建筑工程钢结构单层单跨框架的抗震加固设计方法

许 靖 江西省化学工业设计院

1 前言

钢材由于具有弹塑性好、韧性高、重量轻等优良的机械性能，从而在多层建筑中获得较为广泛的应用。近几年由于经济的飞速发展，人们的观念发生了巨大的转变，多层钢框架结构在我国也获得巨大的市场。很多的住宅、商场、工厂以及高档写字楼都开始应用钢框架结构，而这些建筑在应用钢框架结构后也展示出其良好的抗震性。不仅如此，钢框架结构的轻度更高，施工工期也更短，环保优势也更加突出，因此得到了设计和施工方更多的青睐。过于钢结构的国家规范是根据弹性反应谱中得到的设计地震作用来设计结构的强度，并采取适当的抗震结构措施，以保证结构安全。

与钢筋混凝土结构相比，在相同载荷的情况下，钢结构的截面尺寸更小，厚度更薄。但是这一特点也导致钢结构框架的稳定性较差，失稳成为钢结构破坏性灾难产生的主要原因之一。现阶段我们通常使用单个构件推导整个结构稳定性的简化算法，但在实践中，梁和柱不以独立构件的形式存在，而是框架的一个组成部分。因此，钢框架结构中梁柱的设计必须对框架中各构件的相互影响进行仔细分析。传统的稳定性计算方法用于与假设相似的框架时，近似性很好，但用于与假设条件相差很大的框架，或者复杂的空间框架时容易出现较大误差。而JGJ 99—2015《高层民用建筑钢结构技术规程》中提出用二阶效应的方法对结构稳定性进行校核。

2 影响钢框架整体稳定性的非线性因素

一般情况下力学问题分为线性和非线性两方面。对于线性问题其形变问题较小。在实际情况中若边界不满足方程特性，那么问题是非线性的，而影响承载能力的非线性因素主要包括以下几个方面。

2.1 几何非线性

这类问题的特点是结构在加载过程中位移和旋转较大，例如在解决屈曲等问题时将不再适用较小变形的几何方程，这是因为屈曲问题解决时研究材料是非线性的，在大的位移和旋转问题研究时应变表达式中含有位移二次项，为充分考虑变形对平衡的影响，不能简化为线性方程。

2.2 初始缺陷

在进行实际钢框架结构的设计时，工程结构中总会出现一些缺陷对结构的稳定性和承载力造成影响。钢筋的几何缺陷一般表现为初始弯曲和偏心值，初始缺陷一般为钢筋的初始应力参数和力学参数等。

2.3 残余应力

由于残余应力的存在会使压弯构件的屈服强度减小、刚度降低、变形增大，在没有达到预定载荷时就发生屈服，减小构件的承载能力，相应导致二阶效应增大。

2.4 弯扭失稳

为了让钢结构框架的极限承载能力计算更加准确，本文考虑的主要包括几何非线性和材料非线性两个方面，对这两方面做出相关详细分析。

对钢框架结构产生影响的几何非线性因素主要有P-O效应和P-δ效应这两方面。构件的弯曲引起了P-δ效应，而构件的刚体旋转引起了P-O效应。通常情况下P-O效应和钢框架结构的稳定性存在一定关联，若出现不同的二阶效应，此时钢结构的几何非线性一般由P-Δ效应控制，而不是P-δ效应。对于多层建筑的钢结构，具体的P-O效应过程可描述为：当结构受到水平力时，会产生水平横向位移。横向位移导致载荷偏心，并会产生额外的弯矩。而产生的力矩会进一步导致结构横向位移的增加。而对于非对称结构来说同样存在扭转问题，当结构产生扭转，垂直荷载的合力与抗侧力构件的轴线会偏心，也会导致扭矩增加。简而言之，在垂直载荷的作用下在水平方向方使内力和位移增加的现象叫作P-O效应。若横向增加的内力和竖向载荷最终能够处于平衡状态，那结构可以保持稳定，否则会造成整体的失稳。而对于高层钢框架结构来说，横纵方向距离都较大，受到强风力和地震的影响下水平方向发生位移，会导致竖向方向的二阶效应失稳情况更加严重，所以在设计的过程中需要着重考虑位移产生的附加水平力的影响。

3 地震对建筑造成的危害

地震是一种自然灾害，在全世界每年都有成千上万的地震，但大多数震级都太小，人类无法感受到，而大地震很难预测，在世界范围内造成了大量的人员伤亡和巨大的经济损失。一般来说，建筑抗震程序有四种：（1）建筑结构体系。我国最常用的建筑结构是填充框架结构或框架结构。地震发生时，柱顶在平面内承受较大的剪切力，造成破坏，外墙框架柱也承受较大的剪切力，但也处于墙下受剪状态。在剪力作用下，房屋不会直接坍塌，极大地提高了房屋安全性。（2）建筑物的刚度分布在矩形平面上，用于结构的施工和布置，如地震产生的升力波会让电梯的抗震力构件发生转动，严重时会引起构件的变形，因此发生地震时不能使用电梯。（3）此外，对于平面不对称的建筑，由于三角形、L形和锯齿形结构，在地震前会发生扭转振动。在使用土墙的过程中，由于地下水的过度使用和不透水路面的影响，地下水位可能会下降，土壤可能液化或松动，导致局部沉降，另外，如果软铝的一侧较厚，地震可能导致结构损坏，并加剧损坏。（4）根据我国多次地震资料的统计，总结出以下规律：在抗震作用下，梁板受力严重；在钢筋混凝土结构中，窗下墙体在抗震作用下受到强烈冲击，导致开裂；而在框架结构中，承重柱比梁和垫片损坏更严重，地震发生后，混凝土结构仍能得到较好的保护，基础混凝土结构未受到严重破坏，柱体仍具有较强的抗震能力。

4 建筑工程钢结构单层单跨框架现阶段存在的问题

4.1 选址问题

现阶段我国的城市人口正在不断增长，为了提高城市人口的承载力，需要大量的住宅建设，许多开发商需要扩大建设规模，我国部分不适合建设的地区也被用作建筑工地。如果没有灾害，位置因素对建筑物没有重大影响，但如果发生强烈地震，建筑物将会迅速遭到破坏，倒塌速度相对也较快。

4.2 结构和材料问题

近年来，我国对建筑抗风、抗震设计规范制定得非常详细、明确，但在实践中，为了减少材料的使用和建筑的尺寸，降低工程造价，节约成本，获得更多收益经济个别施工企业经常使用不适合工程施工的材料，或自觉降低施工成本和施工铁的质量。尤其是在钢结构和高层建筑中。一些设计者认为钢结构有足够的抗风抗震能力来抵御危机，因此无需添加地震生成系统，建筑公司也以这种方式设计和建造的建筑物具有重大的安全风险，通常会出现裂缝或其他问题。如果发生地震，部分节点由于不能承受突然的集中应力而受损，导致整个建筑倒塌，居民没有时间逃离建筑。

此外，一些设计者没有充分考虑建筑结构的抗震设计，也不能考虑所有的设计细节，反而会忽略某些细节，留下不合理的设计或建筑结构中的薄弱环节，在发生灾害时，会对某些支撑结构造成局部损坏，在失去支撑时会对整个建筑造成损坏。我国建筑业的快速发展，导致了建筑业对于钢需求量的增长和价格的上涨，所欲有些建筑公司正在逐步的减少钢的用量，这种方法从理论上讲，不影响建筑物的正常使用，但建筑物的抗震性能会受到很大的影响，一旦遇到强震，建筑物会在较短的时间内倒塌。

5 建筑工程钢结构单层单跨框架的抗震加固设计措施

5.1 选址方面

除了地震的影响外，建筑物震害的另一个重要因素是地震通过地基产生巨大的冲击力，破坏建筑物的地基，导致建筑物倒塌，因此，在抗震施工技术中应正确选择地点。施工方案编制、现场调查、地质条件和土壤类型、破碎度、粘度、含水量等必须严格执行，仔细检查选择目标区域，并选择高强度的土壤施工场地，通过碾压等技术获得更高的压实度和稳定性。不利于建筑物抗震设计的地方，如液化土，要避开，施工时应注意选址，并采取适当的加固措施，以提高建筑物的抗震能力。

5.2 结构设计方面

5.2.1 高层钢结构的定义

在目前的建筑技术中，高层钢结构无处不在，是建筑抗震的主要组成部分，钢结构体系是高层建筑的主体框架，可以大大提高建筑的抗震性能，目前我国大多数建筑都存在这种结构。

5.2.2 叠层橡胶垫基础隔震体系

橡胶隔热体系是目前抗震结构的最佳选择，它具有广泛的适应性，可用于各种结构结构。另外，该体系造价相对较低、抗震能力强，深受设计者的喜爱。经过多年的实践工作和室内试验，叠层橡胶垫基础隔震体系在隔震系统的基础上得到了很大的发展，有了更好的性能。首先，叠层橡胶垫基础隔震体系具有很好的耐久性、较强的耐酸腐蚀性和抗氧化性，可长期保持完整，不受潮湿或其他腐蚀因素的影响；第二，橡胶基复合保温材料的隔热效果十分显著，与其它常规地震系统相比，可以降低地震放大的强度，有大量的安全储备，大大提高了安全性能。

5.3 建筑材料方面

在建筑抗震施工技术中，材料问题将直接影响建筑抗震性能，在施工过程中，应充分重视施工方案的设计，材料的选择、储存和维护。应根据以下条件选择材料：应在潮湿和多雨地区选择耐腐蚀材料，金属材料应做防锈处理，在易下雨地区选用耐酸腐蚀材料，做好材料的储存、分类和防止老化，改善材料性能，减少裂缝发生。

6 结语

在建筑施工过程中，应特别注意施工和抗震施工，严格遵守国家有关规定，确保居民安全，采用科学的地震规划方法，选用高性能原材料，提高建筑的安全性和抗震性能。