建筑鋼結構抗震設計及運用探析

李俊LI Jun

（安徽實華工程技術股份有限公司，安慶 264000）

0 引言

近些年來，由于地震災害的頻發，使得建筑行業對房屋的抗震性能給予了高度的重視。提高建筑物的抗震性，有效減少地震當中人員以及財產的傷亡和損失，為人們的生命財產安全提供保障。由于建筑結構具有的工程大、體積大等特點，因此，在對其鋼結構進行抗震設計時，要對其產生影響的各種因素進行綜合全面的分析，還要對其進行不斷的實踐和檢驗，最大程度確保建筑物的穩定性和安全性。

1 建筑設計中鋼結構的優勢

1.1 具有較強的韌性、可塑性

在建筑領域中，鋼結構的可塑性、韌性較強。由于這兩點優勢，若建筑處于負載或超載的情況，鋼結構可以實現對作用力的充分分配，使得整個建筑的應力變化幅度得到控制，極大程度地避免了鋼結構斷開、裂開等問題。

1.2 性能好、效益高

在材料、質地上，鋼結構整體分布十分均勻，與力學方面的假定符合度較高。同時，在內部組織、結構上，鋼材料與各項同性契合度更高，其材料波動范圍相對較小，更是在所有建筑材料中具有最理想的彈性。再者，相較于其他建筑工程類型，鋼結構不容易受到環境、氣候等外界因素影響。在其生產加工上，由工廠內部完成加工作業后直接即可運送至建筑工地進行組裝，這就決定了其具有更短的工期，且不會給施工區域的環境帶來較大影響，符合文明施工、綠色施工需求。

1.3 造價成本低

在建筑設計領域，鋼結構應用能夠在保證整體安全性、可靠性的前提下，有效地控制成本投入，保證企業經濟收益。與鋼筋混凝土的應用相比，高層建筑中應用鋼結構的成本消耗相對較低，且在質量上輕于鋼筋混凝土，減少了運輸費用。鋼結構的便捷性會加快施工完成進度，能夠減少人工、工期等方面帶來的費用。

2 建筑鋼結構抗震設計的原則

2.1 建筑區域的合理規劃

由于現代科學技術的推陳出新，建筑團隊可以利用先進的地震檢測儀器來對地震頻發的區域進行判斷和檢測。為了能夠最大程度確保居住人員和建筑團隊的人身安全，要對建筑區域進行科學合理的規劃，盡量避開地震頻發區域，防止埋下一系列的安全隱患。在對普通住宅區進行選擇的過程當中，建筑團隊需要在人流量較大的地方設置疏散通道和逃生通道，保障人們的生命安全[1]。

2.2 合理選擇建筑設計方案

建筑團隊要從選擇建筑的區域實際情況出發來對建筑設計方案進行科學合理的規劃，要對所選區域的實際地形、地貌、周圍環境以及天氣狀況進行綜合全面的分析，然后確定樓層的高低，進而對建筑鋼結構建設進行良好設計。在對建筑方案進行設計時，要確保每一個區域的功能和作用都能得到充分的發揮，防止區域資源浪費，而且，還能在一定程度上促進建筑使用功能的提升[2]?？梢云刚垖I人才來進行鋼結構的設計，也可以通過網絡或是其他渠道來對優質的建筑的設計方案進行借鑒和參考，把優秀的設計理念引入其中，然后與建筑區域的各種實際條件有機結合，使得施工設計方案更加的完善。

2.3 重視高層建筑鋼結構體系

要想確保高層建筑的穩定性和安全性，那么鋼結構是其關鍵的前提和基礎。相關的建筑團隊一定要對高層建筑鋼結構建設給予高度的關注，并進行科學合理的設計。如果想要對高層建筑鋼結構進行良好設計，主要包含兩個方面，即材料的選擇和方案的確立。在材料的選擇上，要選擇與建設規格相符的優質鋼鐵材料來進行框架的搭建，同時，在搭建過程當中，要盡可能的選擇施工效率高的機械設施，促進建筑質量和效率的提升。另外，還要對鋼結構的建造方案進行科學合理的設計和選擇，通過人口居住的密集程度和居住數量來進行具體的鋼結構設計，然后利用現實虛擬技術來對結構設計的科學性、合理性進行檢驗。

表1適用的鋼結構房屋最大高度 （m）

3 鋼結構穩定性設計的影響因素

對鋼結構整體穩定性設計產生影響的因素較多，本文將重點對非線性因素展開分析。影響鋼結構承載能力的非線性因素主要有以下4個方面：

①幾何非線性。在結構加載過程中存在旋轉過大以及位移過大的問題，在對屈曲等問題進行處理時，小變形幾何方程并不適用。需要在問題處理過程中對材料非線性進行研究，需要將有位移二次方的項融入大位移以及旋轉問題的研究中，對變形平衡問題進行充分考量，禁止出現對線性方程進行簡化的狀況。

②初始缺陷。在具體進行鋼結構設計的過程中，可能會因為結構出現的各種缺陷，對結構承載能力以及穩定性造成不良影響。一般以偏心值和初始彎曲等幾何缺陷為主，初始缺陷與鋼筋力學參數以及初始應力參數等有著密切關聯。

③殘余應力。鋼結構中的殘余應力會導致結構出現扭轉，屈曲載荷發生改變的狀況，但不會對歐拉臨界載荷產生干擾。因為應力存在會使壓彎構件出現屈服強度過小的狀況，會造成變形過大以及剛度下降的問題，會在沒有達到預定載荷數值時，出現屈服狀況，進而造成承載能力下降，二階效應出現增加的情況。

④彎扭失穩。為保證鋼結構極限承載能力計算的精準度，需要在進行結構設計的過程中對材料非線性以及幾何非線性等內容展開深入分析，以便制訂出最佳的結構設計方案。對結構產生影響的幾何非線性因素主要包括P-δ效應與P-△效應2部分內容。構件彎曲與構件剛體旋轉會直接完成2個效應[3]。P-△效應與鋼構架結構穩定性有密切關聯，如果沒有出現不同二階效應，鋼構件幾何非線性由P-△效應進行控制。對于多層建筑鋼結構而言，P-△效應是結構在水平力的作用之下，出現水平橫向位移狀況，導致載荷發生偏心問題，進而產生額外彎矩。在彎矩的作用下，會出現結構橫向位移進一步增大的狀況，非對稱結構會出現扭轉問題，會因為扭轉問題的作用，導致抗側力構件發生偏心問題，從而導致扭矩增加。如果豎向荷載與橫向增加內力能夠處于平衡的狀態，結構也會保持相對穩定的狀態，反之就會發生失穩問題。因為高層鋼結構框架結構縱橫方向的距離相對較大，容易在地震以及強風的影響下，出現水平位移，所以會直接造成豎向的二階效應失穩問題。

鑒于此，在進行設計的過程中，需要對位移產生附加水平力的影響展開分析與研究。鋼結構框架結構要比鋼筋混凝土框架結構的截面積更小，所以其靈活度也會更高，需要更加注重其穩定性。如果建筑物層數相對較多且設防烈度相對較高，可能會因為地震的作用而產生較大橫向位移，會直接造成框架結構的幾何形狀發生明顯改變的狀況。

4 建筑結構抗震設計要點

4.1 采取合適的抗震措施

在實際施工的過程當中，建筑團隊要采取合適的抗震措施。選擇建筑材料時，優質的抗震性能材料是首選，還要選擇分子間緊密并且密度大的施工材料。在對建筑設計方案內容進行確定的過程當中，要對逃生通道的設置以及遇到災害之后的相關條款給予高度關注，確保建筑設計內容的科學性和嚴謹性[4]。在實際施工的過程當中，建筑團隊要采用優質的搭建材料和工藝來提高建筑鋼結構的抗震性和消振性，這樣，不但能為人們提供一個舒適、良好的居住環境，還能使得建筑的整體安全性能得到提升。在施工完成之后，還要利用科學的儀器來對防震性能進行檢驗，確保建筑的防震措施與相關的規則和標準相符。

圖1錨筋連接

4.2 有效落實抗震設計理念

要把抗震理念貫穿于整個建筑設計方案的全過程，以此促進建筑鋼結構防震性能的提升。在進行實際設計時，要對鋼結構的承載范圍進行綜合全面的分析，然后合理設置空間布局，提高建筑鋼結構的安全性和穩定性。在進行建筑鋼結構設計的過程當中，主要的設計理念就是寬敞、通透，能夠為住戶提供一個良好的居住感受[3]。在實際建設時，要優先選擇質地較硬的鋼材料，防止在實際施工時出現彎曲。

4.3 充分考慮建筑的整體性

在對建筑鋼結構進行設計的過程當中，要從建筑的整體性出發，依據建筑的不同受力特點來使其與防震需求相適應。在實際施工時，要加強鋼結構各個部件之間的緊密聯系，并對它們的受力強弱關系進行有效調整，使得鋼結構能夠均衡受力。建筑團隊要對建筑的總體性給予高度的關注，避免過于重視局部穩定而出現受力不均勻的情況。同時，還要把鋼結構變形區域的轉移工作做好安排，這也是促進建筑鋼結構抗震性能提升的有效方法，增強建筑的整體性，最大程度降低地震災害給建筑物質量帶來的不良影響。

4.4 優化建筑抗震性能，達到建筑設計標準

建筑鋼結構設計環節應重點考慮抗震性能的優化，抗震性能是否得到保障將直接影響建筑結構的安全性與穩定性，因此若要從根本上提高建筑鋼結構設計的科學性，保障建筑結構的使用性能，那么就要從結構設計環節入手層層把關，高度重視抗震性能的設計與優化，盡可能從整體性角度入手予以分析，為施工進度的有效開展、施工質量達到預期營造良好的外在條件，相應的延長建筑工程的使用壽命，免受地震等惡性災害的影響。

我國是地震災害頻發的國家，發生地震災害將帶來巨額財產損失，并伴隨著大量的人員傷亡，因此，有必要從根本上降低地震所帶來的社會損害，其中建筑結構設計中的抗震性能優化可謂是重中之重，要求設計人員在設計工作開展前確定建筑工程施工目標，然后有針對性地實施實地勘察，為設計工作的有效落實提供數據參考，從而使得設計方案的實施更具科學性與有效性[5]。除此之外，在結構設計過程中，也要對設計理念進行更新，通過結構設計的完善，極大地提升并保障建筑結構的抗震性能，最大程度地降低地震災害所帶來的負面影響，并為建筑工程的使用營造有利的外在條件。

4.5 優化建筑鋼結構設計方案，突出科學性

建筑類型不同，那么所運用的結構設計方案也將存在一定的差異性，例如，如若針對多層建筑設計，設計人員會通過底部剪力法達到預期的質量控制標準，如若面對底層框架結構，那么則會以雙保險的計算方式，大大提高結構設計的可行性與合理性?；谝延械脑O計經驗，還應對設計結構加以優化，采取先進的設計方案，結合現階段施行的建筑鋼結構設計標準，嚴格落實相關規范，避免出現質量折減的問題，從根本上保證結構設計的有效性，并突出抗震設計的重要地位。

4.6 引進新材料，使工程更具耐久性

建筑鋼結構設計過程中抗震設計工作的開展，應確保設計方案的先進性與前瞻性，緊隨行業的發展步伐，優化傳統的設計理念，創新結構設計方案，秉承著提高抗震性能、確保工程使用可靠、安全的原則，積極引進新材料、先進的技術手段、科學的設計理念等，進一步突出建筑鋼結構設計的前瞻性，避免被行業所拋棄。材料如何選擇將直接影響工程使用壽命，在工程設計環節，設計人員應重視新建筑材料的使用，基于所掌握的建筑勘察數據，選擇最為適宜的建筑結構設計方案，以其延長建筑工程使用壽命，使之更具耐久性。

4.7 注重鋼結構的加固設計

①應做好鋼結構構件截面位置的加固設計。

設計中可以讓一個桿件受彎變成多個受彎，這樣便可將荷載分散開，避免集中荷載對鋼結構所產生的不利影響，以此來實現鋼結構頂端位置支撐力的良好改善。對于筒支和支座相互連接的位置，應借助于撐桿結構來起到支撐作用，并對鋼結構內的連續結構位置加以適當調整，讓應力拉桿可以有效滿足其分布截面中的實際內力條件。

②應做好銜接位置的加固設計。

設計中應對鋼結構具體的施工要求、施工條件及受力情況等各個方面進行準確分析，并以此為依據通過螺栓、焊接以及鉚釘等的方式來做好鋼結構銜接位置的加固處理[6]。比如，在對某大橋中的楔形鋼結構連接進行設計的過程中，設計者將其底板設計為9.6m，頂板設計為12m，界面高度設計為37.95m，高度設計為11.4m，然后通過倒直角梯形的形式來進行對稱結構施工，去鋼筋混凝土結構設計為三明治形式。這種設計不僅為該橋梁建筑工程的鋼結構施工提供了一個全新的思路，同時也使其整體結構的穩定性得到了良好保障。

4.8 做好鋼結構的構件設計

①應保證應用的材料與國家相關標準相符，而且其應力應該符合實際建筑工程對于鋼結構的應力需求。

②在進行鋼結構構件的安裝設計中，應使構件保持平衡，這樣才可有效保障力學傳導水平及其擴散性能。

③應將二階法的作用與功能加以適當發揮，讓柔性結構的穩定性得以良好保障，滿足實際工程設計中的鋼結構穩定性標準。這樣便可讓建筑工程中的整體鋼結構免受彈性形變所造成的不利影響，盡最大限度保障其結構質量，實現結構穩定性的進一步提升。

5 建筑鋼結構抗震的運用

5.1 梁柱剛性連接抗震設計

目前，我國通常會采用鋼結構來進行梁與柱的剛性連接，這種方法可以有效節約鋼材，而且構造簡便，還能使得工期大大縮短。但依據相關數據顯示，這種形式的節點不適用于國外，脆性斷裂是致使房屋倒塌的主要原因。所以，為了防止梁與柱在焊接過程當中出現不足和缺陷，還可以應用梁與梁之間的拼接方式。

5.2 門式剛架抗震設計

與單層的房屋建筑有所不同，門式剛架的自重較輕，可以在實際建設時應用在墻面和屋面上。所以，依據《抗規》規定，在對單層輕型的廠房進行建設時，不能應用門式鋼架抗震設計[7]。首先，從設計上的角度上來看，單層的輕型門式房屋鋼結構質量較輕，不用對7度以下的抗震烈度設防地區進行驗算，但如果大于7度，那么就要從鋼結構的橫縱向進行抗震驗算，看其是否符合居住條件。其次，如果地震控制設計出現效應組合作用時，那么就要采取相應的抗震措施，使其與輕型鋼結構的特點相符。

6 結束語

綜上所述，在對建筑鋼結構抗震進行設計的過程中，關鍵的設計內容就是要提高建筑鋼結構的抗震性能。這就需要建筑團隊要熟練的應用建筑鋼結構抗震設計，通過反復的實踐才能使得抗震設計更加的優化和完善，進而提高建筑鋼結構的安全性、穩定性和可靠性，促進建筑物整體性能的提升。