文／眭思文 深圳市華陽國際工程設(shè)計股份有限公司廣州分公司 廣東廣州 510000

1、鋼結(jié)構(gòu)房屋的抗震優(yōu)勢

鋼結(jié)構(gòu)房屋的抗震優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）強度較高、自身重量比較輕。鋼結(jié)構(gòu)材料，相對于混凝土材料來說，要重一些，但是鋼材的強度遠高于混凝土材料的強度。如若從承載條件相同下所需要使用的鋼材總重量，會輕于所需要的混凝土材料重量。從截面形狀來看，鋼結(jié)構(gòu)的橫截面可以分成2 種，一種是空腹式，另一種是格構(gòu)式，更便于鋼結(jié)構(gòu)的利用，能夠在一定程度上減輕鋼材料的重量。（2）鋼結(jié)構(gòu)的彈塑性比較好。與混凝土材料相比，對比兩者的應(yīng)力應(yīng)變曲線，可清楚地發(fā)現(xiàn)鋼材料的彈塑性更強一些，而且鋼材料有著較好的延展性，通常情況下鋼材料的延伸率在20%以上，組織較為均勻。鋼結(jié)構(gòu)的這一特性，也在一定程度上提高了鋼結(jié)構(gòu)房屋的抗震能力，能夠減輕地震對房屋結(jié)構(gòu)的破壞程度。而混凝土材料屬于脆性材料，沒有彈性，抗拉強度低于鋼結(jié)構(gòu)材料[1]。（3）鋼結(jié)構(gòu)有著不錯的耗能性能。對比鋼材料和混凝土材料的滯回曲線，便能夠?qū)Ρ葍烧叩暮哪苄阅?。所謂耗能性能指的是材料在處于無彈性變形的時候，能夠吸收或是耗散的能量，在計算這部分參數(shù)的時候，則需要了解塑形變形能力參數(shù)值、構(gòu)件承受動力參數(shù)值，這兩個數(shù)值的乘積壓便可以表示材料耗能性能。

2、鋼結(jié)構(gòu)房屋的震害

鋼結(jié)構(gòu)房屋的震害主要體現(xiàn)在以下3 個方面：

（1）鋼結(jié)構(gòu)房屋在遇到地震災(zāi)害的時候，其可能出現(xiàn)梁柱節(jié)點被破壞問題。通過對歷史地震發(fā)生后鋼結(jié)構(gòu)建筑所受到的破壞程度進行分析，可發(fā)現(xiàn)梁柱位置的剛性節(jié)點處是最常見地被破壞位置，容易出現(xiàn)中梁下翼緣裂縫問題，而大部分的裂縫都在焊縫中部。其原因是焊縫在進行焊接之后，沖擊韌性不高，留有一定的缺陷，受下翼緣中部腹板的影響，連接工作受阻，致使焊縫不連續(xù)。在翼緣端部破口焊縫位置，因為襯板、引弧板，容易出現(xiàn)人工裂縫，豎向力作用下，裂縫尖端應(yīng)力集度系數(shù)會超過標準范圍，致使裂縫擴大，引發(fā)斷裂現(xiàn)象。梁端應(yīng)力較為集中，容易促使裂縫橫向擴展。大多數(shù)情況下，鋼結(jié)構(gòu)的上翼緣不容易被地震破壞，這是因為樓板具有一定的強化作用，而且也沒有腹板，焊接工作較為順利[2]。（2）在發(fā)生地震災(zāi)害后，鋼結(jié)構(gòu)房屋的支撐連接容易被破壞。側(cè)力構(gòu)件是支撐鋼結(jié)構(gòu)的主要支撐，因此一旦地震災(zāi)害出現(xiàn)，那么側(cè)力結(jié)構(gòu)將會承擔其作為主要受力結(jié)構(gòu)的作用，若是地震級別較高，支撐被破壞，便會形成薄弱層，大大降低了鋼結(jié)構(gòu)房屋的穩(wěn)定性。以螺栓連接支撐方式為例，其常見的被破壞現(xiàn)象為支撐截面削弱部分斷裂、節(jié)點板端部剪切滑移被破壞等。如若鋼結(jié)構(gòu)房屋所采用的支撐方式是焊接，那么地震對其的影響是出現(xiàn)焊縫破壞。（3）鋼結(jié)構(gòu)房屋在遇到地震災(zāi)害后，可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)倒塌破壞現(xiàn)象。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)來看，遭遇地震的鋼結(jié)構(gòu)房屋出現(xiàn)倒塌狀況，大多數(shù)情況下是因為鋼材料的平面外彎曲失去平穩(wěn)性。在設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)的時候，縱橫向的垂直支撐如若出現(xiàn)偏位狀況，便會影響剛度中心、質(zhì)量中心之間的距離，距離超出標準值，便會致使鋼結(jié)構(gòu)在遇到地震災(zāi)害時，產(chǎn)生極大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，鋼柱承受的力度較遠超于它能夠承載的力量，就會引發(fā)房屋倒塌現(xiàn)象。

3、有限元軟件分析鋼結(jié)構(gòu)房屋抗震性能

3．1 分析方法

為科學(xué)分析鋼結(jié)構(gòu)房屋抗震性能，應(yīng)當采用有限元軟件來進行分析。可利用有限元軟件進行建模，然后進行模態(tài)分析、非線性時程分析?？蛇x用ABAQUS 有限元分析軟件，如圖1:

圖1 ABAQUS 有限元分析軟件分析圖

（1）要創(chuàng)建梁單元部件，做好模型裝配工作。論文所采用的模型建筑高五層，第一層層高為6m，其他層層高為4．5m。水平方向柱和柱之間的距離需控制在6m 左右，垂直方向柱子和柱子的距離應(yīng)當設(shè)計為4．5m。創(chuàng)建梁端元，然后進行合并，默認梁柱節(jié)點焊接在一起，無需再次設(shè)置，直接在軟件中操作就能夠得到鋼結(jié)構(gòu)裝配結(jié)果。（2）需要定義鋼結(jié)構(gòu)截面。用方鋼管代表柱子，工字鋼代表梁。按照工程的實際情況來調(diào)整相應(yīng)的尺寸參數(shù)，然后根據(jù)鋼材材料的密度、彈性模量、泊松比來指派有限元截面。完成之后，要進行結(jié)構(gòu)自振模態(tài)分析和自振頻率提取工作。應(yīng)當調(diào)整程序類型，選擇線性振動，然后再選擇適宜的頻率。頻率基本信息中，可設(shè)計20 個特征值，對鋼結(jié)構(gòu)進行觀察，了解其前20 階振型，從結(jié)構(gòu)動力學(xué)方面來看，振型是基本屬性之一，起主導(dǎo)作用的是前兩階振型，與瑞麗阻尼計算相關(guān)。在分析過程中，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)當和實際狀態(tài)保持一致，需設(shè)置邊界條件，固定好結(jié)構(gòu)底部，做好結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分工作。盡量提高計算效率，縮短計算時間，但前提是保障計算結(jié)果的準確性?？蛇x用全牛頓計算方法，完成計算之后便能夠得到自振頻率，取前兩階的自振頻率來進行瑞麗阻尼計算。（3）在進行瑞麗阻尼計算的時候，可以直接套用公式，簡化公式如下列公式（1），式中αo 和α1 是兩個比例系數(shù)，ε 為振型阻尼比。假設(shè)wi 和wj 給定，則可通過下述公式進行計算。如果瑞麗阻尼的常數(shù)αo 和α1 確定時，則不朽遵循一定的原則，否則構(gòu)造的阻尼矩陣可能導(dǎo)致計算結(jié)果的嚴重失真。

但要注意的是，鋼結(jié)構(gòu)中的阻尼比應(yīng)當設(shè)置為0．05。在這個步驟中，可以復(fù)制新模型，并修改模型名稱，將阻尼數(shù)值添加至模型材料中。然后需加載重力。該模型中的鋼結(jié)構(gòu)有著較大的長細比，容易在抗震性能測試中出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，因此要再通過加載的方式來檢驗結(jié)構(gòu)的重力荷載情況。這一步驟中可啟動非線性開關(guān)，確定最大增量步數(shù)以及初始增量步的大小。場變量輸出中，則需要按照要求來勾選各項參數(shù)，如應(yīng)力分量、E 總應(yīng)變、U 平移和轉(zhuǎn)動等。完成定義分析之后，就可以針對整個模型，加載目標荷載重力，進行測試，等到處理結(jié)果，Mises 應(yīng)力和最大反力均出現(xiàn)于柱腳位置。自重下驗算成功之后，表明鋼結(jié)構(gòu)有著不錯的收斂性，能夠進行地震荷載計算工作。

（4）要輸入地震波，加載地震。以圖2為例，輸入地震波對其進行基線校正和濾波處理?；谀Ｐ停诜治霏h(huán)節(jié)中添加步驟，選擇動力隱式。載入地震波，其持續(xù)時間可設(shè)置在80s 左右，最大增量步數(shù)和初始增量步大小按照1000000 和0，01 來設(shè)置，其余指標默認參數(shù)即可。分析步數(shù)變量的時候，兩個步驟之間可以增設(shè)加速度，然后施加地震載荷。邊界條件中應(yīng)當取消動力隱式，以免影響第一步約束條件的傳達，可新建邊界條件。

圖2 地震地面水平及豎向速度時程曲線

（5）要學(xué)會分析時程曲線和彎矩曲率曲線。根據(jù)這兩種曲線的變化可以得出相應(yīng)的結(jié)論，一般情況層數(shù)越低，最大加速值也就越低。受阻尼因素影響，加速度在時間增加后便會逐步衰弱，1min 之后加速度會停止。不同的結(jié)構(gòu)類型在彈塑性層間位移角限值方面有所不同，可基于這一參數(shù)來計算地震作用下的頂層位移超限。還可以利用Xtract 軟件來分析彎矩——曲線曲率，對方鋼管進行截面建模。

3．2 分析結(jié)果

完成上述分析之后，可在ABAQUS 軟件中得出計算結(jié)果，并根據(jù)結(jié)果進行科學(xué)分析：

（1）在利用有限元軟件分析鋼結(jié)構(gòu)的時候，可通過加速度時程曲線，發(fā)現(xiàn)層數(shù)和最大加速度之間的關(guān)系，前者越低，后者也越低。

（2）通過分析層間位移時程曲線的時候，則會發(fā)現(xiàn)當層數(shù)降低的時候，最大位移值也有所降低。無論是層間位移，還是加速度都會在時間變長之后逐漸衰弱，1min后停止。這一分析的目的在于判斷所使用的鋼結(jié)構(gòu)，是否能夠滿足于地震作用的要求，是否符合建筑抗震設(shè)計等級標準。

（3）通過對彎矩-曲率滯回曲線的分析，能夠找到層數(shù)和曲率之間的規(guī)律，當層數(shù)降低的時候，曲率增大，彎矩值也會增大。

（4）計算得出的最終曲率、延性率，能夠判斷鋼材是否具有較好的延性，鋼結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定。在對彎矩-曲率滯回曲線分析時，可發(fā)現(xiàn)鋼材料的最終曲率是0．178，延性率達到了22．01。

4、鋼結(jié)構(gòu)房屋抗震性能設(shè)計及要求

4．1 鋼結(jié)構(gòu)房屋抗震性能設(shè)計

可從以下幾個方面，來探討鋼結(jié)構(gòu)房屋抗震性能的設(shè)計：

（1）可采用鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件拼接建筑結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中的預(yù)制鋼構(gòu)件，會對鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的變化和影響，構(gòu)件連接的超靜定次數(shù)會有所增加，這就使得所形成的塑形鉸數(shù)量隨之增加，能夠起到有效的抗震效果。相較于單一的抗震防線來說，鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能要更高一些，而且可降低鋼結(jié)構(gòu)房屋倒塌狀況的發(fā)生概率。就算是單純的框架結(jié)構(gòu)房屋，如若設(shè)計成鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件拼接建筑結(jié)構(gòu)，抗震性也能有所提升。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計方式的優(yōu)勢在于施工難度不大，較為便捷，所需要耗費的工期并不長，鋼結(jié)構(gòu)自身重量相對來說較輕一些，面積偏小，容易進行維修。（2）支撐布置方式。如若鋼結(jié)構(gòu)房屋的樓層較高，屬于高層建筑，那么在設(shè)計過程中需要于框架體系中設(shè)置支撐。也可通過設(shè)計水平加強層，來對樓層頂點位移、層間位移進行有效的控制。增加支撐體系及增設(shè)水平加強層，可以強化鋼結(jié)構(gòu)房屋的整體剛度，減少使用梁、柱位置的鋼材用量，在保證質(zhì)量的前提下，降低施工材料成本。要注意的是不同的支撐布置方式，所受到的地震影響有一定的差異性，需要根據(jù)實際情況來進行相應(yīng)的選擇。（3）輕型門式鋼架設(shè)計。就目前而言，若是按照截面形式來進行劃分，可將實腹式輕型門式鋼架分為2 種類型，一種是等截面門式，另一種則是變截面門式。通常情況下，輕型門式鋼架的主體結(jié)構(gòu)，由焊接的H 型鋼門架構(gòu)成，也可以選擇經(jīng)軋制的H 型鋼門架。在設(shè)計柱腳部分的時候，可采用鉸接處理方式，也可以選用剛接方式，屋面、輕型外墻部分的結(jié)構(gòu)則可以使用壓型鋼板。如若采用的是變截面焊接H 型鋼門式鋼架，則需要把控好腹板的寬度，厚度需固定。門式鋼架中有一個楔形構(gòu)件，有梁多個。輕型門式鋼架結(jié)構(gòu)（如圖3）的優(yōu)勢在于施工速度比較快，安裝更加便捷，外觀上要更美觀，抗震性能較好，所需要花費的施工成本也比較低。實際運用中多適用于廠房、倉庫房等建筑中。（4）巨型梁設(shè)置。在巨型鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，要格外重視巨型梁結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量和性能將直接影響整體的抗震能力。增加巨型梁數(shù)量可以提高整體結(jié)構(gòu)的抗震性。巨型梁的數(shù)量應(yīng)當由抗側(cè)剛度需求來確定，巨型梁柱線的剛度需均勻，達到標準值。地震災(zāi)害所帶來的作用力，一旦造成巨型梁位置改變，便會給鋼結(jié)構(gòu)造成較大的影響。

圖3 輕型門式鋼架結(jié)構(gòu)

4．2 鋼結(jié)構(gòu)房屋抗震設(shè)計要求

在進行鋼結(jié)構(gòu)房屋抗震設(shè)計的時候，一定要注意以下要求：

（1）所使用的鋼材性能要滿足標準要求。一般來說，在選擇抗側(cè)力結(jié)構(gòu)鋼材的時候應(yīng)當使用b 級碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼。所有的材料都要符合國家標準規(guī)定，選擇其他類型的鋼材必須確保鋼材性能可達標，有可靠依據(jù)支持時，所選鋼材要進行抗拉強度、屈服強度實測，兩者實測值必須控制在1．2 以上，鋼材的伸長率要在20%以上，屈服臺階要明顯。與此同時，鋼材的焊接性要達標，有符合要求的沖擊韌性。鋼材中的節(jié)點部位若是采用焊接方式，那么鋼板厚度應(yīng)當控制在40mm 以上，應(yīng)當進行板厚方向的拉力測試，受拉試件破壞后的斷面收縮率要符合我國《厚度方向性能鋼板》中容許值的規(guī)定。若是鋼結(jié)構(gòu)房屋要求抗震設(shè)計級別在c 類以上，則需要選擇用金屬材料來進行焊縫填充。（2）對結(jié)構(gòu)布置有一定的要求。在進行鋼結(jié)構(gòu)房屋建筑設(shè)計的時候，要有抗震意識，盡量以規(guī)則對稱結(jié)構(gòu)為主，不可為了追求造型上的美觀性而選擇嚴重不規(guī)則設(shè)計方案，這會降低鋼結(jié)構(gòu)房屋的整體穩(wěn)定性。房屋的平面設(shè)計、剖面設(shè)計、立面設(shè)計都應(yīng)當保持簡單的線條，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)要均勻?qū)ΨQ，各樓層的總體剛度中心，需貼合于質(zhì)量中心，避免出現(xiàn)突變狀況。如若必須選擇復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)，進行不規(guī)則平面形狀設(shè)計，那么需要設(shè)置防震縫，合理劃分平面，使每一個平面成為獨立的單元并保持對稱。防震縫的寬度要符合要求，至少是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)防震縫的1．5 倍，否則容易導(dǎo)致地震災(zāi)害發(fā)生時，鋼結(jié)構(gòu)房屋各平面之間碰撞。（3）要滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。需先確定鋼結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計的抗震級別要求，明確其抗震設(shè)計烈度，遵循因地制宜原則，綜合考慮房屋建設(shè)施工現(xiàn)場的實際情況，基于地基特點、結(jié)構(gòu)材料性能等，來選擇適宜的結(jié)構(gòu)體系，可從經(jīng)濟、技術(shù)兩方面進行對比。需進行簡單的簡圖計算，為提高鋼結(jié)構(gòu)房屋的抗震性能，如若條件允許可采用多道抗震防線。結(jié)構(gòu)主軸方向動力特性需盡量保持一致，避免共振，降低地震帶來的影響。除此之外，所有的構(gòu)件質(zhì)量要達標，不可使用被迫花的構(gòu)件，否則會降低整個結(jié)構(gòu)的抗震能力[3]。

5、鋼結(jié)構(gòu)房屋抗震設(shè)計的新發(fā)展

5．1 延性框架抗震設(shè)計

在鋼結(jié)構(gòu)房屋抗震設(shè)計過程中，延性框架抗震設(shè)計是一種新的方式，其包含了兩種形式，一種是延性抗彎框架，另一種則是延性支撐框架。這兩種形式都能夠起到強柱弱梁的作用。該設(shè)計的抗震優(yōu)勢在于能夠避免鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點應(yīng)力過于集中，改進了傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點施工質(zhì)量。通過外移塑性鉸，以及對塑性鉸進行局部的強弱調(diào)整，利于梁柱節(jié)點延性的提升?？蛇x擇同心延性支撐框架，也可以選擇偏心支撐框架，需根據(jù)實際情況來加以把控，保證鋼結(jié)構(gòu)房屋的強度、剛度，使之達到規(guī)定的抗震等級。

5．2 隔震鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)房屋抗震設(shè)計中可采用隔震技術(shù)，該項技術(shù)發(fā)展速度飛快，被廣泛應(yīng)用于土木工程中，相較于傳統(tǒng)的抗震設(shè)計方式來說，隔震鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于以下幾個方面：（1）該結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)，僅是傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的1/4-1/12，能夠避免非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在振動下受到損傷，可保證非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的正常使用。（2）在鋼結(jié)構(gòu)房屋中安裝隔震裝置，會增加5%的造價，但是可以減輕房屋上部結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面，配筋部分會相應(yīng)減少，施工相對來說簡單一些，綜合來看，整體的施工成本與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)施工成本相比，更少一些。（3）隔震鋼結(jié)構(gòu)中的平面設(shè)計，靈活性更強，可滿足于不同的需求。

結(jié)語：

總而言之，明確鋼結(jié)構(gòu)房屋抗震性設(shè)計的重要性，需充分利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，運用先進的有限元軟件來進行分析，確保設(shè)計方案符合實際要求，能夠達到抗震等級標準。