建筑钢结构抗震设计及运用探析

2022-04-22李俊LIJun

价值工程 2022年13期

李俊LI Jun

（安徽实华工程技术股份有限公司，安庆 264000）

0 引言

近些年来，由于地震灾害的频发，使得建筑行业对房屋的抗震性能给予了高度的重视。提高建筑物的抗震性，有效减少地震当中人员以及财产的伤亡和损失，为人们的生命财产安全提供保障。由于建筑结构具有的工程大、体积大等特点，因此，在对其钢结构进行抗震设计时，要对其产生影响的各种因素进行综合全面的分析，还要对其进行不断的实践和检验，最大程度确保建筑物的稳定性和安全性。

1 建筑设计中钢结构的优势

1.1 具有较强的韧性、可塑性

在建筑领域中，钢结构的可塑性、韧性较强。由于这两点优势，若建筑处于负载或超载的情况，钢结构可以实现对作用力的充分分配，使得整个建筑的应力变化幅度得到控制，极大程度地避免了钢结构断开、裂开等问题。

1.2 性能好、效益高

在材料、质地上，钢结构整体分布十分均匀，与力学方面的假定符合度较高。同时，在内部组织、结构上，钢材料与各项同性契合度更高，其材料波动范围相对较小，更是在所有建筑材料中具有最理想的弹性。再者，相较于其他建筑工程类型，钢结构不容易受到环境、气候等外界因素影响。在其生产加工上，由工厂内部完成加工作业后直接即可运送至建筑工地进行组装，这就决定了其具有更短的工期，且不会给施工区域的环境带来较大影响，符合文明施工、绿色施工需求。

1.3 造价成本低

在建筑设计领域，钢结构应用能够在保证整体安全性、可靠性的前提下，有效地控制成本投入，保证企业经济收益。与钢筋混凝土的应用相比，高层建筑中应用钢结构的成本消耗相对较低，且在质量上轻于钢筋混凝土，减少了运输费用。钢结构的便捷性会加快施工完成进度，能够减少人工、工期等方面带来的费用。

2 建筑钢结构抗震设计的原则

2.1 建筑区域的合理规划

由于现代科学技术的推陈出新，建筑团队可以利用先进的地震检测仪器来对地震频发的区域进行判断和检测。为了能够最大程度确保居住人员和建筑团队的人身安全，要对建筑区域进行科学合理的规划，尽量避开地震频发区域，防止埋下一系列的安全隐患。在对普通住宅区进行选择的过程当中，建筑团队需要在人流量较大的地方设置疏散通道和逃生通道，保障人们的生命安全[1]。

2.2 合理选择建筑设计方案

建筑团队要从选择建筑的区域实际情况出发来对建筑设计方案进行科学合理的规划，要对所选区域的实际地形、地貌、周围环境以及天气状况进行综合全面的分析，然后确定楼层的高低，进而对建筑钢结构建设进行良好设计。在对建筑方案进行设计时，要确保每一个区域的功能和作用都能得到充分的发挥，防止区域资源浪费，而且，还能在一定程度上促进建筑使用功能的提升[2]。可以聘请专业人才来进行钢结构的设计，也可以通过网络或是其他渠道来对优质的建筑的设计方案进行借鉴和参考，把优秀的设计理念引入其中，然后与建筑区域的各种实际条件有机结合，使得施工设计方案更加的完善。

2.3 重视高层建筑钢结构体系

要想确保高层建筑的稳定性和安全性，那么钢结构是其关键的前提和基础。相关的建筑团队一定要对高层建筑钢结构建设给予高度的关注，并进行科学合理的设计。如果想要对高层建筑钢结构进行良好设计，主要包含两个方面，即材料的选择和方案的确立。在材料的选择上，要选择与建设规格相符的优质钢铁材料来进行框架的搭建，同时，在搭建过程当中，要尽可能的选择施工效率高的机械设施，促进建筑质量和效率的提升。另外，还要对钢结构的建造方案进行科学合理的设计和选择，通过人口居住的密集程度和居住数量来进行具体的钢结构设计，然后利用现实虚拟技术来对结构设计的科学性、合理性进行检验。

表1适用的钢结构房屋最大高度（m）

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。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[3]。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 建筑结构抗震设计要点

4.1 采取合适的抗震措施

在实际施工的过程当中，建筑团队要采取合适的抗震措施。选择建筑材料时，优质的抗震性能材料是首选，还要选择分子间紧密并且密度大的施工材料。在对建筑设计方案内容进行确定的过程当中，要对逃生通道的设置以及遇到灾害之后的相关条款给予高度关注，确保建筑设计内容的科学性和严谨性[4]。在实际施工的过程当中，建筑团队要采用优质的搭建材料和工艺来提高建筑钢结构的抗震性和消振性，这样，不但能为人们提供一个舒适、良好的居住环境，还能使得建筑的整体安全性能得到提升。在施工完成之后，还要利用科学的仪器来对防震性能进行检验，确保建筑的防震措施与相关的规则和标准相符。

图1锚筋连接

4.2 有效落实抗震设计理念

要把抗震理念贯穿于整个建筑设计方案的全过程，以此促进建筑钢结构防震性能的提升。在进行实际设计时，要对钢结构的承载范围进行综合全面的分析，然后合理设置空间布局，提高建筑钢结构的安全性和稳定性。在进行建筑钢结构设计的过程当中，主要的设计理念就是宽敞、通透，能够为住户提供一个良好的居住感受[3]。在实际建设时，要优先选择质地较硬的钢材料，防止在实际施工时出现弯曲。

4.3 充分考虑建筑的整体性

在对建筑钢结构进行设计的过程当中，要从建筑的整体性出发，依据建筑的不同受力特点来使其与防震需求相适应。在实际施工时，要加强钢结构各个部件之间的紧密联系，并对它们的受力强弱关系进行有效调整，使得钢结构能够均衡受力。建筑团队要对建筑的总体性给予高度的关注，避免过于重视局部稳定而出现受力不均匀的情况。同时，还要把钢结构变形区域的转移工作做好安排，这也是促进建筑钢结构抗震性能提升的有效方法，增强建筑的整体性，最大程度降低地震灾害给建筑物质量带来的不良影响。

4.4 优化建筑抗震性能，达到建筑设计标准

建筑钢结构设计环节应重点考虑抗震性能的优化，抗震性能是否得到保障将直接影响建筑结构的安全性与稳定性，因此若要从根本上提高建筑钢结构设计的科学性，保障建筑结构的使用性能，那么就要从结构设计环节入手层层把关，高度重视抗震性能的设计与优化，尽可能从整体性角度入手予以分析，为施工进度的有效开展、施工质量达到预期营造良好的外在条件，相应的延长建筑工程的使用寿命，免受地震等恶性灾害的影响。

我国是地震灾害频发的国家，发生地震灾害将带来巨额财产损失，并伴随着大量的人员伤亡，因此，有必要从根本上降低地震所带来的社会损害，其中建筑结构设计中的抗震性能优化可谓是重中之重，要求设计人员在设计工作开展前确定建筑工程施工目标，然后有针对性地实施实地勘察，为设计工作的有效落实提供数据参考，从而使得设计方案的实施更具科学性与有效性[5]。除此之外，在结构设计过程中，也要对设计理念进行更新，通过结构设计的完善，极大地提升并保障建筑结构的抗震性能，最大程度地降低地震灾害所带来的负面影响，并为建筑工程的使用营造有利的外在条件。

4.5 优化建筑钢结构设计方案，突出科学性

建筑类型不同，那么所运用的结构设计方案也将存在一定的差异性，例如，如若针对多层建筑设计，设计人员会通过底部剪力法达到预期的质量控制标准，如若面对底层框架结构，那么则会以双保险的计算方式，大大提高结构设计的可行性与合理性。基于已有的设计经验，还应对设计结构加以优化，采取先进的设计方案，结合现阶段施行的建筑钢结构设计标准，严格落实相关规范，避免出现质量折减的问题，从根本上保证结构设计的有效性，并突出抗震设计的重要地位。

4.6 引进新材料，使工程更具耐久性

建筑钢结构设计过程中抗震设计工作的开展，应确保设计方案的先进性与前瞻性，紧随行业的发展步伐，优化传统的设计理念，创新结构设计方案，秉承着提高抗震性能、确保工程使用可靠、安全的原则，积极引进新材料、先进的技术手段、科学的设计理念等，进一步突出建筑钢结构设计的前瞻性，避免被行业所抛弃。材料如何选择将直接影响工程使用寿命，在工程设计环节，设计人员应重视新建筑材料的使用，基于所掌握的建筑勘察数据，选择最为适宜的建筑结构设计方案，以其延长建筑工程使用寿命，使之更具耐久性。

4.7 注重钢结构的加固设计

①应做好钢结构构件截面位置的加固设计。

设计中可以让一个杆件受弯变成多个受弯，这样便可将荷载分散开，避免集中荷载对钢结构所产生的不利影响，以此来实现钢结构顶端位置支撑力的良好改善。对于筒支和支座相互连接的位置，应借助于撑杆结构来起到支撑作用，并对钢结构内的连续结构位置加以适当调整，让应力拉杆可以有效满足其分布截面中的实际内力条件。

②应做好衔接位置的加固设计。

设计中应对钢结构具体的施工要求、施工条件及受力情况等各个方面进行准确分析，并以此为依据通过螺栓、焊接以及铆钉等的方式来做好钢结构衔接位置的加固处理[6]。比如，在对某大桥中的楔形钢结构连接进行设计的过程中，设计者将其底板设计为9.6m，顶板设计为12m，界面高度设计为37.95m，高度设计为11.4m，然后通过倒直角梯形的形式来进行对称结构施工，去钢筋混凝土结构设计为三明治形式。这种设计不仅为该桥梁建筑工程的钢结构施工提供了一个全新的思路，同时也使其整体结构的稳定性得到了良好保障。

4.8 做好钢结构的构件设计

①应保证应用的材料与国家相关标准相符，而且其应力应该符合实际建筑工程对于钢结构的应力需求。

②在进行钢结构构件的安装设计中，应使构件保持平衡，这样才可有效保障力学传导水平及其扩散性能。

③应将二阶法的作用与功能加以适当发挥，让柔性结构的稳定性得以良好保障，满足实际工程设计中的钢结构稳定性标准。这样便可让建筑工程中的整体钢结构免受弹性形变所造成的不利影响，尽最大限度保障其结构质量，实现结构稳定性的进一步提升。

5 建筑钢结构抗震的运用

5.1 梁柱刚性连接抗震设计

目前，我国通常会采用钢结构来进行梁与柱的刚性连接，这种方法可以有效节约钢材，而且构造简便，还能使得工期大大缩短。但依据相关数据显示，这种形式的节点不适用于国外，脆性断裂是致使房屋倒塌的主要原因。所以，为了防止梁与柱在焊接过程当中出现不足和缺陷，还可以应用梁与梁之间的拼接方式。

5.2 门式刚架抗震设计

与单层的房屋建筑有所不同，门式刚架的自重较轻，可以在实际建设时应用在墙面和屋面上。所以，依据《抗规》规定，在对单层轻型的厂房进行建设时，不能应用门式钢架抗震设计[7]。首先，从设计上的角度上来看，单层的轻型门式房屋钢结构质量较轻，不用对7度以下的抗震烈度设防地区进行验算，但如果大于7度，那么就要从钢结构的横纵向进行抗震验算，看其是否符合居住条件。其次，如果地震控制设计出现效应组合作用时，那么就要采取相应的抗震措施，使其与轻型钢结构的特点相符。