建筑钢结构抗震设计及运用探析

建筑钢结构抗震设计及运用探析

目录

1 引言

2 建筑钢结构及结构抗震设计重要性

3 钢结构稳定性设计的影响因素

4 钢结构技术规程的抗震设计与应用

4.1 抗震计算方式

4.2 水平地震影响系数确定

4.3 钢结构设计要求分析

5 钢结构抗震性能提升建议

5.1 做好建筑场地的选择

5.2 合理选择钢结构类型

5.3 抗震装置以及抗震措施的设计

6 结语

参考文献

1 引言

地震灾害会对建筑物的安全性以及稳定性产生严重影 响，如果建筑物的抗震等级没有达到要求，就会发生断裂，甚 至是倒塌等问题，对人们的生命财产安全造成直接威胁。为有 效提高建筑物在地震灾害中的抵抗能力，设计人员加大了对 抗震设计的研究，并着重对钢结构的抗震设计内容展开了相 关分析与研究。

2 建筑钢结构及结构抗震设计重要性

钢材料具有质量轻及弹塑性理想等方面的优势，机械性能较为突出，在建筑行业中有着广泛应用。随着钢结构的大量应用，其具备的良好抗震性能也逐渐显现出来了，得到了设计 方与施工方的青睐。在对钢结构进行设计的过程中，可以按照 国家规范展开结构抗震设计，明确抗震结构的设置方式和方 法，以便最大限度地对结构的安全性进行保障[1]。在相同载荷 工况中，采用钢结构能使构件的厚度更薄且截面尺寸更小，其 优势在钢结构施工中能得到充分的体现，但钢结构也存在着 稳定性较差的不足，容易出现结构失稳的问题。为保证对该项 问题进行妥善处理，实现理想化的钢结构应用模式，需要通过 对单个构件进行分析，对整体结构的稳定性展开推演，做好简 化计算，从而科学展开整体钢结构的设置。

设计人员在进行钢结构的设计过程中，需要做好梁柱的设计，应对结构中构件的相互影响关系展开研究，确定是否存 在结构失稳问题。

3 钢结构稳定性设计的影响因素

对钢结构整体稳定性设计产生影响的因素较多，本文将 重点对非线性因素展开分析。影响钢结构承载能力的非线性 因素主要有以下 4 个方面：

1）几何非线性。在结构加载过程中存在旋转过大以及位 移过大的问题，在对屈曲等问题进行处理时，小变形几何方程 并不适用[2]。需要在问题处理过程中对材料非线性进行研究， 需要将有位移二次方的项融入大位移以及旋转问题的研究 中，对变形平衡问题进行充分考量，禁止出现对线性方程进行 简化的状况。

2）初始缺陷。在具体进行钢结构设计的过程中，可能会 因为结构出现的各种缺陷，对结构承载能力以及稳定性造 成不良影响。一般以偏心值和初始弯曲等几何缺陷为主，初 始缺陷与钢筋力学参数以及初始应力参数等有着密切关联。

3）残余应力。钢结构中的残余应力会导致结构出现扭转， 屈曲载荷发生改变的状况，但不会对欧拉临界载荷产生干扰。 因为应力存在会使压弯构件出现屈服强度过小的状况，会造 成变形过大以及刚度下降的问题，会在没有达到预定载荷数 值时，出现屈服状况，进而造成承载能力下降，二阶效应出现 增加的情况。

4）弯扭失稳。为保证钢结构极限承载能力计算的精准度， 需要在进行结构设计的过程中对材料非线性以及几何非线性 等内容展开深入分析，以便制订出最佳的结构设计方案。对结构产生影响的几何非线性因素主要包括 P-δ 效应与 P-△ 效应2 部分内容。构件弯曲与构件刚体旋转会直接完成 2 个效应。P-△ 效应与钢构架结构稳定性有密切关联，如果没有出现不 同二阶效应，钢构件几何非线性由 P-△ 效应进行控制。对于 多层建筑钢结构而言，P-△ 效应是结构在水平力的作用之下， 出现水平横向位移状况，导致载荷发生偏心问题，进而产生额外弯矩。在弯矩的作用下，会出现结构横向位移进一步增 大的状况，非对称结构会出现扭转问题，会因为扭转问题的 作用，导致抗侧力构件发生偏心问题，从而导致扭矩增加。如 果竖向荷载与横向增加内力能够处于平衡的状态，结构也会 保持相对稳定的状态，反之就会发生失稳问题。因为高层钢 结构框架结构纵横方向的距离相对较大，容易在地震以及强 风的影响下，出现水平位移，所以会直接造成竖向的二阶效 应失稳问题。

鉴于此，在进行设计的过程中，需要对位移产生附加水平 力的影响展开分析与研究。钢结构框架结构要比钢筋混凝土 框架结构的截面积更小，所以其灵活度也会更高，需要更加注 重其稳定性。如果建筑物层数相对较多且设防烈度相对较高， 可能会因为地震的作用而产生较大横向位移，会直接造成框 架结构的几何形状发生明显改变的状况。

4 钢结构技术规程的抗震设计与应用

4.1 抗震计算方式

可运用底部剪力方法，对钢结构展开抗震计算。如果结构 的整体高度相对较高，则需要用分解反应谱法进行计算。抗震 方案设计需要满足地区的具体抗震要求，一般抗震等级在 4~6 级时，需要按照地区的具体抗震要求展开科学设计，结合建筑 物自身情况以及地质等情况合理展开设置，确保建筑整体抗 震强度能够达到实际需求的标准。

设计人员还需要对建筑场地的类型展开分析，需要按照 地区抗震设防烈度的具体情况，科学展开抗震设计。但需要注 意的是，如果建筑属于丙类建筑，需要在原有基础上进行降度 处理。进行地震作用计算时，在对选用重力荷载代表值进行计 算的过程中，需要将恒荷载标准值以及活荷载组合值相加，其 中活荷载的组合值系数为 0.5，各结构具体活荷载组合值系数 也为 0.5，屋面部分的活荷载数值并不记入其中[3]。

4.2 水平地震影响系数确定

在对结构地震影响系数进行确定的过程中，需要按照结 构自振周期、阻尼比以及设计地震分组等各项情况，做好分 析与判断[4]。在进行系数研究的过程中，对其最大值进行分 析，通过对数据的合理选取，保证最终计算结果的精准度。在 对特征周期数据进行选择的过程中，需要按照地震情况实施 分组，做好工程场地类别的划分以及确定工作。如果场地的 抗震设防烈度级别相对较高，一般计算时的特征周期都会设 置为 0.05 s。

4.3 钢结构设计要求分析

在进行钢结构设计的过程中，需要做好衰减指数的分析 与研究，根据相应的方程式展开计算操作[5]。需要通过对阻尼 比以及降斜率等各项参数的合理计算，完成最终的衰减指数 的计算，并要根据公式展开调整系数以及阻尼调整系数的计 算，明确调整系数以及阻尼调整系数的具体情况。通过对建筑钢结构技术规程的抗震设计的分析可以发现，如果建筑的抗震等级为Ⅵ，并不需要对其地震作用进行计 算，也不需要展开抗震截面的计算工作，只需要保证所有设计 能够满足抗震工作的具体要求即可[6]。

5 钢结构抗震性能提升建议

5.1 做好建筑场地的选择

为保证钢结构建筑的抗震性能能够达到预期，需要做好 钢结构建筑的建设地址选择。一方面需要对各地的具体情况 展开分析，明确地区是否处于地震带，掌握地质以及水文等各 项信息，以便在此基础上选择最优的施工地址，保证钢结构的 性能；另一方面，如果需要在复杂地区进行建设，需要对该地 区的灾害发生情况以及以往历史等各项情况展开研究，要在 此基础上制订出较为详细的应对方案，并将其融入抗震结构 设计之中，以便最大限度降低地震灾害对钢结构所产生的不 利影响，保证民众的居住安全[7]。

5.2 合理选择钢结构类型

由于钢结构的抗震体系并不属于单一类型，种类较为丰 富且较为多元化，所以在进行钢结构建筑的施工过程中，需要 按照建筑施工所使用的材料以及钢结构建筑的实际高度，对 相关的施工工艺展开科学选择[8]。应保证所选择的钢结构类型 能够与具体的抗震等级要求相符合，可对施工活动顺利开展 形成有效促进作用，从而为后续各项操作的高质量开展奠定 良好基础。

5.3 抗震装置以及抗震措施的设计

钢结构抗震设计过程中，要加大对重点工程的重视力度， 做好设计，以便达到提高房屋建筑整体抗震等级的目标，最大 限度减少地震灾害对建筑造成的不良影响。同时，需要加大对 减震隔震技术的研究以及优化力度，需要通过对技术的科学 应用，在切实提升房屋建筑抗震能力的同时，达到对整体建筑 结构体系进行优化的目标[9]。可通过对阻尼器的合理应用，将 其科学设置在构件之上，使其按照自身的变形程度对地震所 带来的能量形成有效吸引与消化，减少地震在结构上的作用。

6 结语

设计人员需要认识到钢结构抗震设计对于建筑结构安全 使用的重要性以及必要性，需要加大对抗震设计方式方法的 研究力度。不仅要按照场地的具体情况，做好场地地址选择以及钢结构抗震类型选择，同时还要科学展开钢结构的抗震计算等各项操作，保证钢结构的抗震设计能够达到预期目标，能够实现对钢结构建筑抗震性能的切实强化，从而保证建筑物使用的安全性以及稳定性，为民众的安全使用创造更加理想的建筑空间环境。

【参考文献】

[1]张海滨.多高层钢结构框架结构抗震设计研究[J].低碳世界,2021,11 (6):184-185.

[2]焦亚洲.建筑工程钢结构单层单跨框架的抗震加固设计方法[J].中国住宅设施,2021(5):80-81.

[3]汤嘉虹,宋鹤.高层框架-支撑体系钢结构建筑优化设计案例[J].山西建筑,2021,47(11):60-62.

[4]张磊.抗震设计在钢结构桥梁中的应用探索[J].交通世界,2021(12): 136-137.

[5]齐军帅,杨书杰,陈琛,等.高强钢结构抗震性能分析及经济性评价[J].建筑结构,2021,51(7):73-77.

[6]谢波.不规则钢结构基于不同支撑下的地震响应分析[D].合肥:安徽建筑大学,2021.

[7]钱建伟.不规则高层钢结构抗震性能分析[D].合肥:安徽建筑大学,2021.

[8]康杰.钢结构抗震设计方法探讨[J].工程建设与设计,2021(2):29-30.

[9]马倩玲,徐振宇,刘泽宇.低层装配式钢结构住宅结构体系的对比研究[J].建设科技,2021(2):31-34.