建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計及運用探析

李俊LI Jun

（安徽實華工程技術(shù)股份有限公司，安慶 264000）

0 引言

近些年來，由于地震災(zāi)害的頻發(fā)，使得建筑行業(yè)對房屋的抗震性能給予了高度的重視。提高建筑物的抗震性，有效減少地震當中人員以及財產(chǎn)的傷亡和損失，為人們的生命財產(chǎn)安全提供保障。由于建筑結(jié)構(gòu)具有的工程大、體積大等特點，因此，在對其鋼結(jié)構(gòu)進行抗震設(shè)計時，要對其產(chǎn)生影響的各種因素進行綜合全面的分析，還要對其進行不斷的實踐和檢驗，最大程度確保建筑物的穩(wěn)定性和安全性。

1 建筑設(shè)計中鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢

1.1 具有較強的韌性、可塑性

在建筑領(lǐng)域中，鋼結(jié)構(gòu)的可塑性、韌性較強。由于這兩點優(yōu)勢，若建筑處于負載或超載的情況，鋼結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)對作用力的充分分配，使得整個建筑的應(yīng)力變化幅度得到控制，極大程度地避免了鋼結(jié)構(gòu)斷開、裂開等問題。

1.2 性能好、效益高

在材料、質(zhì)地上，鋼結(jié)構(gòu)整體分布十分均勻，與力學方面的假定符合度較高。同時，在內(nèi)部組織、結(jié)構(gòu)上，鋼材料與各項同性契合度更高，其材料波動范圍相對較小，更是在所有建筑材料中具有最理想的彈性。再者，相較于其他建筑工程類型，鋼結(jié)構(gòu)不容易受到環(huán)境、氣候等外界因素影響。在其生產(chǎn)加工上，由工廠內(nèi)部完成加工作業(yè)后直接即可運送至建筑工地進行組裝，這就決定了其具有更短的工期，且不會給施工區(qū)域的環(huán)境帶來較大影響，符合文明施工、綠色施工需求。

1.3 造價成本低

在建筑設(shè)計領(lǐng)域，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用能夠在保證整體安全性、可靠性的前提下，有效地控制成本投入，保證企業(yè)經(jīng)濟收益。與鋼筋混凝土的應(yīng)用相比，高層建筑中應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)的成本消耗相對較低，且在質(zhì)量上輕于鋼筋混凝土，減少了運輸費用。鋼結(jié)構(gòu)的便捷性會加快施工完成進度，能夠減少人工、工期等方面帶來的費用。

2 建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的原則

2.1 建筑區(qū)域的合理規(guī)劃

由于現(xiàn)代科學技術(shù)的推陳出新，建筑團隊可以利用先進的地震檢測儀器來對地震頻發(fā)的區(qū)域進行判斷和檢測。為了能夠最大程度確保居住人員和建筑團隊的人身安全，要對建筑區(qū)域進行科學合理的規(guī)劃，盡量避開地震頻發(fā)區(qū)域，防止埋下一系列的安全隱患。在對普通住宅區(qū)進行選擇的過程當中，建筑團隊需要在人流量較大的地方設(shè)置疏散通道和逃生通道，保障人們的生命安全[1]。

2.2 合理選擇建筑設(shè)計方案

建筑團隊要從選擇建筑的區(qū)域?qū)嶋H情況出發(fā)來對建筑設(shè)計方案進行科學合理的規(guī)劃，要對所選區(qū)域的實際地形、地貌、周圍環(huán)境以及天氣狀況進行綜合全面的分析，然后確定樓層的高低，進而對建筑鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)進行良好設(shè)計。在對建筑方案進行設(shè)計時，要確保每一個區(qū)域的功能和作用都能得到充分的發(fā)揮，防止區(qū)域資源浪費，而且，還能在一定程度上促進建筑使用功能的提升[2]。可以聘請專業(yè)人才來進行鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計，也可以通過網(wǎng)絡(luò)或是其他渠道來對優(yōu)質(zhì)的建筑的設(shè)計方案進行借鑒和參考，把優(yōu)秀的設(shè)計理念引入其中，然后與建筑區(qū)域的各種實際條件有機結(jié)合，使得施工設(shè)計方案更加的完善。

2.3 重視高層建筑鋼結(jié)構(gòu)體系

要想確保高層建筑的穩(wěn)定性和安全性，那么鋼結(jié)構(gòu)是其關(guān)鍵的前提和基礎(chǔ)。相關(guān)的建筑團隊一定要對高層建筑鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)給予高度的關(guān)注，并進行科學合理的設(shè)計。如果想要對高層建筑鋼結(jié)構(gòu)進行良好設(shè)計，主要包含兩個方面，即材料的選擇和方案的確立。在材料的選擇上，要選擇與建設(shè)規(guī)格相符的優(yōu)質(zhì)鋼鐵材料來進行框架的搭建，同時，在搭建過程當中，要盡可能的選擇施工效率高的機械設(shè)施，促進建筑質(zhì)量和效率的提升。另外，還要對鋼結(jié)構(gòu)的建造方案進行科學合理的設(shè)計和選擇，通過人口居住的密集程度和居住數(shù)量來進行具體的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后利用現(xiàn)實虛擬技術(shù)來對結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學性、合理性進行檢驗。

表1適用的鋼結(jié)構(gòu)房屋最大高度 （m）

3 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計的影響因素

對鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性設(shè)計產(chǎn)生影響的因素較多，本文將重點對非線性因素展開分析。影響鋼結(jié)構(gòu)承載能力的非線性因素主要有以下4個方面：

①幾何非線性。在結(jié)構(gòu)加載過程中存在旋轉(zhuǎn)過大以及位移過大的問題，在對屈曲等問題進行處理時，小變形幾何方程并不適用。需要在問題處理過程中對材料非線性進行研究，需要將有位移二次方的項融入大位移以及旋轉(zhuǎn)問題的研究中，對變形平衡問題進行充分考量，禁止出現(xiàn)對線性方程進行簡化的狀況。

②初始缺陷。在具體進行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，可能會因為結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的各種缺陷，對結(jié)構(gòu)承載能力以及穩(wěn)定性造成不良影響。一般以偏心值和初始彎曲等幾何缺陷為主，初始缺陷與鋼筋力學參數(shù)以及初始應(yīng)力參數(shù)等有著密切關(guān)聯(lián)。

③殘余應(yīng)力。鋼結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，屈曲載荷發(fā)生改變的狀況，但不會對歐拉臨界載荷產(chǎn)生干擾。因為應(yīng)力存在會使壓彎構(gòu)件出現(xiàn)屈服強度過小的狀況，會造成變形過大以及剛度下降的問題，會在沒有達到預(yù)定載荷數(shù)值時，出現(xiàn)屈服狀況，進而造成承載能力下降，二階效應(yīng)出現(xiàn)增加的情況。

④彎扭失穩(wěn)。為保證鋼結(jié)構(gòu)極限承載能力計算的精準度，需要在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中對材料非線性以及幾何非線性等內(nèi)容展開深入分析，以便制訂出最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的幾何非線性因素主要包括P-δ效應(yīng)與P-△效應(yīng)2部分內(nèi)容。構(gòu)件彎曲與構(gòu)件剛體旋轉(zhuǎn)會直接完成2個效應(yīng)[3]。P-△效應(yīng)與鋼構(gòu)架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有密切關(guān)聯(lián)，如果沒有出現(xiàn)不同二階效應(yīng)，鋼構(gòu)件幾何非線性由P-△效應(yīng)進行控制。對于多層建筑鋼結(jié)構(gòu)而言，P-△效應(yīng)是結(jié)構(gòu)在水平力的作用之下，出現(xiàn)水平橫向位移狀況，導(dǎo)致載荷發(fā)生偏心問題，進而產(chǎn)生額外彎矩。在彎矩的作用下，會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)橫向位移進一步增大的狀況，非對稱結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)問題，會因為扭轉(zhuǎn)問題的作用，導(dǎo)致抗側(cè)力構(gòu)件發(fā)生偏心問題，從而導(dǎo)致扭矩增加。如果豎向荷載與橫向增加內(nèi)力能夠處于平衡的狀態(tài)，結(jié)構(gòu)也會保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，反之就會發(fā)生失穩(wěn)問題。因為高層鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)縱橫方向的距離相對較大，容易在地震以及強風的影響下，出現(xiàn)水平位移，所以會直接造成豎向的二階效應(yīng)失穩(wěn)問題。

鑒于此，在進行設(shè)計的過程中，需要對位移產(chǎn)生附加水平力的影響展開分析與研究。鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)要比鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的截面積更小，所以其靈活度也會更高，需要更加注重其穩(wěn)定性。如果建筑物層數(shù)相對較多且設(shè)防烈度相對較高，可能會因為地震的作用而產(chǎn)生較大橫向位移，會直接造成框架結(jié)構(gòu)的幾何形狀發(fā)生明顯改變的狀況。

4 建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計要點

4.1 采取合適的抗震措施

在實際施工的過程當中，建筑團隊要采取合適的抗震措施。選擇建筑材料時，優(yōu)質(zhì)的抗震性能材料是首選，還要選擇分子間緊密并且密度大的施工材料。在對建筑設(shè)計方案內(nèi)容進行確定的過程當中，要對逃生通道的設(shè)置以及遇到災(zāi)害之后的相關(guān)條款給予高度關(guān)注，確保建筑設(shè)計內(nèi)容的科學性和嚴謹性[4]。在實際施工的過程當中，建筑團隊要采用優(yōu)質(zhì)的搭建材料和工藝來提高建筑鋼結(jié)構(gòu)的抗震性和消振性，這樣，不但能為人們提供一個舒適、良好的居住環(huán)境，還能使得建筑的整體安全性能得到提升。在施工完成之后，還要利用科學的儀器來對防震性能進行檢驗，確保建筑的防震措施與相關(guān)的規(guī)則和標準相符。

圖1錨筋連接

4.2 有效落實抗震設(shè)計理念

要把抗震理念貫穿于整個建筑設(shè)計方案的全過程，以此促進建筑鋼結(jié)構(gòu)防震性能的提升。在進行實際設(shè)計時，要對鋼結(jié)構(gòu)的承載范圍進行綜合全面的分析，然后合理設(shè)置空間布局，提高建筑鋼結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。在進行建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程當中，主要的設(shè)計理念就是寬敞、通透，能夠為住戶提供一個良好的居住感受[3]。在實際建設(shè)時，要優(yōu)先選擇質(zhì)地較硬的鋼材料，防止在實際施工時出現(xiàn)彎曲。

4.3 充分考慮建筑的整體性

在對建筑鋼結(jié)構(gòu)進行設(shè)計的過程當中，要從建筑的整體性出發(fā)，依據(jù)建筑的不同受力特點來使其與防震需求相適應(yīng)。在實際施工時，要加強鋼結(jié)構(gòu)各個部件之間的緊密聯(lián)系，并對它們的受力強弱關(guān)系進行有效調(diào)整，使得鋼結(jié)構(gòu)能夠均衡受力。建筑團隊要對建筑的總體性給予高度的關(guān)注，避免過于重視局部穩(wěn)定而出現(xiàn)受力不均勻的情況。同時，還要把鋼結(jié)構(gòu)變形區(qū)域的轉(zhuǎn)移工作做好安排，這也是促進建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震性能提升的有效方法，增強建筑的整體性，最大程度降低地震災(zāi)害給建筑物質(zhì)量帶來的不良影響。

4.4 優(yōu)化建筑抗震性能，達到建筑設(shè)計標準

建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)應(yīng)重點考慮抗震性能的優(yōu)化，抗震性能是否得到保障將直接影響建筑結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性，因此若要從根本上提高建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學性，保障建筑結(jié)構(gòu)的使用性能，那么就要從結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)入手層層把關(guān)，高度重視抗震性能的設(shè)計與優(yōu)化，盡可能從整體性角度入手予以分析，為施工進度的有效開展、施工質(zhì)量達到預(yù)期營造良好的外在條件，相應(yīng)的延長建筑工程的使用壽命，免受地震等惡性災(zāi)害的影響。

我國是地震災(zāi)害頻發(fā)的國家，發(fā)生地震災(zāi)害將帶來巨額財產(chǎn)損失，并伴隨著大量的人員傷亡，因此，有必要從根本上降低地震所帶來的社會損害，其中建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的抗震性能優(yōu)化可謂是重中之重，要求設(shè)計人員在設(shè)計工作開展前確定建筑工程施工目標，然后有針對性地實施實地勘察，為設(shè)計工作的有效落實提供數(shù)據(jù)參考，從而使得設(shè)計方案的實施更具科學性與有效性[5]。除此之外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，也要對設(shè)計理念進行更新，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計的完善，極大地提升并保障建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，最大程度地降低地震災(zāi)害所帶來的負面影響，并為建筑工程的使用營造有利的外在條件。

4.5 優(yōu)化建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，突出科學性

建筑類型不同，那么所運用的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案也將存在一定的差異性，例如，如若針對多層建筑設(shè)計，設(shè)計人員會通過底部剪力法達到預(yù)期的質(zhì)量控制標準，如若面對底層框架結(jié)構(gòu)，那么則會以雙保險的計算方式，大大提高結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性與合理性?；谝延械脑O(shè)計經(jīng)驗，還應(yīng)對設(shè)計結(jié)構(gòu)加以優(yōu)化，采取先進的設(shè)計方案，結(jié)合現(xiàn)階段施行的建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準，嚴格落實相關(guān)規(guī)范，避免出現(xiàn)質(zhì)量折減的問題，從根本上保證結(jié)構(gòu)設(shè)計的有效性，并突出抗震設(shè)計的重要地位。

4.6 引進新材料，使工程更具耐久性

建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中抗震設(shè)計工作的開展，應(yīng)確保設(shè)計方案的先進性與前瞻性，緊隨行業(yè)的發(fā)展步伐，優(yōu)化傳統(tǒng)的設(shè)計理念，創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，秉承著提高抗震性能、確保工程使用可靠、安全的原則，積極引進新材料、先進的技術(shù)手段、科學的設(shè)計理念等，進一步突出建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的前瞻性，避免被行業(yè)所拋棄。材料如何選擇將直接影響工程使用壽命，在工程設(shè)計環(huán)節(jié)，設(shè)計人員應(yīng)重視新建筑材料的使用，基于所掌握的建筑勘察數(shù)據(jù)，選擇最為適宜的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，以其延長建筑工程使用壽命，使之更具耐久性。

4.7 注重鋼結(jié)構(gòu)的加固設(shè)計

①應(yīng)做好鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面位置的加固設(shè)計。

設(shè)計中可以讓一個桿件受彎變成多個受彎，這樣便可將荷載分散開，避免集中荷載對鋼結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的不利影響，以此來實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)頂端位置支撐力的良好改善。對于筒支和支座相互連接的位置，應(yīng)借助于撐桿結(jié)構(gòu)來起到支撐作用，并對鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)的連續(xù)結(jié)構(gòu)位置加以適當調(diào)整，讓應(yīng)力拉桿可以有效滿足其分布截面中的實際內(nèi)力條件。

②應(yīng)做好銜接位置的加固設(shè)計。

設(shè)計中應(yīng)對鋼結(jié)構(gòu)具體的施工要求、施工條件及受力情況等各個方面進行準確分析，并以此為依據(jù)通過螺栓、焊接以及鉚釘?shù)鹊姆绞絹碜龊娩摻Y(jié)構(gòu)銜接位置的加固處理[6]。比如，在對某大橋中的楔形鋼結(jié)構(gòu)連接進行設(shè)計的過程中，設(shè)計者將其底板設(shè)計為9.6m，頂板設(shè)計為12m，界面高度設(shè)計為37.95m，高度設(shè)計為11.4m，然后通過倒直角梯形的形式來進行對稱結(jié)構(gòu)施工，去鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計為三明治形式。這種設(shè)計不僅為該橋梁建筑工程的鋼結(jié)構(gòu)施工提供了一個全新的思路，同時也使其整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性得到了良好保障。

4.8 做好鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件設(shè)計

①應(yīng)保證應(yīng)用的材料與國家相關(guān)標準相符，而且其應(yīng)力應(yīng)該符合實際建筑工程對于鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力需求。

②在進行鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安裝設(shè)計中，應(yīng)使構(gòu)件保持平衡，這樣才可有效保障力學傳導(dǎo)水平及其擴散性能。

③應(yīng)將二階法的作用與功能加以適當發(fā)揮，讓柔性結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性得以良好保障，滿足實際工程設(shè)計中的鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性標準。這樣便可讓建筑工程中的整體鋼結(jié)構(gòu)免受彈性形變所造成的不利影響，盡最大限度保障其結(jié)構(gòu)質(zhì)量，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的進一步提升。

5 建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震的運用

5.1 梁柱剛性連接抗震設(shè)計

目前，我國通常會采用鋼結(jié)構(gòu)來進行梁與柱的剛性連接，這種方法可以有效節(jié)約鋼材，而且構(gòu)造簡便，還能使得工期大大縮短。但依據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，這種形式的節(jié)點不適用于國外，脆性斷裂是致使房屋倒塌的主要原因。所以，為了防止梁與柱在焊接過程當中出現(xiàn)不足和缺陷，還可以應(yīng)用梁與梁之間的拼接方式。

5.2 門式剛架抗震設(shè)計

與單層的房屋建筑有所不同，門式剛架的自重較輕，可以在實際建設(shè)時應(yīng)用在墻面和屋面上。所以，依據(jù)《抗規(guī)》規(guī)定，在對單層輕型的廠房進行建設(shè)時，不能應(yīng)用門式鋼架抗震設(shè)計[7]。首先，從設(shè)計上的角度上來看，單層的輕型門式房屋鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量較輕，不用對7度以下的抗震烈度設(shè)防地區(qū)進行驗算，但如果大于7度，那么就要從鋼結(jié)構(gòu)的橫縱向進行抗震驗算，看其是否符合居住條件。其次，如果地震控制設(shè)計出現(xiàn)效應(yīng)組合作用時，那么就要采取相應(yīng)的抗震措施，使其與輕型鋼結(jié)構(gòu)的特點相符。

6 結(jié)束語

綜上所述，在對建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震進行設(shè)計的過程中，關(guān)鍵的設(shè)計內(nèi)容就是要提高建筑鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能。這就需要建筑團隊要熟練的應(yīng)用建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，通過反復(fù)的實踐才能使得抗震設(shè)計更加的優(yōu)化和完善，進而提高建筑鋼結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，促進建筑物整體性能的提升。