鋼結構抗震設計詳解

   日期：2017-04-19

    鋼結構框架相對磚混框架等其他框架，像北京鳥巢，有著龐大的體積、復雜的傳力體系、布置有眾多大噸位設備以及明顯的質量偏心等，使其結構設計特別是抗震設計有著明顯的差別，這就對結構設計人員有著較高的要求，從結構體系的選型、抗震、隔震消能等方面都要有所了解，并要有清晰的概念和對新技術的敏感性，才能做到設計合理，技術先進。

  

    傳統的防震觀點是要求結構具有一定的抗震性能，在這方面有兩種思維方式：一是提高結構的剛度來抵抗地震作用；另一種是采用允許結構有一定的柔性變形，從而使其在變形過程中吸收、釋放一定的能量。在不增加重量、不改變剛度的前提下，提高總體強度和剛度是兩個有效的抗震途徑。

    而現在以及今后建造的鋼結構框架將是越來越多的坐落在高烈度地區，這樣就迫使設計人員要從另一個方面來考慮——減震消能。

    對結構地震反應有重要影響的主要有兩個因素：① 結構物的基本周期；② 阻尼比。

    當采用消能機構后基本都在很大程度上延長了建筑物的基本周期，從而避開了地震輸入的高能量頻段，采用高阻尼減震裝置使建筑物具有大變形的能力和強自復位能力。

    【對阻尼器的要求】

    第一，在小振幅的振動下，呈線性反應，不產生很大的阻尼，但剛度很大，從而限制結構的位移。

    第二，在強烈振動時，阻尼器的一部分可以失效，從而允許大變位和大阻尼，以達到隔震目的。

    第三，隔振阻尼裝置的豎向剛度遠大于其水平剛度。由日本的震后調查來看凡是安裝了消能、隔震裝置的建筑均未遭到較大破壞或未有破壞。當采用疊層橡膠墊等靠摩擦變形來消能的裝置，其接觸面之間的摩擦系數應大于0.20，用以限制上部結構的水平加速度不超過0.2g。

    磁流變減震器是利用可極化的固體顆粒分散在絕緣溶劑中形成的懸浮液，在外加磁場的作用下，固體顆粒在磁場方向排成鏈狀結構，產生很大的抗剪切力，此變化過程迅速，可逆，易于控制且連續可控，通過改變外加的電流大小來改變磁場強度。因此在地震作用下，通過敏感電阻變化來導致電流變化造成磁流變減震器產生效能所需要的剪切力，來達到減震消能的目的。

    對于在結構中采用的摩擦消能支撐，由實驗表明，不論振動時間持續多久，在不同頻率、不同烈度地震作用下，支撐中的最大動應力不變；又由于消能支撐的滑動，有效地耗散掉已經輸入到結構中的地震能量，這種效應可推遲框架產生屈服的地震烈度約2—2.5度。


    鋼結構框架的結構布置體系有兩種形式：① 鉸結體系；② 剛接體系。

    鉸接體系其傳力途徑明確，設計、施工、安裝簡單但其要依靠很多的支撐來提高其剛度和整體穩定性，這就給工藝布置帶來諸多不便，而就支撐體系來講其用鋼量也是相當驚人的，通常為主材用量的20%~30%甚至更高。

    在另一方面，鉸接結構體系將在梁中產生較大彎矩8造成梁的耗鋼量比剛接體系增大，而柱主要只承擔軸向力，要比剛接體系中為壓彎構件的柱要省材。鉸接節點要比剛接節點好處理，因此在設計中應能采用這種思路：在由梁柱組成剛架來抵抗側力時，只需一部分梁和柱剛性連接，其余則做成鉸接，既節約材料又簡化結構。

    框架結構的主要缺點就是抗側剛度較小，側向變形較大，這就需要在結構中設剛性跨，但對于剛性跨在地震作用下到底如何分擔地震力尚無明確規定。國外有采用桁架作為剛性跨的，由框一桁架結構的抗震性能試驗研究可知：

    框一桁架結構可以實現“強柱一中梁一弱腹桿”的抗震設計原則，具有典型的多道抗震防線特征，彈性階段以桁架斜桿為主要承受側向力作用桿料，斜桿隨著裂縫的發展逐漸退出工作，地震作用力逐漸向框架部分轉移。體系的滯回曲線呈反s形，受力明確，便于在設計中控制剛度的分布和塑性鉸出現的部位及順序。

    這樣對于到底采用鉸接體系，還是剛接體系是很難明確地下定義的。要根據場地地震地質、工藝布置、材料選用等情況綜合考慮比較后選用。



    鋼結構框架的抗震的力學性能與計算模型吻合情況如何主要取決于三個方面：構件、節點、支撐。

    對于構件問題，其在彈性工作狀態下的性能已是十分清楚，也有很好的計算方法。在鋼結構框架體系中，關于構件是否能允許進入塑性階段，這還有待于探討，一般情況下對重要結構，是不允許進入塑性階段，即不考慮利用構件進入塑性后的那一部分能力，把這一部分能力作為安全儲備。

    另外，由于設計用地震動輸入的欠準確性和結構在地震時的非彈性破壞機理的復雜性，使得“塑性結構”的設計方法無法準確預知結構遇到地震時的破壞程度。這樣一來，對于鋼結構構件在彈性狀態下的受力性能現在已有很好的解決了。

    而對于鋼構件的空間扭轉情況，節點連接情況等迄今沒有得到解決。結構的質心和剛心偏離愈大時，水平力的空間結構的扭轉作用就愈大，各樓層的質心和剛心之間也不可能不存在偏心，在地震平動分量作用下將發生扭轉振動，此時空間結構的表現為空間振動。

    這時必須考慮其扭轉效應，偏心結構的地震反應與頻率比、偏心率、結構自振有關。許多國家的規范規定，對偏心不大的結構的抗震計算，仍采用動力偏心矩法的簡化計算。

Eurocode8 規范中的e1稱為附加偏心距，由下式求得的值中取較小的一個。     e1=0.1(A+B)(10es /B)1/2≤0.1(A+B)     e1=(1/2es){p2-es2-r2+[(p2+es2-r2)2+4es2r2]1/2}     式中如果 r2>5(p2+es2) 時，不加e1，es為建筑質心與剛心之間的距離，稱為靜力偏心距。B為建筑物的寬度。

    所以按平面框排架來代替空間結構進行分析將會帶來很大誤差，使結構設計偏于不安全。因此，用采用平面模型計算出的結果要乘一放大系數—結構的空間作用調整系數。

    另外，當考慮空間結構的扭轉作用時，對屋蓋的剛度要求就會有很大變化，因為在整個結構體系中，屋蓋的抗扭剛度對扭矩的抵抗作用是非常明顯的。

在計算模型中可按下式考慮屋蓋提供的水平剛度：K=(L/S)k     式中：L—廠房長度或防震縫區段長度；               S—屋蓋質點間水平距離；               k—單位面積屋蓋沿廠房縱向的水平等效剪切剛度基本值。     根據清華大學等單位的實測數據，對鋼筋混凝土無檁屋蓋取2×104KN，有檁屋蓋為0.6×104KN，有完整支撐系統的輕型屋蓋取1×103KN。     在結構進行動力計算時，鋼結構的延性比取為6，阻尼比取為10%~20%。

    基于《建筑抗震設計規范》(GB50011-2001)，設計了3個V型中心支撐鋼框架，采用Pushover方法，得出了其結構影響系數。不同結構體系的設計地震作用與結構影響系數有關。結構影響系數取決于結構延性、強度儲備等。



    鋼結構框架的抗震和消能問題從整體上較由其它材料組成的結構體系優越，這不僅體現在其有較好的強度，還在于其有極好的變形能力和韌性。

    但是鋼結構本身所形成的體系——鉸接或剛接——都在很大程度上存在著剛度和耗鋼量問題，同時鋼結構的變形消能機構工作狀況和判斷準則如何確定迄今均無準確結論。 

    在塑性設計理論中由于每次設計計算中所取的結構所在地的地震動情況的非準確性以及破壞機理的復雜性，其實現有的塑性設計理論并不能反映地震時結構的破壞程度，其次，很多重要結構，是不允許進入塑性的。這些使塑性理論有著很大的欠準確性和局限性。

    減震消能措施是今后結構在強烈地震作用下避免破壞或嚴重破壞的極為有效的手段，但是其存在著造價高和工作機理仍欠清晰的問題。

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