試論多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅抗震性能

陳 志 峰

(山西省煤炭規(guī)劃設(shè)計(jì)院，山西 太原 030045)

隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，居民對(duì)建筑的安全性以及抗震性等功能要求不斷提高。在住宅中應(yīng)用住宅鋼結(jié)構(gòu)可以提高建筑的整體性能，對(duì)推動(dòng)住宅產(chǎn)業(yè)化等具有重要意義。通過(guò)研究住宅鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系等，分析其具體應(yīng)用的各項(xiàng)理論，推動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)住宅抗震性能不斷提高。

1 住宅鋼結(jié)構(gòu)的抗震結(jié)構(gòu)體系

1.1 多高層住宅鋼結(jié)構(gòu)的基本功能

多高層住宅應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)的主要目的是提高建筑的整體性能，使其可以應(yīng)對(duì)來(lái)自不同方面的沖擊，而建筑的各個(gè)結(jié)構(gòu)可以在應(yīng)用過(guò)程中保持其完整性，方便其后續(xù)使用。一般來(lái)說(shuō)，多高層住宅需要承受其本身重力和其居住人員、設(shè)備的重力，同時(shí)也需要承擔(dān)因?yàn)轱L(fēng)力和地震等導(dǎo)致的側(cè)向力。因此，必須加強(qiáng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)性能的重視，保證其在重力和側(cè)向力等的影響下仍然可以保持其結(jié)構(gòu)的完整性，避免出現(xiàn)建筑變形等問(wèn)題。根據(jù)不同的鋼結(jié)構(gòu)抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系，可以劃分成為不同的種類。

1.2 純鋼框架結(jié)構(gòu)

多層鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多的結(jié)構(gòu)體系即框架結(jié)構(gòu)，該類框架結(jié)構(gòu)主要是通過(guò)輕質(zhì)墻體、屋面板以及基礎(chǔ)等多種因素組成，小開(kāi)間密柱式結(jié)構(gòu)和大跨度結(jié)構(gòu)是其柱網(wǎng)布置的主要方式。相比較而言，前者可以滿足建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性等方面的要求，對(duì)應(yīng)的樓板厚度等會(huì)變薄，結(jié)構(gòu)的自重等也會(huì)逐漸減輕，但是住宅的空間布置等會(huì)受到影響，導(dǎo)致后期建筑可變性等受到影響。大跨度結(jié)構(gòu)的平面布置相對(duì)比較靈活，其空間的可變性等較小開(kāi)間密柱式結(jié)構(gòu)明顯加強(qiáng)，其應(yīng)用過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較差。鋼框架對(duì)地震的作用不是特別明顯，對(duì)減少抗側(cè)力等具有重要作用，有助于提高建筑物的特性，推動(dòng)其實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。施工過(guò)程中要加強(qiáng)對(duì)全焊接型節(jié)點(diǎn)和全螺栓型節(jié)點(diǎn)以及其他類型節(jié)點(diǎn)處理的重視，調(diào)整其具體的定位等，注意H型柱截面腹板的厚薄，推動(dòng)各項(xiàng)工作順利開(kāi)展。

1.3 框架—支撐結(jié)構(gòu)體系

框架—支撐結(jié)構(gòu)體系主要由中心支撐結(jié)構(gòu)和偏心支撐框架結(jié)構(gòu)組成。中心支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)用過(guò)程中，必須加強(qiáng)對(duì)其不同框架的重視，通過(guò)調(diào)整不同部位的位移等，推動(dòng)相關(guān)工作順利開(kāi)展。同時(shí)，為了提高框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，需要加強(qiáng)對(duì)偏心支撐框架的重視，保證其應(yīng)有的剛度和強(qiáng)度等，提高其應(yīng)對(duì)抗震的可行性。多高層鋼結(jié)構(gòu)還包括伸臂及帶狀桁架結(jié)構(gòu)、鋼框架—混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)等，其不同結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和整體結(jié)構(gòu)等都存在一定的差異，通過(guò)綜合運(yùn)用多類體系，推動(dòng)相關(guān)工作順利開(kāi)展。

2 抗震設(shè)計(jì)的基本方法

2.1 底部剪力法

與其他計(jì)算方法相比，底部剪力法計(jì)算相對(duì)比較簡(jiǎn)便，主要利用彈性地震反應(yīng)譜理論等展開(kāi)研究，使其總的地震剪力和單質(zhì)點(diǎn)的水平地震作用等相等，在此基礎(chǔ)上確定相關(guān)的水平地震作用以及其高度分布等內(nèi)容，推動(dòng)相關(guān)工作順利開(kāi)展。其在計(jì)算過(guò)程中需要應(yīng)用相對(duì)較多的公式，工作人員必須嚴(yán)格按照步驟開(kāi)展相關(guān)計(jì)算工作，提高計(jì)算的精準(zhǔn)性，方便為后續(xù)相關(guān)工作奠定基礎(chǔ)。

2.2 反應(yīng)譜法

以單質(zhì)點(diǎn)的彈性體系為主體，基礎(chǔ)是其在實(shí)際地震過(guò)程中的反應(yīng)等，開(kāi)展具體的結(jié)構(gòu)反應(yīng)分析等工作，這便是反應(yīng)譜法的基本原理。再結(jié)合地震譜曲線等內(nèi)容，結(jié)合具體理論開(kāi)展計(jì)算，即可將建筑物應(yīng)對(duì)實(shí)際地面運(yùn)動(dòng)時(shí)的反應(yīng)等表示出來(lái)，對(duì)后期相關(guān)工作開(kāi)展具有重要作用。一般來(lái)說(shuō)，以地震作用為分類標(biāo)準(zhǔn)，振型反應(yīng)譜法可以劃分為平動(dòng)的和扭轉(zhuǎn)耦連的兩大類。而平動(dòng)類型的是分析無(wú)扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)抗震分析時(shí)應(yīng)用的一種基本方法，通過(guò)分析某個(gè)結(jié)構(gòu)在某個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，結(jié)合計(jì)算機(jī)繪圖等，推動(dòng)相關(guān)工作按計(jì)劃開(kāi)展。不對(duì)稱結(jié)構(gòu)抗震分析工作開(kāi)展主要應(yīng)用扭轉(zhuǎn)耦連的振型分解反應(yīng)譜法，其計(jì)算公式等與平動(dòng)的計(jì)算公式之間存在一定差異，通過(guò)使用CQC法可以合理開(kāi)展后續(xù)計(jì)算。不可否認(rèn)的是，反應(yīng)譜法在應(yīng)用過(guò)程中仍然存在一定的局限性，必須正視其優(yōu)缺點(diǎn)，合理開(kāi)展應(yīng)用分析等工作，推動(dòng)反應(yīng)譜法不斷改進(jìn)，促進(jìn)其在后續(xù)計(jì)算等工作中發(fā)揮更大的作用。

2.3 時(shí)程分析法

上述兩個(gè)計(jì)算開(kāi)展過(guò)程中，主要是以地震反應(yīng)譜來(lái)開(kāi)展設(shè)計(jì)計(jì)算，應(yīng)用的原理主要是推動(dòng)地震作用和等效水平靜力荷載轉(zhuǎn)換。而在考慮地震后的彈性形變以及變形擴(kuò)大系數(shù)等之后，可以計(jì)算彈塑性變形，其計(jì)算簡(jiǎn)化后也對(duì)其計(jì)算的安全度等產(chǎn)生了一定的影響。時(shí)程分析法也稱動(dòng)態(tài)分析法，通過(guò)運(yùn)用運(yùn)動(dòng)方程等開(kāi)展后續(xù)計(jì)算，推動(dòng)相關(guān)計(jì)算等順利開(kāi)展。該類分析方法在分析結(jié)構(gòu)應(yīng)對(duì)地震的反應(yīng)情況以及提高抗震設(shè)計(jì)水平等方面具有重要作用，必須加強(qiáng)對(duì)其應(yīng)用模型等的重視，合理應(yīng)用計(jì)算方法，推動(dòng)其分析等按照計(jì)劃順利開(kāi)展。

3 多高層結(jié)構(gòu)住宅抗震性能分析

在對(duì)多高層結(jié)構(gòu)住宅開(kāi)展抗震性能分析時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)建立具體的模型，通過(guò)完善鋼結(jié)構(gòu)模型的長(zhǎng)度、高度、寬度以及整體形狀和鋼材的具體形狀性能等，結(jié)合其鋼框架，建立合理的三維有限元模型。首先就其在SAP2000中的模態(tài)展開(kāi)分析，綜合運(yùn)用相關(guān)聯(lián)的線性分析方法，推動(dòng)相關(guān)工作按照計(jì)劃順利開(kāi)展。該類方法也可以稱為振型疊加法。通過(guò)使用該類方法，其計(jì)算過(guò)程中的數(shù)值求解時(shí)間等相對(duì)較短，計(jì)算方法也更為簡(jiǎn)潔。而通過(guò)模態(tài)分析可以及時(shí)開(kāi)展其固有頻率和振型提取等工作，推動(dòng)相關(guān)工作順利開(kāi)展。開(kāi)展SAP2000的反應(yīng)譜分析時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)分析。從本質(zhì)上講，該類分析方法實(shí)質(zhì)上是一種擬動(dòng)力分析法，在計(jì)算質(zhì)點(diǎn)的地震效應(yīng)之后，結(jié)合統(tǒng)計(jì)等方法開(kāi)展反應(yīng)譜的曲線繪制工作，推動(dòng)后續(xù)結(jié)構(gòu)分析等工作的順利開(kāi)展，需注意，結(jié)構(gòu)分析過(guò)程中主要應(yīng)用靜力方法。由于時(shí)程分析法計(jì)算過(guò)程中需要考慮的因素相對(duì)較多，計(jì)算量等也明顯多于其他類型的反應(yīng)譜方法，因而在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，工作和設(shè)計(jì)人員更多應(yīng)用反應(yīng)譜法來(lái)開(kāi)展地震作用分析等工作。平均值是反應(yīng)譜分析的主要數(shù)值，結(jié)構(gòu)中的位移最大值以及具體構(gòu)件受力的最大值等都是反應(yīng)譜分析的輸出結(jié)果。底部剪力法和振型分解法都是計(jì)算結(jié)構(gòu)地震作用過(guò)程中經(jīng)常使用的方法，前者在計(jì)算低層建筑的過(guò)程中可以發(fā)揮有效作用，但是在計(jì)算高層建筑的過(guò)程中，其考慮的振型等都存在一定的缺陷，導(dǎo)致最終的計(jì)算結(jié)果受到影響。因此，主要使用振型分解反應(yīng)譜法來(lái)開(kāi)展高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算和分析等工作。由于反應(yīng)譜法圍繞靜力來(lái)開(kāi)展相關(guān)計(jì)算，因而其對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力的反映等并不真實(shí)，忽略了一定的具體條件。因而在追求精確度的計(jì)算過(guò)程中，主要使用時(shí)程分析法來(lái)開(kāi)展相關(guān)計(jì)算，該類方法可以考慮動(dòng)力荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，其計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性等都明顯提高。但是不可否認(rèn)的是，該類計(jì)算在開(kāi)展過(guò)程中受到計(jì)算量等的影響，耗費(fèi)的時(shí)間精力相對(duì)較多。隨著現(xiàn)代科技和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，其計(jì)算應(yīng)用的專業(yè)化軟件等已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)，對(duì)該類分析計(jì)算方法的推廣具有重要意義。線性時(shí)程分析法開(kāi)展過(guò)程中，主要圍繞結(jié)構(gòu)的基本動(dòng)力微分方程開(kāi)展相關(guān)計(jì)算，因此，在計(jì)算過(guò)程中，必須加強(qiáng)對(duì)計(jì)算步驟等的重視，合理考慮質(zhì)量矩陣以及節(jié)點(diǎn)的速度、加速度和絕對(duì)位移等，借助時(shí)間函數(shù)來(lái)分析動(dòng)力荷載，推動(dòng)后續(xù)計(jì)算分析等工作順利開(kāi)展。

4 結(jié)語(yǔ)

多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅是隨時(shí)代發(fā)展而不斷發(fā)展的一種住宅，其在抗震等方面具有優(yōu)良性能。不可否認(rèn)，當(dāng)前，我國(guó)多高層鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展與國(guó)外相比仍存在一定的差距，導(dǎo)致其具體的性能等不能發(fā)揮出來(lái)，必須及時(shí)開(kāi)展先進(jìn)技術(shù)引入，促進(jìn)本國(guó)技術(shù)發(fā)展，推動(dòng)多高層鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)發(fā)展進(jìn)步。