大型鋼結(jié)構(gòu)的防震性能研究

摘 要：為了提升大型建筑的支撐穩(wěn)定性，本文提出了一種基于桁架結(jié)構(gòu)的大型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。依托這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，給出了施工過程中的優(yōu)化流程。進(jìn)一步，分別從虛功、增量、自振3個(gè)角度建立了3種數(shù)學(xué)模型，對大型鋼結(jié)構(gòu)的震動響應(yīng)進(jìn)行分析，并給出了詳細(xì)的解算過程。測試試驗(yàn)過程中，針對大型商場內(nèi)的大型鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防震性能測試，證實(shí)了第三模型的分析效果最佳，也發(fā)現(xiàn)了第5個(gè)測試點(diǎn)位上的震動響應(yīng)最劇烈，需要進(jìn)行加固處理。

關(guān)鍵詞：建筑工程；結(jié)構(gòu)安裝；鋼結(jié)構(gòu)；震動破壞

中圖分類號：TU 391 " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，帶動了科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和各行各業(yè)的快速進(jìn)步。在建筑工程領(lǐng)域，我國在設(shè)計(jì)理念、結(jié)構(gòu)合理性、結(jié)構(gòu)安全性、施工方法、材料選擇等多個(gè)角度獲得了迅猛的發(fā)展[1]。尤其在城鎮(zhèn)化建設(shè)的過程中，各種大規(guī)模、超大規(guī)模建筑開始出現(xiàn)。這些建筑不僅覆蓋面積大，而且高度高，形成了許多超高層建筑。這些建筑不僅成為城市地標(biāo)和名片，也是我國建筑工程技術(shù)發(fā)展成就的縮影。新型建筑的出現(xiàn)增加了建筑的內(nèi)容量，成為大型商業(yè)活動和社會活動的關(guān)鍵場所[2]。在這些建筑內(nèi)部，人流密集度高，從而對建筑物的安全性也提出了更高的要求。為了更好地提升新型建筑的安全性，強(qiáng)度更高的鋼結(jié)構(gòu)被廣泛采用。為了適應(yīng)新型建筑覆蓋面積大的特點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)被不斷拓展，形成了大型鋼結(jié)構(gòu)。大型鋼結(jié)構(gòu)的跨度更大，所需要的鋼結(jié)構(gòu)件數(shù)量更多，各種鋼件之間的有效連接，直接決定了其抵抗震動和破壞的能力[3]。本文以此為出發(fā)點(diǎn)，探究建筑工程中大型鋼結(jié)構(gòu)抵抗震動的能力。

1 大型建筑內(nèi)大型鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)代化的大型都市分布著數(shù)量眾多的大型建筑。這些建筑不僅絕對高度高，而且覆蓋面積大、內(nèi)部容納空間大，這就需要高強(qiáng)度的支撐以保證整個(gè)建筑的安全性和穩(wěn)定性。為了支撐大型建筑的超大覆蓋面積，就需要支撐結(jié)構(gòu)具有更大的跨度，對一般的支撐結(jié)構(gòu)都提出了較大的挑戰(zhàn)。

鋼結(jié)構(gòu)本身具有更高的強(qiáng)度，對包括震動在內(nèi)的各種破壞作用具有更強(qiáng)的抵抗能力，因此廣泛應(yīng)用于高安全性的建筑施工中。但是，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在加工中很難保證具有超長的跨度，從而無法達(dá)到對覆蓋面積有效的保證。為了增加鋼結(jié)構(gòu)的跨度，本文采取了一種桁架結(jié)構(gòu)，這種桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)效果如圖1所示。

針對大型建筑中的鋼結(jié)構(gòu)，本文采取了一種桁架式的設(shè)計(jì)模式。這種桁架結(jié)構(gòu)的核心構(gòu)件是鋼質(zhì)材料的桁架桿。每2個(gè)桁架桿或多個(gè)桁架桿之間通過鉸鏈連接。在鉸鏈的鏈接作用下，各個(gè)桁架桿彼此之間形成了相互支撐，從而達(dá)成了整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

這樣的設(shè)計(jì)模式對施工來說具有更大的便利性，每一個(gè)桁架桿的長度不需要特別長，不僅容易制造，本身的強(qiáng)度高，也便于安裝和施工。通過鉸鏈的固定和支撐作用，多桁架桿結(jié)構(gòu)可以便利地向各個(gè)方向延展，圖1中給出了4個(gè)可能的延展方向。實(shí)際上，圖1給出的是二維平面的示意圖，當(dāng)具體到真實(shí)安裝環(huán)境中，桁架結(jié)構(gòu)可以向三維空間的任意范圍內(nèi)延展施工，以滿足建筑工程的實(shí)際需要。這種延展也最大限度地?cái)U(kuò)大了鋼質(zhì)桁架結(jié)構(gòu)的覆蓋范圍。

為了達(dá)成更高的穩(wěn)定性和安全性，僅采用鋼質(zhì)桁架桿還不夠，還需要在安裝施工中逐步進(jìn)行檢測、加固和優(yōu)化，具體流程如圖2所示。

在鋼質(zhì)桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、安裝過程中，除了結(jié)構(gòu)形態(tài)上的設(shè)計(jì)以外，還需要從整體和局部上充分考慮每一個(gè)桁架桿所承擔(dān)的受力。這樣，就可以根據(jù)受力的波動情況，計(jì)算桁架桿的最小安全截面。此外，在承擔(dān)大型建筑的支撐作用過程中，桁架結(jié)構(gòu)是否會出現(xiàn)位移，位移趨勢和位移的大小是否會構(gòu)成對鋼結(jié)構(gòu)整體的影響。這里還需要考慮的一個(gè)問題就是鋼結(jié)構(gòu)本身的自重是否會引起整體下沉或過大的重力載荷。因此，對桁架桿的質(zhì)量優(yōu)化也很關(guān)鍵，當(dāng)然前提是鋼結(jié)構(gòu)能夠完成支撐作用。最后，一個(gè)最重要的安全問題就是在存在外部震動威脅的情況下，鋼桁架結(jié)構(gòu)是否會發(fā)生共振，是否足以抵抗這種震動破壞，這就依賴對防震性能的分析。

2 大型建筑內(nèi)大型鋼結(jié)構(gòu)的防震性能分析

對大型鋼結(jié)構(gòu)來說，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和施工過程的安全性足以保證大型建筑的有效支撐。因此，大型建筑內(nèi)大型鋼結(jié)構(gòu)的安全風(fēng)險(xiǎn)最可能由外部的震動所導(dǎo)致，例如周圍建筑拆除中的爆破、自然災(zāi)害中的地震等。

各種震動情況出現(xiàn)后，會直接引發(fā)大型建筑的某些指標(biāo)發(fā)生震動響應(yīng)，從而出現(xiàn)變化。這些指標(biāo)又會引發(fā)其他指標(biāo)的間接變化。直接指標(biāo)和間接指標(biāo)變化量的比值稱為震動敏感性，反映了建筑結(jié)構(gòu)對外部震動的響應(yīng)，也是防震性能分析的有效途徑。

為了有效地評估外部震動對大型建筑內(nèi)大型鋼結(jié)構(gòu)的影響，一般可以采用3種方法：第一模型法，即虛功模型法；第二模型法，增量模型法；第三模型法，自振模型法，如圖3所示。

大型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量較多，如果在優(yōu)化過程中計(jì)算每一個(gè)設(shè)計(jì)變量的敏感性系數(shù)，整個(gè)優(yōu)化過程將耗費(fèi)大量時(shí)間，且對整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化來說，精確到構(gòu)件層級的敏感性分析并不具有必要性，可通過概念判斷或工程經(jīng)驗(yàn)將設(shè)計(jì)變量分成組。

針對不同組的設(shè)計(jì)變量，如果設(shè)計(jì)變量改變量相等，那么對敏感性系數(shù)的比較可以轉(zhuǎn)換為對約束條件改變量的比較。等增量敏感性就是指不同構(gòu)件組增加相同成本，引起某約束條件的變化量。通過比較約束條件的變化量，可判斷各構(gòu)件組的敏感性。如果約束條件改變量為正，那么構(gòu)件組的敏感性系數(shù)為正；如果約束條件改變量為負(fù)，那么構(gòu)件組的敏感性系數(shù)為負(fù)；如果約束條件改變量為零，那么構(gòu)件組對約束條件不產(chǎn)生影響。

虛功敏感性系數(shù)分析法通過虛功原理等數(shù)學(xué)、力學(xué)方法推導(dǎo)建立設(shè)計(jì)變量和約束條件之間的顯式關(guān)系，再求出約束條件對某設(shè)計(jì)變量的偏導(dǎo)，即敏感性系數(shù)。可提取結(jié)構(gòu)模型的真實(shí)工況和虛擬工況下構(gòu)件受力、構(gòu)件尺寸及材料參數(shù)，還可以通過編程計(jì)算單根構(gòu)件敏感性系數(shù)，再對同一構(gòu)件組進(jìn)行敏感性系數(shù)的加權(quán)平均（權(quán)重為構(gòu)件成本或體積）。程序僅運(yùn)行1次即可獲得約束敏感性。

增量敏感性分析方法對不同構(gòu)件組增加成比例的成本或體積，利用通用結(jié)構(gòu)分析軟件比較約束條件的變化量，以此判斷各構(gòu)件組的敏感性。構(gòu)件分組越精細(xì)，計(jì)算結(jié)果越精確；但分組越精細(xì)，計(jì)算模型越多，耗費(fèi)的時(shí)間也越長，因此要結(jié)合考慮工程需要和計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度等因素，合理確定構(gòu)件分組的數(shù)量。

2.1 第一模型法

第一模型法，即以震動過程中鋼結(jié)構(gòu)的虛功為核心參量進(jìn)行分析的一種方法。在分析過程中，將大型建筑內(nèi)大型鋼結(jié)構(gòu)的各種設(shè)計(jì)變量對應(yīng)成約束條件，再基于它們建立一種虛功模型。首先，給出模型對每一個(gè)指標(biāo)的敏感性分析公式，如公式（1）所示。

（1）

式中：i為在震動過程中可能會對大型建筑內(nèi)大型鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞的第i個(gè)因素；k為在震動過程中可能會對大型建筑內(nèi)大型鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞的第k個(gè)因素；sik為第k個(gè)因素出現(xiàn)危險(xiǎn)以后第i個(gè)因素也會出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的概率，也就是虛功模型中的敏感性；Δgi為大型建筑內(nèi)大型鋼結(jié)構(gòu)第i個(gè)因素的改變量；Δvk為大型建筑內(nèi)大型鋼結(jié)構(gòu)第k個(gè)因素的改變量。

實(shí)際解算過程中，公式（1）不利于求解，可以采用轉(zhuǎn)化形式求解，如公式（2）所示。

（2）

式中：dgi為大型建筑內(nèi)大型鋼結(jié)構(gòu)第i個(gè)因素的改變量所對應(yīng)的微元；dvk為大型建筑內(nèi)大型鋼結(jié)構(gòu)第k個(gè)因素的改變量所對應(yīng)的微元。

至此，可以得到在外部震動影響下，大型建筑內(nèi)大型鋼結(jié)構(gòu)被引發(fā)的內(nèi)部虛功，如公式（3）所示。

δWe=δWi （3）

式中：δWe為外部震動引發(fā)的實(shí)際功率；δWi為大型建筑內(nèi)大型鋼結(jié)構(gòu)被引發(fā)的內(nèi)部虛功。

也可以由此計(jì)算到大型鋼結(jié)構(gòu)中桁架桿的每一個(gè)震動反應(yīng)，如公式（4）所示。

（4）

式中：δWe為外部震動引發(fā)的實(shí)際功率；k為在震動過程中可能會對大型建筑內(nèi)大型鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞的第k個(gè)因素；P為大型建筑內(nèi)大型鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件總數(shù)；ek為大型建筑內(nèi)大型鋼結(jié)構(gòu)的第k個(gè)構(gòu)件。

2.2 第三模型法

在外部震動的影響下，大型鋼結(jié)構(gòu)可能會隨之產(chǎn)生諧振，這是內(nèi)部固有震動和外部震動相互相應(yīng)的結(jié)果，如公式（5）所示。

（5）

式中：ω為大型建筑內(nèi)大型鋼結(jié)構(gòu)的固有頻率；W為大型建筑內(nèi)大型鋼結(jié)構(gòu)的虛功；M為大型建筑內(nèi)大型鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量；?為大型建筑內(nèi)大型鋼結(jié)構(gòu)的振型。

3 大型建筑內(nèi)大型鋼結(jié)構(gòu)的防震測試

為了驗(yàn)證前述的第一模型法、第二模型法、第三模型法對外部震動引發(fā)的大型建筑內(nèi)大型鋼結(jié)構(gòu)的防震性能的分析，進(jìn)行測試。

公式（1）中，sik代表的是第k個(gè)因素出現(xiàn)了危險(xiǎn)后第i個(gè)因素也會出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的概率，也就是虛功模型中的敏感性。按照第一模型法的公式（1），如果外部震動導(dǎo)致了大型建筑內(nèi)大型鋼結(jié)構(gòu)第i個(gè)因素（例如Δgi為垂直位移）為0.42mm，導(dǎo)致了型建筑內(nèi)大型鋼結(jié)構(gòu)第k個(gè)因素（例如Δvk代表垂直位移）為1mm，那么根據(jù)第一模型法計(jì)算出的震動敏感性sik==0.42/1=0.42。

這里，針對一大型商場內(nèi)的大型鋼結(jié)構(gòu)展開測試，在其上隨機(jī)選擇5個(gè)測試點(diǎn)位，安裝震動測試傳感器，進(jìn)而分別利用3種模型的方法計(jì)算外部震動引發(fā)的鋼結(jié)構(gòu)的震動敏感性，對比結(jié)果如圖4所示。

仍然以第一模型法的震動敏感性計(jì)算為例，位置1處的振動敏感性為0.42。在位置2處，外部震動導(dǎo)致了大型建筑內(nèi)大型鋼結(jié)構(gòu)第i個(gè)因素（例如Δgi為垂直位移）為0.45mm，導(dǎo)致了型建筑內(nèi)大型鋼結(jié)構(gòu)第k個(gè)因素（例如Δvk為垂直位移）為1mm，那么根據(jù)第一模型法計(jì)算出的震動敏感性sik==0.45/1=0.45。以此類推，分別可以計(jì)算出位置3處的震動敏感性為0.54，位置4處的震動敏感性為0.58，位置5處的震動敏感性為0.60。

由圖4可知，3種方法都可以在各自的測試點(diǎn)位上得到大型鋼結(jié)構(gòu)震動敏感性的測試數(shù)據(jù)，其中第三模型法即考慮自振的分析方法可以得到更大的敏感性測試結(jié)果，這證明了第三模型法更有效。

通過5個(gè)測試點(diǎn)位的對比也可以看出，第五個(gè)點(diǎn)位上的震動響應(yīng)最明顯，這也是大型鋼結(jié)構(gòu)最需要加固的位置。

4 結(jié)語

在城鎮(zhèn)化建設(shè)的過程中，各種大規(guī)模、超大規(guī)模建筑開始出現(xiàn)。這些建筑不僅覆蓋面積大，而且高度高，形成了許多超高層建筑。新型建筑增加了建筑的內(nèi)容量，成為大型商業(yè)活動和社會活動的關(guān)鍵場所。在這些建筑內(nèi)部，人流密集度高，從而對建筑物的安全性也提出了更高的要求。為了更好地提升新型建筑的安全性，強(qiáng)度更高的鋼結(jié)構(gòu)被廣泛采用。為了適應(yīng)新型建筑覆蓋面積大的特點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)被不斷拓展，形成了大型鋼結(jié)構(gòu)。大型鋼結(jié)構(gòu)的跨度更大，所需要的鋼結(jié)構(gòu)件數(shù)量更多，各種鋼件之間的有效連接直接決定了其抵抗震動和破壞的能力。本文給出了基于桁架桿+鉸鏈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及施工過程中的優(yōu)化流程，進(jìn)一步通過3種模型法對大型建筑內(nèi)的大型鋼結(jié)構(gòu)對外部震動的響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算。測試結(jié)果證實(shí)了第三模型法得到的效果最佳。

參考文獻(xiàn)

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