钢结构抗震设计分析方法概述

曾 青

中冶南方工程技术有限公司

钢结构抗震设计分析方法概述

曾 青

中冶南方工程技术有限公司

对于当前城市化进程中高层建筑模式的不断推广，使得高层建筑的抗震性能要求逐渐的提高。钢结构作为一种新型的建筑形式，在高层建筑的稳定性和可靠性方面有着非常重要的实用价值，这也是进行高层建筑设计中钢结构抗震设计的应用保障。本文将结合钢结构建筑的基本概述，对如何有效提升高层钢结构建筑抗震设计做深入的探讨，以供参考。

高层；钢结构；抗震设计；分析

1 前言

在现代的建筑施工中，环境保护和建筑材料的升级，逐渐的成为建筑行业发展的新课题。钢结构作为一种新型的建筑形式，一起轻盈的灵活拼接形式，在现代建筑施工中得到了广泛的应用。而且从建筑成本和施工环境保护方面也与传统的建筑形式相比有很大的优势，成为城市化进程中建筑行业发展的一个新向标。特别是对于人口高度密集的城市来说，建筑结构是否具有牢固性和稳定性，是人民较为关注的问题，钢结构自身良好的稳定性使其大量的在人口密集区域的公共设施建设中得到运用。特别是在地震发生的情况下，能够尽可能的降低灾害导致的人身及财产损失。建筑高度越高，抗震要求越高，这就要求必须在高层的建筑设计中，加强对钢结构抗震性能的设计与分析。

2 建筑钢结构的相关概述

钢结构在建筑行业中的应用范围来说，主要是在现代大型城市的建筑中用的比较多。特别是一些人口比较密集的公共区域，比如：桥梁、会所、商场、大兴体育场、机场及高铁站等都有钢结构的广泛应用。随着建筑高层化的发展模式进展，钢结构以其良好的抗震性能也得到了重要应用。而伴随着钢结构抗震性能在材质及设计上的进一步升级，它还将得到更快更广泛的使用。相关的功能也将趋于综合性。这是因为钢结构自身具有以下几个良好的优点：

2.1 自身特有的良好性能

钢结构自身轻、承载能力和抗震性能优越。在传统的大型建筑施工纵横，需要大量的水泥和钢材，水泥生产过程需要消耗很多的材料，同时也会带来严重的环境污染。而轻钢结构施工工艺相对简单，能够进行针对性的灵活设计，在实际建筑设计中进行应用也比较节省材料，且不会导致环境污染。轻钢结构还能够具有自身良好的均匀承受力分散能力和较轻的自重，并可通过骨架型外形设计和组装实现良好的抗震性能和承载效果。

2.2 钢结构施工及装配灵活

钢结构施工比较灵活，能够进行标准化的施工，且具有很高的投资回报。钢结构之所以能够在大型建筑中得以运用，主要是其具灵活的可装配性，不受形式和空间的影响。并且可实现工厂定制式加工和自由组装分离，方便异地生产。在组装中不会占用太多的施工场地，且不会造成环境污染。并且可实现多次的灵活分割和布置，为此钢结构具有很好的市场效应和利润。

2.3 环保无污染

钢结构适应了现代绿色建筑的需求，能够确保施工的环保无污染。钢结构在使用上耗材要远低于砖混结构，施工和生产过程更加趋向于可持续发展的绿色节能要求。另外，钢结构的用料比较容易控制，所产生的少部分废料还能够二次利用。具有很高的异地装备效率，既节省了施工工作量又避免了现场的噪音污染。

3 基于高层的钢结构抗震设计分析

在2001年推出的《建筑抗震设计规范》中就结合小、中、大地震等级，进行了建筑抗震标准的要求：小震不坏、中震可修、大震不倒。针对房屋抗震标准规定，对于现代的高层建筑而言，需要采取合理的抗震设计来确保高层建筑在面临地震发生时的良好抗震性能。

3.1 振型分解设计分析

振型分解又称振型分解反应谱法。这种方法属于在反应谱基础上进行的设计分析。其中用到最多的是加速度谱，在《抗震设计规范》中的反应谱就是以实际的大量地震记录及人工地震绘制综合得到的标注反应谱。当前在用的反应谱主要是单自由度对象形成的，只能反映单自由度问题的动力和地震相应的最大值。振型分解通过拟定静力的计算形式，将实际问题离散成单个自由度的问题，先求解离散对象振动周期和振型，再进行动力方程的给出，最后通过离散求解来进行振型组合。从而实现多自由度问题的单自由度转变，中综合得出反应谱解答。这种方式的不足在于进行的是惯性力的静力处理，所做出的反应谱只能反映最大地震响应值，无法反映地震全过程振动、结构位移及内力变化过程。这种方法优点在于方法和理论简单，容易掌握，所以还是得到广泛的使用。

3.2 时程设计分析

又称直接动力法，是将地震从开始到终止的全过程作用时间细分成多个小时间段，通过积分形式进行分析，这种分析法相比振型分解法，强调了地震持续时间对总体结构的影响。通过逐步积分的形式能够计算出结构振动的不同时刻构件内力和变形信息，能够掌握结构破坏的全过程。时程分析中的困难在于计算需要的恢复力特性曲线较多，地震波的合理选择等。

3.3 静力非线性分析

对于地震中的建筑物倒塌，分析表明主要是变形过大。所以通过对地震作用力下的弹塑性变形的控制和结构预测来进行分析是非常重要的。弹塑性的地震反映分析主要有弹塑性时程分析和静力弹塑性分析两类，其中弹塑性时程分析计算工作量较大，耗时较多，存在较大的使用难度。而静力弹塑性分析能够对结构变形进行很好的反映，而被得以广泛的应用。

3.4 均匀损伤设计分析

高层结构的倒塌主要是存在部分薄弱环节的集中受理超载而导致的破坏。所以，对建筑结构部分薄弱层的均匀损伤设计分析是非常关键的，是提升高层钢结构整体抗震性能的有效方式。主要方法是进行钢结构楼层段的损伤程度划分，然后进行结构的设计分析，最后进行总体的结构调整。

4 结语

总而言之，在城市的不断发展建设中，钢结构已经成为一种重要的建筑材料。特别是在现代建设以高层建筑为发展趋势的前提下，其与传统的混凝土结构相比，具有自身重量轻，抗震性能良好，施工速度快以及绿色环保等很多优点而得到了非常广泛的使用。对于钢结构抗震的设计分析，还需要充分的以实际数据材料为依据，并借助现代化的信息通道和自动化设备来进行应用分析。只有这样才能够确保高层建筑的安全防控效果，并提升整体建筑物的抗震性能。

[1]张海捷.浅谈高层钢结构建筑杭震概念设计「J」.科技致富向导,2012(35).

[2]晓东,陈巍.简述高层钢结构房屋的杭震计算要点「J」.林业科技情报,2011(3).

[3]董赛,刘延.新型建筑以钢为纲—杭萧钢构的新型工业化探索[J].中国建筑金属结构,2012(11).

[4]建筑抗震设计规范(GB20011 － 2010)［S］.北京:中国建筑工业出版社,2010