建筑钢结构抗震设计及运用探析

官斌斌，郭炳乾，张宝，侯斌，王敬森

（中国建筑第二工程局有限公司华南分公司，广东深圳518000）

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。