淺析鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　淺析鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)</b></p><p>　　【摘要】以保證生命安全為單一設(shè)防目標(biāo)的“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防水準(zhǔn)，盡管可預(yù)期做到大震時(shí)主體結(jié)構(gòu)不倒塌以保證生命安全，但仍可能導(dǎo)致中小地震作用下結(jié)構(gòu)喪失正常使用功能而造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失。本文分析了鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震研究現(xiàn)狀，提出了鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要求，探討了鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震措施。 </p>

2、<p>　　【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)現(xiàn)狀要求措施 </p><p>　　中圖分類(lèi)號(hào)：TU973+.31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： </p><p>　　在建筑結(jié)構(gòu)中,鋼結(jié)構(gòu)具有良好抗震性。鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)應(yīng)始終貫穿于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的各個(gè)階段, 它是鋼結(jié)構(gòu)建筑抗設(shè)計(jì)重要組成部分。在鋼結(jié)構(gòu)建筑體系的設(shè)計(jì)中要充分了解鋼結(jié)構(gòu)住宅的破壞機(jī)制以及和破壞過(guò)程, 靈活運(yùn)用鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則, 合理

3、地確定和解決結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的各種問(wèn)題。才能設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)、合理、安全適用的鋼結(jié)構(gòu)建筑。 </p><p>　　一、鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震研究現(xiàn)狀 </p><p>　　（一）結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)有兩類(lèi)途徑，一類(lèi)是對(duì)外荷載實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)跟蹤和預(yù)測(cè)，并通過(guò)作動(dòng)器對(duì)結(jié)構(gòu)施加控制力來(lái)改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，這就是通常所說(shuō)的主動(dòng)控制方法；另一類(lèi)是通過(guò)改善結(jié)構(gòu)本身的特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)變量的控制或優(yōu)化，改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。 <

4、/p><p>　?。ǘ┪覈?guó)現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，是以承載力為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，通常取結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)力特別是動(dòng)拉應(yīng)力為抗震設(shè)計(jì)時(shí)的控制指標(biāo)；但歷次震害表明，結(jié)構(gòu)破壞、倒塌的主要原因是變形過(guò)大，超過(guò)了結(jié)構(gòu)能承受的變形能力，因此在20 世紀(jì)90 年代，美國(guó)學(xué)者提出了基于位移的抗震設(shè)計(jì)以結(jié)構(gòu)的變形作為抗震設(shè)計(jì)時(shí)的控制指標(biāo)，要求結(jié)構(gòu)的變形值要滿(mǎn)足在地震作用下的變形要求。 </p><p>　　（三）我國(guó)采用的設(shè)計(jì)

5、反應(yīng)譜是采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算的基礎(chǔ)，由大量地震反應(yīng)譜的統(tǒng)計(jì)平均確定。盡管地震反應(yīng)譜的計(jì)算理論是經(jīng)典的，只要地震記錄準(zhǔn)確，獲得的地震反應(yīng)譜也將準(zhǔn)確，但是由于地震記錄計(jì)算的地震反應(yīng)譜在長(zhǎng)周期段將不真實(shí)。而高層建筑鋼結(jié)構(gòu)自振周期較大（如金茂大廈、地王大廈等），地震反應(yīng)譜長(zhǎng)周期段的錯(cuò)誤對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的影響將較大，因此對(duì)于長(zhǎng)周期段的反應(yīng)譜還有待于進(jìn)一步研究。另外，鋼結(jié)構(gòu)自身阻尼比較小，按現(xiàn)行抗震規(guī)范的計(jì)算方法，在考慮結(jié)構(gòu)延性以后

6、地震作用力減小的同時(shí)又因阻尼比降低而加大。上述兩個(gè)原因使得鋼結(jié)構(gòu)用鋼量偏高。 </p><p>　　二、鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要求 </p><p>　?。ㄒ唬?duì)鋼材性能的要求 </p><p>　　鋼結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)符合下列規(guī)定： </p><p>　　1、抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的鋼材宜采用等級(jí)為B 級(jí)的Q235 碳素結(jié)構(gòu)鋼和Q345 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，其質(zhì)量應(yīng)

7、分別符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《碳素結(jié)構(gòu)鋼》和《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》的規(guī)定。當(dāng)有可靠根據(jù)時(shí)，也可以采用其它鋼種和鋼號(hào)的鋼材。其性能應(yīng)符合下列要求： </p><p>　?、黉摬牡目估瓘?qiáng)度與屈服強(qiáng)度的實(shí)測(cè)值之比不應(yīng)小于1.2； </p><p>　?、阡摬牡纳扉L(zhǎng)率應(yīng)大于20%，且應(yīng)有明顯的屈服臺(tái)階； </p><p>　?、垆摬膽?yīng)有良好的焊接性和合格的沖擊韌性； </p>

8、;<p>　?、芷闹慰蚣苤械暮哪苓B梁不得采用屈服強(qiáng)度高于345N/mm2的鋼材。 </p><p>　　2、采用焊接連接的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)板厚不小于40mm，且沿板厚方向承受拉力作用時(shí)，應(yīng)對(duì)該部分鋼材提出沿厚度方向受拉試件破壞后的斷面收縮率的附加要求，該值不得小于現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《厚度方向性能鋼板》（GB/T5313）規(guī)定的Z15 級(jí)的容許值。 </p><p>　　3、用于抗震設(shè)計(jì)

9、類(lèi)別C 類(lèi)以上的抗側(cè)力體系鋼結(jié)構(gòu)中的所有坡口全熔透焊縫的填充金屬，其零下30℃的夏比沖擊功應(yīng)大于或等于27J。 </p><p>　?。ǘ?duì)結(jié)構(gòu)布置的要求 </p><p>　　1、建筑設(shè)計(jì)應(yīng)符合抗震概念設(shè)計(jì)的要求，不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案。即在進(jìn)行房屋的平、剖、立面設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)體系布置時(shí)，應(yīng)盡可能做到房屋體形簡(jiǎn)單、平面規(guī)則對(duì)稱(chēng)，同時(shí)房屋中抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的布置應(yīng)盡可能的均勻、對(duì)稱(chēng)，使房屋各

10、樓層的總體剛度中心盡可能與樓層的質(zhì)量中心相重合或相接近，并應(yīng)盡可能使房屋的剛度和質(zhì)量沿豎向均勻連續(xù)、沒(méi)有突變。 </p><p>　　2、鋼結(jié)構(gòu)房屋宜避免采用不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)方案，不設(shè)防震縫。若房屋必須采用比較復(fù)雜的平面形狀時(shí)，則宜用防震縫將房屋劃分為幾個(gè)平面規(guī)則、對(duì)稱(chēng)的獨(dú)立單元，為了避免地震時(shí)各部分之間相互碰撞，防震縫的寬度應(yīng)不小于相應(yīng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋的1.5 倍。 </p><p>　

11、　（三）對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求 </p><p>　　1、在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)建筑的抗震設(shè)防類(lèi)別、抗震設(shè)計(jì)烈度、建筑高度、場(chǎng)地條件、地基、結(jié)構(gòu)材料和施工等因素，經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和使用條件綜合比較，選擇合適的結(jié)構(gòu)體系。 </p><p>　　2、結(jié)構(gòu)體系應(yīng)有明確的計(jì)算簡(jiǎn)圖和合理的地震作用傳遞途徑，可考慮多道抗震防線。宜使結(jié)構(gòu)在兩個(gè)主軸方向的動(dòng)力特性相近，并盡量使其基本自振周期遠(yuǎn)離場(chǎng)地的特征周期，以

12、防止共振，減小地震作用。 </p><p>　　3、應(yīng)避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載能力。例如，框架結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)成強(qiáng)柱弱梁型，以防止在強(qiáng)烈地震作用下倒塌。 </p><p>　　4、結(jié)構(gòu)應(yīng)具有必要的抗震承載力、良好的變形能力和消耗地震能量的能力。例如，為避免傳統(tǒng)的梁柱剛性節(jié)點(diǎn)發(fā)生脆性破壞，可采用在節(jié)點(diǎn)附近削弱梁翼緣截面的辦法，或采用在節(jié)點(diǎn)處設(shè)置加強(qiáng)梁段的

13、辦法，使梁中承受最大應(yīng)力的截面離開(kāi)梁柱接觸表面，充分發(fā)揮塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力和消耗地震能量的能力。偏心支撐框架中的耗能連梁具有相似的能力。 </p><p>　　5、對(duì)可能出現(xiàn)的薄弱部位，應(yīng)采取措施提高抗震能力。例如，應(yīng)體現(xiàn)強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的設(shè)計(jì)思想，避免諸如支撐的連接節(jié)點(diǎn)先于桿件破壞所引發(fā)的震害。 </p><p>　　6、應(yīng)體現(xiàn)大震不倒、小震不壞的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)，采用多遇地震時(shí)按彈性設(shè)計(jì)、罕遇地震時(shí)

14、按彈塑性進(jìn)行變形驗(yàn)算的二階段設(shè)計(jì)方法進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。在進(jìn)行小震設(shè)計(jì)時(shí)，阻尼比較小，可取為0.02；大震驗(yàn)算時(shí)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，阻尼比增大，可取0.05。 </p><p>　　三、鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震措施 </p><p>　?。ㄒ唬?選擇對(duì)建筑抗震有利的場(chǎng)地和地基 </p><p>　　場(chǎng)地影響了鋼結(jié)結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng), 鋼結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)大小決定了鋼結(jié)構(gòu)的震害。因此在抗震設(shè)計(jì)的時(shí)

15、候應(yīng)選擇堅(jiān)硬的中硬土場(chǎng)地, 當(dāng)實(shí)在無(wú)法避開(kāi)不利的或者危險(xiǎn)的場(chǎng)地的時(shí)候,應(yīng)采取補(bǔ)救措施。 </p><p>　　（二）選擇合理的結(jié)構(gòu)總體布置 </p><p>　　1、建筑形狀力求規(guī)則形狀。較簡(jiǎn)單建筑物由于受力性能明確, 遭受地震時(shí)破壞很輕。在抗震設(shè)計(jì)時(shí)要求建筑形狀規(guī)則,結(jié)構(gòu)要求對(duì)稱(chēng), 來(lái)減小質(zhì)量中心和剛度中心的偏離。 </p><p>　　2、強(qiáng)度以及剛度應(yīng)連續(xù)變化

16、。抗震結(jié)構(gòu)的剛度、承載力在樓層平面內(nèi)應(yīng)均勻,沿結(jié)構(gòu)堅(jiān)向應(yīng)連續(xù)并且均勻。 </p><p>　?。ㄈ┻x擇合理的抗震結(jié)構(gòu)體系 </p><p>　　在鋼結(jié)構(gòu)房屋中用的較多的結(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)等。純框架結(jié)構(gòu)延性好，抗震性能好，但由于抗側(cè)剛度較差，不宜用于層數(shù)太高的建筑?？蚣? 中心支撐結(jié)構(gòu)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，

17、耗散的地震能量有限，抗震性能不如純框架。框架- 偏心支撐結(jié)構(gòu)可通過(guò)偏心連梁的剪切屈服，耗散地震能量，同時(shí)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)。采用能與鋼框架抗側(cè)剛度相匹配的內(nèi)藏鋼板剪力墻和帶豎縫剪力墻代替支撐，可構(gòu)成框架- 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(dāng)房屋剛度更高時(shí)，可采用沿建筑周邊設(shè)置密柱深梁框架構(gòu)成的框筒結(jié)構(gòu)?？蛲步Y(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度大，并具有較好的抗震性能。 </p><

18、p>　　（四）鋼結(jié)構(gòu)框架的消能、隔震措施 </p><p>　　傳統(tǒng)的防震觀點(diǎn)是要求結(jié)構(gòu)具有一定的抗震性能，在這方面有兩種思維方式：一是提高結(jié)構(gòu)的剛度來(lái)抵抗地震作用，另一種是采用允許結(jié)構(gòu)有一定的柔性變形，從而使其在變形過(guò)程中吸收、釋放一定的能量。在不增加重量、不改變剛度的前提下，提高總體強(qiáng)度和剛度是兩個(gè)有效的抗震途徑。而現(xiàn)在以及今后建造的鋼結(jié)構(gòu)框架將是越來(lái)越多的坐落在高烈度地區(qū)，這樣就迫使設(shè)計(jì)人員要從另一個(gè)

19、方面來(lái)考慮―――減震消能。對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)有重要影響的主要有兩個(gè)因素：（1）結(jié)構(gòu)物的基本周期；（2）阻尼比。當(dāng)采用消能機(jī)構(gòu)后基本都在很大程度上延長(zhǎng)了建筑物的基本周期，從而避開(kāi)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(qiáng)自復(fù)位能力。對(duì)阻尼器的要求：第一，在小振幅的振動(dòng)下，呈線性反應(yīng)，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(qiáng)烈振動(dòng)時(shí)，阻尼器的一部分可以失效，從而允許大變位和大阻尼，以達(dá)到隔震目的；

20、第三，隔振阻尼裝置的豎向剛度遠(yuǎn)大于其水平剛度。 </p><p><b>　　【參考文獻(xiàn)】 </b></p><p>　　[1] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部．建筑抗震設(shè)汁規(guī)范[s]．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2006．34～45. </p><p>　　[2] 陳小峰,鄧開(kāi)國(guó),郝際平.關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的探討[J]. 建筑結(jié)構(gòu). 2009(S1) &