曾 青

中冶南方工程技術(shù)有限公司

鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)分析方法概述

曾 青

中冶南方工程技術(shù)有限公司

對(duì)于當(dāng)前城市化進(jìn)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(jié)構(gòu)作為一種新型的建筑形式，在高層建筑的穩(wěn)定性和可靠性方面有著非常重要的實(shí)用價(jià)值，這也是進(jìn)行高層建筑設(shè)計(jì)中鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的應(yīng)用保障。本文將結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)建筑的基本概述，對(duì)如何有效提升高層鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震設(shè)計(jì)做深入的探討，以供參考。

高層；鋼結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計(jì)；分析

1 前言

在現(xiàn)代的建筑施工中，環(huán)境保護(hù)和建筑材料的升級(jí)，逐漸的成為建筑行業(yè)發(fā)展的新課題。鋼結(jié)構(gòu)作為一種新型的建筑形式，一起輕盈的靈活拼接形式，在現(xiàn)代建筑施工中得到了廣泛的應(yīng)用。而且從建筑成本和施工環(huán)境保護(hù)方面也與傳統(tǒng)的建筑形式相比有很大的優(yōu)勢(shì)，成為城市化進(jìn)程中建筑行業(yè)發(fā)展的一個(gè)新向標(biāo)。特別是對(duì)于人口高度密集的城市來說，建筑結(jié)構(gòu)是否具有牢固性和穩(wěn)定性，是人民較為關(guān)注的問題，鋼結(jié)構(gòu)自身良好的穩(wěn)定性使其大量的在人口密集區(qū)域的公共設(shè)施建設(shè)中得到運(yùn)用。特別是在地震發(fā)生的情況下，能夠盡可能的降低災(zāi)害導(dǎo)致的人身及財(cái)產(chǎn)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(shè)計(jì)中，加強(qiáng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)抗震性能的設(shè)計(jì)與分析。

2 建筑鋼結(jié)構(gòu)的相關(guān)概述

鋼結(jié)構(gòu)在建筑行業(yè)中的應(yīng)用范圍來說，主要是在現(xiàn)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(qū)域，比如：橋梁、會(huì)所、商場(chǎng)、大興體育場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)及高鐵站等都有鋼結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用。隨著建筑高層化的發(fā)展模式進(jìn)展，鋼結(jié)構(gòu)以其良好的抗震性能也得到了重要應(yīng)用。而伴隨著鋼結(jié)構(gòu)抗震性能在材質(zhì)及設(shè)計(jì)上的進(jìn)一步升級(jí)，它還將得到更快更廣泛的使用。相關(guān)的功能也將趨于綜合性。這是因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)自身具有以下幾個(gè)良好的優(yōu)點(diǎn)：

2.1 自身特有的良好性能

鋼結(jié)構(gòu)自身輕、承載能力和抗震性能優(yōu)越。在傳統(tǒng)的大型建筑施工縱橫，需要大量的水泥和鋼材，水泥生產(chǎn)過程需要消耗很多的材料，同時(shí)也會(huì)帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染。而輕鋼結(jié)構(gòu)施工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，能夠進(jìn)行針對(duì)性的靈活設(shè)計(jì)，在實(shí)際建筑設(shè)計(jì)中進(jìn)行應(yīng)用也比較節(jié)省材料，且不會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染。輕鋼結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)和組裝實(shí)現(xiàn)良好的抗震性能和承載效果。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)施工及裝配靈活

鋼結(jié)構(gòu)施工比較靈活，能夠進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的施工，且具有很高的投資回報(bào)。鋼結(jié)構(gòu)之所以能夠在大型建筑中得以運(yùn)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(shí)現(xiàn)工廠定制式加工和自由組裝分離，方便異地生產(chǎn)。在組裝中不會(huì)占用太多的施工場(chǎng)地，且不會(huì)造成環(huán)境污染。并且可實(shí)現(xiàn)多次的靈活分割和布置，為此鋼結(jié)構(gòu)具有很好的市場(chǎng)效應(yīng)和利潤。

2.3 環(huán)保無污染

鋼結(jié)構(gòu)適應(yīng)了現(xiàn)代綠色建筑的需求，能夠確保施工的環(huán)保無污染。鋼結(jié)構(gòu)在使用上耗材要遠(yuǎn)低于磚混結(jié)構(gòu)，施工和生產(chǎn)過程更加趨向于可持續(xù)發(fā)展的綠色節(jié)能要求。另外，鋼結(jié)構(gòu)的用料比較容易控制，所產(chǎn)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(jié)省了施工工作量又避免了現(xiàn)場(chǎng)的噪音污染。

3 基于高層的鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)分析

在2001年推出的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中就結(jié)合小、中、大地震等級(jí)，進(jìn)行了建筑抗震標(biāo)準(zhǔn)的要求：小震不壞、中震可修、大震不倒。針對(duì)房屋抗震標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)于現(xiàn)代的高層建筑而言，需要采取合理的抗震設(shè)計(jì)來確保高層建筑在面臨地震發(fā)生時(shí)的良好抗震性能。

3.1 振型分解設(shè)計(jì)分析

振型分解又稱振型分解反應(yīng)譜法。這種方法屬于在反應(yīng)譜基礎(chǔ)上進(jìn)行的設(shè)計(jì)分析。其中用到最多的是加速度譜，在《抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中的反應(yīng)譜就是以實(shí)際的大量地震記錄及人工地震繪制綜合得到的標(biāo)注反應(yīng)譜。當(dāng)前在用的反應(yīng)譜主要是單自由度對(duì)象形成的，只能反映單自由度問題的動(dòng)力和地震相應(yīng)的最大值。振型分解通過擬定靜力的計(jì)算形式，將實(shí)際問題離散成單個(gè)自由度的問題，先求解離散對(duì)象振動(dòng)周期和振型，再進(jìn)行動(dòng)力方程的給出，最后通過離散求解來進(jìn)行振型組合。從而實(shí)現(xiàn)多自由度問題的單自由度轉(zhuǎn)變，中綜合得出反應(yīng)譜解答。這種方式的不足在于進(jìn)行的是慣性力的靜力處理，所做出的反應(yīng)譜只能反映最大地震響應(yīng)值，無法反映地震全過程振動(dòng)、結(jié)構(gòu)位移及內(nèi)力變化過程。這種方法優(yōu)點(diǎn)在于方法和理論簡(jiǎn)單，容易掌握，所以還是得到廣泛的使用。

3.2 時(shí)程設(shè)計(jì)分析

又稱直接動(dòng)力法，是將地震從開始到終止的全過程作用時(shí)間細(xì)分成多個(gè)小時(shí)間段，通過積分形式進(jìn)行分析，這種分析法相比振型分解法，強(qiáng)調(diào)了地震持續(xù)時(shí)間對(duì)總體結(jié)構(gòu)的影響。通過逐步積分的形式能夠計(jì)算出結(jié)構(gòu)振動(dòng)的不同時(shí)刻構(gòu)件內(nèi)力和變形信息，能夠掌握結(jié)構(gòu)破壞的全過程。時(shí)程分析中的困難在于計(jì)算需要的恢復(fù)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(duì)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(duì)地震作用力下的彈塑性變形的控制和結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)來進(jìn)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(shí)程分析和靜力彈塑性分析兩類，其中彈塑性時(shí)程分析計(jì)算工作量較大，耗時(shí)較多，存在較大的使用難度。而靜力彈塑性分析能夠?qū)Y(jié)構(gòu)變形進(jìn)行很好的反映，而被得以廣泛的應(yīng)用。

3.4 均勻損傷設(shè)計(jì)分析

高層結(jié)構(gòu)的倒塌主要是存在部分薄弱環(huán)節(jié)的集中受理超載而導(dǎo)致的破壞。所以，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)部分薄弱層的均勻損傷設(shè)計(jì)分析是非常關(guān)鍵的，是提升高層鋼結(jié)構(gòu)整體抗震性能的有效方式。主要方法是進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)樓層段的損傷程度劃分，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析，最后進(jìn)行總體的結(jié)構(gòu)調(diào)整。

4 結(jié)語

總而言之，在城市的不斷發(fā)展建設(shè)中，鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為一種重要的建筑材料。特別是在現(xiàn)代建設(shè)以高層建筑為發(fā)展趨勢(shì)的前提下，其與傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)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(huán)保等很多優(yōu)點(diǎn)而得到了非常廣泛的使用。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)抗震的設(shè)計(jì)分析，還需要充分的以實(shí)際數(shù)據(jù)材料為依據(jù)，并借助現(xiàn)代化的信息通道和自動(dòng)化設(shè)備來進(jìn)行應(yīng)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(jié)構(gòu)建筑杭震概念設(shè)計(jì)「J」.科技致富向?qū)?2012(35).

[2]曉東,陳巍.簡(jiǎn)述高層鋼結(jié)構(gòu)房屋的杭震計(jì)算要點(diǎn)「J」.林業(yè)科技情報(bào),2011(3).

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

[4]建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB20011 － 2010)［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010