鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法探討

康杰

（河北鋼鐵集團(tuán)礦山設(shè)計(jì)有限公司，河北 唐山063700）

1 引言

我國(guó)的科技以及經(jīng)濟(jì)一直在持續(xù)發(fā)展，進(jìn)一步促進(jìn)了建筑工程規(guī)模的擴(kuò)大。而在建筑設(shè)計(jì)當(dāng)年中，抗震設(shè)計(jì)屬于非常重要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，其會(huì)對(duì)建筑工程的使用穩(wěn)定性以及安全性造成非常嚴(yán)重的影響。想要降低地震對(duì)建筑造成的危害，那么在對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程當(dāng)中要對(duì)地震的危害、抗震設(shè)計(jì)方法以及抗震設(shè)計(jì)基本要求等進(jìn)一步明確化，這樣才可以使得建筑的穩(wěn)固性得到提高。

2 建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)包含的內(nèi)容

按照GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016 年版）（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《抗規(guī)》）和JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《高規(guī)》）中的規(guī)定，建筑工程抗震設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包含：場(chǎng)地類(lèi)別、場(chǎng)地抗震地段劃分、抗震設(shè)防烈度、地震分組、地震動(dòng)參數(shù)、特征周期、抗震等級(jí)、建筑結(jié)構(gòu)適用高度、地震計(jì)算分析、抗震性能設(shè)計(jì)、抗震概念設(shè)計(jì)、抗震措施以及抗震構(gòu)造等；在《高規(guī)》當(dāng)中又把鋼筋混凝土構(gòu)造建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類(lèi)，主要包含：A 級(jí)高度以及B 級(jí)高度，并按照不同的地震條件以及場(chǎng)地完成各類(lèi)結(jié)構(gòu)體系的具體規(guī)定，主要包含：抗震等級(jí)、最大適用高度、抗震構(gòu)造以及抗震措施等；這里對(duì)場(chǎng)地地質(zhì)條件比較差（如Ⅲ場(chǎng)地以及Ⅳ場(chǎng)地）、抗震設(shè)防烈度比較高（例如，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g 的場(chǎng)地、設(shè)防烈度為Ⅶ度的地區(qū)、設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.3g 的場(chǎng)地、設(shè)防烈度為Ⅷ度的地區(qū)）的建筑在抗震措施、抗震等級(jí)以及抗震構(gòu)造等方面都具備具體要求。

3 鋼結(jié)構(gòu)存在的抗震優(yōu)勢(shì)

當(dāng)前，廣泛用于工程建設(shè)的砌體結(jié)構(gòu)以及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具備地震耗能效果差以及結(jié)構(gòu)自重大等缺點(diǎn)。觀察2008 年5 月12 日的四川汶川地震，從地震之后的災(zāi)害當(dāng)中可以發(fā)現(xiàn)，倒塌的建筑物主要屬于磚石結(jié)構(gòu)?；炷烈约捌鲶w之類(lèi)的脆性材料具備較低的延展性，部件之間的連接屬于剛性連接，結(jié)構(gòu)在地震力的作用之下得到的變形比較小，不能對(duì)地震能量充分吸收。非常多的磚石建筑的自重比較大，各個(gè)組成部分的連接比較弱，并且不存在抗震構(gòu)造措施，如環(huán)形圈梁以及構(gòu)造柱等。這些建筑物會(huì)在地震的過(guò)程中倒塌，造成比較嚴(yán)重的人員傷亡。與鋼結(jié)構(gòu)以及磚石結(jié)構(gòu)相比較，鋼結(jié)構(gòu)在抗震性能上存在非常明顯的優(yōu)勢(shì)。質(zhì)量輕以及強(qiáng)度高的特點(diǎn)可以保障在地震出現(xiàn)時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)不會(huì)由于自身的質(zhì)量而造成破裂情況的出現(xiàn)。鋼材屬于接近均質(zhì)以及各向同性的材料，和材料力學(xué)的一些基本假設(shè)相符合，并且計(jì)算結(jié)果以及實(shí)際受力相匹配。

4 改善建筑結(jié)構(gòu)以及抗震性的重要性

4.1 直接對(duì)人民群眾的生命以及財(cái)產(chǎn)安全造成影響

建筑屬于人們平常進(jìn)行工作以及學(xué)習(xí)的重要場(chǎng)所。我國(guó)的城市化進(jìn)程一直在持續(xù)加快，建筑物當(dāng)中的人口密度變得非常高，如果發(fā)生地震，將會(huì)造成非常大的損失。我國(guó)的地震類(lèi)型非常多，其發(fā)生頻率相對(duì)比較高。為了保障人們生命以及財(cái)產(chǎn)的安全，提高建筑物的抗震能力是非常迫切的。

4.2 建筑企業(yè)發(fā)展需求

建筑企業(yè)發(fā)展需求包括：（1）近年來(lái)，地震災(zāi)害發(fā)生的概率比較高，面對(duì)這種大背景，人們對(duì)建筑物的抗震性能提出了非常高的要求。具備高抗震性能的建筑物在后續(xù)建筑市場(chǎng)發(fā)展的過(guò)程中成為一大主流。換句話(huà)來(lái)講，建筑公司想要在未來(lái)的市場(chǎng)當(dāng)中站穩(wěn)腳步，最重要的就是不斷提高建筑物的抗震性。（2）建筑企業(yè)在社會(huì)責(zé)任方面的體現(xiàn)就是使得建筑物的抗震能力得到加強(qiáng)，這種防震目標(biāo)需要大家共同努力，其中建筑業(yè)需要起到帶頭作用[1]。

5 鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法

5.1 Pushover 分析方法

Pushover 分析方法是在能力譜方法的基礎(chǔ)上不斷發(fā)展而來(lái)的。這種方法可以獲得結(jié)構(gòu)在彈塑性狀態(tài)下的具體強(qiáng)度以及變形情況，并且還可以清晰地發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在動(dòng)力作用下存在的薄弱環(huán)節(jié)。該方法是對(duì)某個(gè)結(jié)構(gòu)增加水平載荷，最終實(shí)現(xiàn)給定的目標(biāo)位移，從而可以分析結(jié)構(gòu)的破壞過(guò)程以及非線(xiàn)性變形能力。換句話(huà)來(lái)講，Pushover 分析是把多自由度系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為單自由度系統(tǒng)（等效的），并在等效的單自由度系統(tǒng)基礎(chǔ)上完成整體承載力的研究。性能抗震設(shè)計(jì)方法一直在持續(xù)發(fā)展，Pushover 分析方法已經(jīng)成為基于性能抗震設(shè)計(jì)當(dāng)中比較重要的工具。

5.2 增量動(dòng)力分析方法（IDA）

增量動(dòng)力分析（IDA）指的是持續(xù)調(diào)整每個(gè)地震波的具體振幅，從彈性階段一直持續(xù)到屈服階段，然后從彈塑性階段再次持續(xù)到結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)，然后對(duì)結(jié)構(gòu)當(dāng)中的不穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行分析。在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中，執(zhí)行了非常多非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)的分析。面對(duì)不同地震級(jí)別，該方法可以反映結(jié)構(gòu)的抗震能力，主要包含結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、變形過(guò)程以及剛度等。在實(shí)施IDA 方法中，需要選擇一些具備代表性的地震波。確定結(jié)構(gòu)狀態(tài)變形以及地面強(qiáng)度之后，利用地震加速度的調(diào)整，實(shí)施時(shí)程分析。生成的時(shí)間歷史分析曲線(xiàn)屬于IDA 曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)在分析中可以利用需求以及容量系數(shù)方法等完成性能評(píng)估。通過(guò)研究可以表明，IDA 方法可以與Pushover 分析方法在使用的過(guò)程中可以相互結(jié)合，這樣才會(huì)使得鋼結(jié)構(gòu)的具體抗震性能評(píng)估具備有效性。

6 鋼結(jié)構(gòu)抗震存在的問(wèn)題

首先，鋼結(jié)構(gòu)在地震當(dāng)中的具體作用問(wèn)題，即在建筑物的抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中，沒(méi)有充分意識(shí)到鋼結(jié)構(gòu)在彈性階段具備低阻尼以及良好延展性的特點(diǎn)，這樣就會(huì)使得抗震設(shè)計(jì)中的用鋼量比較大，鋼結(jié)構(gòu)在地震當(dāng)中具備較大的作用，那么就會(huì)使得鋼結(jié)構(gòu)在抗震當(dāng)中進(jìn)一步遭受影響。其次，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不具備合理性。鋼結(jié)構(gòu)的抗震調(diào)整系數(shù)、實(shí)際承載力以及梁與焊縫的連接強(qiáng)度比較大，這樣就無(wú)法達(dá)到基礎(chǔ)材料的具體強(qiáng)度，進(jìn)而對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)起到限制的作用，會(huì)嚴(yán)重影響鋼結(jié)構(gòu)的具體抗震性能。因此，一定要仔細(xì)研究這些問(wèn)題。通過(guò)計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)的具體地震響應(yīng)系數(shù)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)系數(shù)，進(jìn)一步改善鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能，最終提升鋼結(jié)構(gòu)的抗震效果[2]。

7 結(jié)語(yǔ)

鋼結(jié)構(gòu)和一般的鋼筋砌體結(jié)構(gòu)以及混凝土結(jié)構(gòu)相比較，具備施工速度快、回收率高以及抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，可以在大跨度的公共建筑、大空間、工業(yè)廠房以及多高層住宅樓當(dāng)中進(jìn)行使用，其發(fā)展空間非?？臻?。因此，需要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行研究，優(yōu)化抗震設(shè)計(jì)，為鋼結(jié)構(gòu)工程的安全提供保障。