鋼結(jié)構(gòu)抗震與優(yōu)化設(shè)計(jì)探析范文

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摘要：隨著人口的增長以及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地震對(duì)民眾生命財(cái)產(chǎn)安全的威脅不斷增大，民眾對(duì)鋼結(jié)構(gòu)抗震能力要求提升。但鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)及施工時(shí)會(huì)受到不同因素影響，文章通過對(duì)抗震概念設(shè)計(jì)的梳理，結(jié)合震害對(duì)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響提出優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：抗震設(shè)計(jì)；鋼結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)由于自重輕、強(qiáng)度高、韌性及塑性好、裝配化程度高、綠色節(jié)能等諸多優(yōu)點(diǎn)，深受建筑師及結(jié)構(gòu)師青睞，被廣泛應(yīng)用，尤其在大跨度超高層方面優(yōu)勢(shì)明顯。在我國一系列政策的鼓勵(lì)下，鋼結(jié)構(gòu)工程發(fā)展迅猛，迎來行業(yè)發(fā)展的春天。由于我國處于多條地震帶上，地震災(zāi)害頻發(fā)，給人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來極大威脅。因此必須認(rèn)真研究鋼結(jié)構(gòu)抗震性能，優(yōu)化設(shè)計(jì)與施工，為廣大人民群眾提供安全可靠的鋼結(jié)構(gòu)建筑。

1抗震概念設(shè)計(jì)

所謂概念設(shè)計(jì)是指根據(jù)地震災(zāi)害和以往工程經(jīng)驗(yàn)形成的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想，在這些理念指導(dǎo)下進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的平面和豎向布置，并進(jìn)一步細(xì)化完善的設(shè)計(jì)過程。抗震概念設(shè)計(jì)有助于幫助設(shè)計(jì)師明確抗震設(shè)計(jì)思路，恰當(dāng)運(yùn)用抗震規(guī)范中的設(shè)計(jì)原則，在結(jié)構(gòu)計(jì)算前做到思路清晰，心中有數(shù)，少走彎路。《抗震規(guī)范》3.5節(jié)明確規(guī)定：第一，結(jié)構(gòu)應(yīng)具有明確的計(jì)算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑；第二，應(yīng)避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載能力；第三，應(yīng)具有良好的變形能力和消耗地震能量的能力；第四，對(duì)可能出現(xiàn)的薄弱部位，應(yīng)采取加強(qiáng)措施提高其抗震性能。關(guān)于平面和豎向布置《抗震規(guī)范》及《高規(guī)》均有明確要求。具體概括為：建筑物要優(yōu)選體型，盡量做到平面豎向規(guī)則對(duì)稱，整體性好；建筑物宜有多道防線，避免局部削弱形成薄弱部位，產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中或塑性變形；結(jié)構(gòu)在兩個(gè)主軸方向的動(dòng)力特性宜接近；平面上盡量避免凹凸不規(guī)則，扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，樓板不連續(xù)；豎向盡量避免側(cè)向剛度不規(guī)則，抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)，樓層承載力突變等。這是結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)該具備的基本設(shè)計(jì)理念，按照這些原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置，結(jié)構(gòu)計(jì)算的重要控制性指標(biāo)不會(huì)有太大偏差，計(jì)算結(jié)果能夠控制在合理的范圍內(nèi)。

2鋼結(jié)構(gòu)震害分析

鋼結(jié)構(gòu)破壞大致分為兩類：一是整體破壞，即結(jié)構(gòu)整體坍塌；二是局部破壞，包括出現(xiàn)超過規(guī)范允許的位移和變形，構(gòu)件喪失承載能力，連接節(jié)點(diǎn)開裂松動(dòng)，失效等。鋼結(jié)構(gòu)房屋在強(qiáng)震作用下往往表現(xiàn)為強(qiáng)度有余而側(cè)向剛度不足。在往復(fù)地震力作用下鋼結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生如下破壞形式：其一，結(jié)構(gòu)坍塌，這種破壞形式多是由于豎向剛度分布不均勻，樓層承載力突變，形成薄弱層引起。其二，梁柱節(jié)點(diǎn)破壞，歷次震害表明，節(jié)點(diǎn)破壞是發(fā)生最多的一種破壞形式。由于鋼結(jié)構(gòu)的特殊性，鋼材本身可能存在材料缺陷，施工過程中焊接或螺栓連接也可能存在缺陷，設(shè)計(jì)上構(gòu)造不合理等原因，梁柱節(jié)點(diǎn)處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中或受力不均勻，地震力作用下會(huì)出現(xiàn)裂縫，焊接脫落，脆性斷裂，加勁板或腹板的層狀撕裂或屈曲等。其三，豎向支撐的整體或局部失穩(wěn)，支撐為結(jié)構(gòu)提供了較大的側(cè)向剛度，地震力作用下，支撐構(gòu)件的軸向力加大，一旦超出其臨界力，即發(fā)生失穩(wěn)。局部失穩(wěn)多發(fā)生在梁柱翼緣，由于截面尺寸構(gòu)造不合理，如長細(xì)比或?qū)捄癖炔粷M足規(guī)范要求震作用下可產(chǎn)生構(gòu)件的屈曲失穩(wěn)，發(fā)生破壞。其四，柱腳破壞，由于地腳埋置深度不滿足計(jì)算要求，承受較大水平力的柱腳未布置抗剪鍵或抗剪鍵布置有誤，柱腳混凝土短柱配筋不足等原因，柱腳會(huì)發(fā)生由于混凝土破碎或柱腳拔出而造成柱腳破壞，引發(fā)結(jié)構(gòu)倒塌。

3鋼結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1合理選址

《抗震規(guī)范》3.3.1條規(guī)定：選擇建筑場(chǎng)地時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程需要和地震活動(dòng)情況，工程地質(zhì)和地震地質(zhì)的有關(guān)資料，對(duì)抗震有利，一般，不利和危險(xiǎn)地段作出綜合評(píng)價(jià)。對(duì)不利地段應(yīng)提出避讓要求；無法避開時(shí)應(yīng)采取有效措施。汶川地震及歷次震害表明在發(fā)震斷裂帶上建造的房屋，會(huì)遭受毀滅性破壞。

3.2合理選材

建筑用鋼結(jié)構(gòu)材料主要分為鋼材和連接材料兩大類。材料性能好壞直接影響到鋼結(jié)構(gòu)的可靠性。設(shè)計(jì)師應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)的重要性，荷載特征，結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)力狀態(tài)，連接方式，工作環(huán)境，材料厚度及價(jià)格等因素，選用合理的材料以保證結(jié)構(gòu)安全。

3.3合理設(shè)計(jì)

第一，選用合理的計(jì)算模型，真實(shí)模擬結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。對(duì)體型復(fù)雜，結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜的建筑，宜采用有限元模型分析，并至少采用兩個(gè)不同的力學(xué)分析軟件進(jìn)行計(jì)算。第二，計(jì)算簡圖的簡化一定要符合結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)。第三，局部受力復(fù)雜的構(gòu)件，宜按照應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行校核。第四，對(duì)軟件分析的結(jié)果，應(yīng)判斷其合理性，切勿盲目照搬。

3.4節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

（1）柱腳節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。柱腳通常分為三大類：外露式柱腳，外包式柱腳，埋入式柱腳。其中，抗震設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先采用埋入式柱腳。埋入式柱腳適用于獨(dú)立基礎(chǔ)，條形基礎(chǔ)，筏板基礎(chǔ)及樁承臺(tái)等。柱腳的埋入深度應(yīng)按照計(jì)算確定，并不小于構(gòu)造要求。由于柱底彎矩和剪力是通過混凝土受壓來傳遞，故埋入式柱腳對(duì)其周邊混凝土保護(hù)層厚度及配筋均有嚴(yán)格規(guī)定，并對(duì)混凝土施工也有嚴(yán)格要求。由于埋入式柱腳就位后澆筑膨脹混凝土，鋼柱校正難度加大，因此，軟弱地基不宜采用。（2）梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。梁柱連接分為鉸接和剛接兩類：第一類，鉸接。梁柱鉸接連接一般是梁腹板與柱翼緣通過螺栓連接，為保證梁端有足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，應(yīng)控制連接角鋼的厚度，梁端與鋼柱間應(yīng)留有縫隙，應(yīng)使連接板受剪屈服先于焊縫屈服和螺栓失效，以保證計(jì)算假定與構(gòu)造相吻合。第二類，剛接。梁柱的鋼架連接通常采用全焊接，栓焊混合，帶懸臂梁的栓焊混合及帶懸臂梁的全螺栓連接等形式。設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用栓焊混合連接方式。這種連接形式簡單，便于現(xiàn)場(chǎng)安裝，容易保證結(jié)構(gòu)安全。抗震設(shè)計(jì)要求強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件，這種連接通常會(huì)采用在梁上下翼緣處增加楔形板或加蓋板以增加焊縫的長度和厚度，來滿足構(gòu)件屈服時(shí)連接不破壞。若以上兩種方式仍不滿足要求，設(shè)計(jì)師還可采用狗骨式節(jié)點(diǎn)，通過削弱梁端全塑性受彎承載力來滿足規(guī)范要求。

4結(jié)束語

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師應(yīng)分析各類震害，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，理清思路，不斷完善設(shè)計(jì)，保證人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。

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作者:李少英 單位:煙臺(tái)市勘察設(shè)計(jì)審查服務(wù)中心