領域，我國在設計理念、結構合理性、結構安全性、施工方法、材料選擇等多個角度獲得了迅猛的發展[1]。尤其在城鎮化建設的過程中，各種大規模、超大規模建筑開始出現。這些建筑不僅覆蓋面積大，而且高度高，形成了許多超高層建筑。這些建筑不僅成為城市地標和名片，也是我國建筑工程技術發展成就的縮影。新型建筑的出現增加了建筑的內容量，成為大型商業活動和社會活動的關鍵場所[2]。在這些建筑內部，人流密集度高，從而對建筑物的安全性也提出了更高的要求。為了更好地提升新型建筑的安全性，強度更高的鋼結構被廣泛采用。為了適應新型建筑覆蓋面積大的特點，鋼結構被不斷拓展，形成了大型鋼結構。大型鋼結構的跨度更大，所需要的鋼結構件數量更多，各種鋼件之間的有效連接，直接決定了其抵抗震動和破壞的能力[3]。本文以此為出發點，探究建筑工程中大型鋼結構抵抗震動的能力。

1 大型建筑內大型鋼結構的結構設計

現代化的大型都市分布著數量眾多的大型建筑。這些建筑不僅絕對高度高，而且覆蓋面積大、內部容納空間大，這就需要高強度的支撐以保證整個建筑的安全性和穩定性。為了支撐大型建筑的超大覆蓋面積，就需要支撐結構具有更大的跨度，對一般的支撐結構都提出了較大的挑戰。

鋼結構本身具有更高的強度，對包括震動在內的各種破壞作用具有更強的抵抗能力，因此廣泛應用于高安全性的建筑施工中。但是，鋼結構構件在加工中很難保證具有超長的跨度，從而無法達到對覆蓋面積有效的保證。為了增加鋼結構的跨度，本文采取了一種桁架結構，這種桁架結構的設計效果如圖1所示。

針對大型建筑中的鋼結構，本文采取了一種桁架式的設計模式。這種桁架結構的核心構件是鋼質材料的桁架桿。每2個桁架桿或多個桁架桿之間通過鉸鏈連接。在鉸鏈的鏈接作用下，各個桁架桿彼此之間形成了相互支撐，從而達成了整個鋼結構的穩定性。

這樣的設計模式對施工來說具有更大的便利性，每一個桁架桿的長度不需要特別長，不僅容易制造，本身的強度高，也便于安裝和施工。通過鉸鏈的固定和支撐作用，多桁架桿結構可以便利地向各個方向延展，圖1中給出了4個可能的延展方向。實際上，圖1給出的是二維平面的示意圖，當具體到真實安裝環境中，桁架結構可以向三維空間的任意范圍內延展施工，以滿足建筑工程的實際需要。這種延展也最大限度地擴大了鋼質桁架結構的覆蓋范圍。

為了達成更高的穩定性和安全性，僅采用鋼質桁架桿還不夠，還需要在安裝施工中逐步進行檢測、加固和優化，具體流程如圖2所示。

在鋼質桁架結構的設計、安裝過程中，除了結構形態上的設計以外，還需要從整體和局部上充分考慮每一個桁架桿所承擔的受力。這樣，就可以根據受力的波動情況，計算桁架桿的最小安全截面。此外，在承擔大型建筑的支撐作用過程中，桁架結構是否會出現位移，位移趨勢和位移的大小是否會構成對鋼結構整體的影響。這里還需要考慮的一個問題就是鋼結構本身的自重是否會引起整體下沉或過大的重力載荷。因此，對桁架桿的質量優化也很關鍵，當然前提是鋼結構能夠完成支撐作用。最后，一個最重要的安全問題就是在存在外部震動威脅的情況下，鋼桁架結構是否會發生共振，是否足以抵抗這種震動破壞，這就依賴對防震性能的分析。

2 大型建筑內大型鋼結構的防震性能分析

對大型鋼結構來說，結構設計的合理性和施工過程的安全性足以保證大型建筑的有效支撐。因此，大型建筑內大型鋼結構的安全風險最可能由外部的震動所導致，例如周圍建筑拆除中的爆破、自然災害中的地震等。

各種震動情況出現后，會直接引發大型建筑的某些指標發生震動響應，從而出現變化。這些指標又會引發其他指標的間接變化。直接指標和間接指標變化量的比值稱為震動敏感性，反映了建筑結構對外部震動的響應，也是防震性能分析的有效途徑。

為了有效地評估外部震動對大型建筑內大型鋼結構的影響，一般可以采用3種方法：第一模型法，即虛功模型法；第二模型法，增量模型法；第三模型法，自振模型法，如圖3所示。

大型鋼結構設計變量較多，如果在優化過程中計算每一個設計變量的敏感性系數，整個優化過程將耗費大量時間，且對整體結構優化來說，精確到構件層級的敏感性分析并不具有必要性，可通過概念判斷或工程經驗將設計變量分成組。

針對不同組的設計變量，如果設計變量改變量相等，那么對敏感性系數的比較可以轉換為對約束條件改變量的比較。等增量敏感性就是指不同構件組增加相同成本，引起某約束條件的變化量。通過比較約束條件的變化量，可判斷各構件組的敏感性。如果約束條件改變量為正，那么構件組的敏感性系數為正；如果約束條件改變量為負，那么構件組的敏感性系數為負；如果約束條件改變量為零，那么構件組對約束條件不產生影響。

虛功敏感性系數分析法通過虛功原理等數學、力學方法推導建立設計變量和約束條件之間的顯式關系，再求出約束條件對某設計變量的偏導，即敏感性系數。可提取結構模型的真實工況和虛擬工況下構件受力、構件尺寸及材料參數，還可以通過編程計算單根構件敏感性系數，再對同一構件組進行敏感性系數的加權平均（權重為構件成本或體積）。程序僅運行1次即可獲得約束敏感性。

增量敏感性分析方法對不同構件組增加成比例的成本或體積，利用通用結構分析軟件比較約束條件的變化量，以此判斷各構件組的敏感性。構件分組越精細，計算結果越精確；但分組越精細，計算模型越多，耗費的時間也越長，因此要結合考慮工程需要和計算結果準確度等因素，合理確定構件分組的數量。

2.1 第一模型法

第一模型法，即以震動過程中鋼結構的虛功為核心參量進行分析的一種方法。在分析過程中，將大型建筑內大型鋼結構的各種設計變量對應成約束條件，再基于它們建立一種虛功模型。首先，給出模型對每一個指標的敏感性分析公式，如公式（1）所示。

（1）

式中：i為在震動過程中可能會對大型建筑內大型鋼結構產生破壞的第i個因素；k為在震動過程中可能會對大型建筑內大型鋼結構產生破壞的第k個因素；sik為第k個因素出現危險以后第i個因素也會出現風險的概率，也就是虛功模型中的敏感性；Δgi為大型建筑內大型鋼結構第i個因素的改變量；Δvk為大型建筑內大型鋼結構第k個因素的改變量。

實際解算過程中，公式（1）不利于求解，可以采用轉化形式求解，如公式（2）所示。

（2）

式中：dgi為大型建筑內大型鋼結構第i個因素的改變量所對應的微元；dvk為大型建筑內大型鋼結構第k個因素的改變量所對應的微元。

至此，可以得到在外部震動影響下，大型建筑內大型鋼結構被引發的內部虛功，如公式（3）所示。

δWe=δWi （3）

式中：δWe為外部震動引發的實際功率；δWi為大型建筑內大型鋼結構被引發的內部虛功。

也可以由此計算到大型鋼結構中桁架桿的每一個震動反應，如公式（4）所示。

（4）

式中：δWe為外部震動引發的實際功率；k為在震動過程中可能會對大型建筑內大型鋼結構產生破壞的第k個因素；P為大型建筑內大型鋼結構的構件總數；ek為大型建筑內大型鋼結構的第k個構件。

2.2 第三模型法

在外部震動的影響下，大型鋼結構可能會隨之產生諧振，這是內部固有震動和外部震動相互相應的結果，如公式（5）所示。

（5）

式中：ω為大型建筑內大型鋼結構的固有頻率；W為大型建筑內大型鋼結構的虛功；M為大型建筑內大型鋼結構的質量；?為大型建筑內大型鋼結構的振型。

3 大型建筑內大型鋼結構的防震測試

為了驗證前述的第一模型法、第二模型法、第三模型法對外部震動引發的大型建筑內大型鋼結構的防震性能的分析，進行測試。

公式（1）中，sik代表的是第k個因素出現了危險后第i個因素也會出現風險的概率，也就是虛功模型中的敏感性。按照第一模型法的公式（1），如果外部震動導致了大型建筑內大型鋼結構第i個因素（例如Δgi為垂直位移）為0.42mm，導致了型建筑內大型鋼結構第k個因素（例如Δvk代表垂直位移）為1mm，那么根據第一模型法計算出的震動敏感性sik==0.42/1=0.42。

這里，針對一大型商場內的大型鋼結構展開測試，在其上隨機選擇5個測試點位，安裝震動測試傳感器，進而分別利用3種模型的方法計算外部震動引發的鋼結構的震動敏感性，對比結果如圖4所示。

仍然以第一模型法的震動敏感性計算為例，位置1處的振動敏感性為0.42。在位置2處，外部震動導致了大型建筑內大型鋼結構第i個因素（例如Δgi為垂直位移）為0.45mm，導致了型建筑內大型鋼結構第k個因素（例如Δvk為垂直位移）為1mm，那么根據第一模型法計算出的震動敏感性sik==0.45/1=0.45。以此類推，分別可以計算出位置3處的震動敏感性為0.54，位置4處的震動敏感性為0.58，位置5處的震動敏感性為0.60。

由圖4可知，3種方法都可以在各自的測試點位上得到大型鋼結構震動敏感性的測試數據，其中第三模型法即考慮自振的分析方法可以得到更大的敏感性測試結果，這證明了第三模型法更有效。

通過5個測試點位的對比也可以看出，第五個點位上的震動響應最明顯，這也是大型鋼結構最需要加固的位置。

4 結語

在城鎮化建設的過程中，各種大規模、超大規模建筑開始出現。這些建筑不僅覆蓋面積大，而且高度高，形成了許多超高層建筑。新型建筑增加了建筑的內容量，成為大型商業活動和社會活動的關鍵場所。在這些建筑內部，人流密集度高，從而對建筑物的安全性也提出了更高的要求。為了更好地提升新型建筑的安全性，強度更高的鋼結構被廣泛采用。為了適應新型建筑覆蓋面積大的特點，鋼結構被不斷拓展，形成了大型鋼結構。大型鋼結構的跨度更大，所需要的鋼結構件數量更多，各種鋼件之間的有效連接直接決定了其抵抗震動和破壞的能力。本文給出了基于桁架桿+鉸鏈的結構設計以及施工過程中的優化流程，進一步通過3種模型法對大型建筑內的大型鋼結構對外部震動的響應進行計算。測試結果證實了第三模型法得到的效果最佳。

參考文獻

[1]李國強，張潔.上海地區高層建筑采用鋼結構與混凝土結構的綜合經濟比較分析[J].建筑結構學報，2020，21（2）：5.

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[3]趙天任，章青，李朋飛，等.基于點云的鋼結構模塊分層建造誤差檢測方法[J].激光與光電子學進展，2024，61（22）：44-51.