許 靖 江西省化學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)院

1 前言

鋼材由于具有彈塑性好、韌性高、重量輕等優(yōu)良的機(jī)械性能，從而在多層建筑中獲得較為廣泛的應(yīng)用。近幾年由于經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們的觀念發(fā)生了巨大的轉(zhuǎn)變，多層鋼框架結(jié)構(gòu)在我國(guó)也獲得巨大的市場(chǎng)。很多的住宅、商場(chǎng)、工廠以及高檔寫(xiě)字樓都開(kāi)始應(yīng)用鋼框架結(jié)構(gòu)，而這些建筑在應(yīng)用鋼框架結(jié)構(gòu)后也展示出其良好的抗震性。不僅如此，鋼框架結(jié)構(gòu)的輕度更高，施工工期也更短，環(huán)保優(yōu)勢(shì)也更加突出，因此得到了設(shè)計(jì)和施工方更多的青睞。過(guò)于鋼結(jié)構(gòu)的國(guó)家規(guī)范是根據(jù)彈性反應(yīng)譜中得到的設(shè)計(jì)地震作用來(lái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，并采取適當(dāng)?shù)目拐鸾Y(jié)構(gòu)措施，以保證結(jié)構(gòu)安全。

與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，在相同載荷的情況下，鋼結(jié)構(gòu)的截面尺寸更小，厚度更薄。但是這一特點(diǎn)也導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)框架的穩(wěn)定性較差，失穩(wěn)成為鋼結(jié)構(gòu)破壞性災(zāi)難產(chǎn)生的主要原因之一。現(xiàn)階段我們通常使用單個(gè)構(gòu)件推導(dǎo)整個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的簡(jiǎn)化算法，但在實(shí)踐中，梁和柱不以獨(dú)立構(gòu)件的形式存在，而是框架的一個(gè)組成部分。因此，鋼框架結(jié)構(gòu)中梁柱的設(shè)計(jì)必須對(duì)框架中各構(gòu)件的相互影響進(jìn)行仔細(xì)分析。傳統(tǒng)的穩(wěn)定性計(jì)算方法用于與假設(shè)相似的框架時(shí)，近似性很好，但用于與假設(shè)條件相差很大的框架，或者復(fù)雜的空間框架時(shí)容易出現(xiàn)較大誤差。而JGJ 99—2015《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中提出用二階效應(yīng)的方法對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行校核。

2 影響鋼框架整體穩(wěn)定性的非線性因素

一般情況下力學(xué)問(wèn)題分為線性和非線性?xún)煞矫?。?duì)于線性問(wèn)題其形變問(wèn)題較小。在實(shí)際情況中若邊界不滿(mǎn)足方程特性，那么問(wèn)題是非線性的，而影響承載能力的非線性因素主要包括以下幾個(gè)方面。

2.1 幾何非線性

這類(lèi)問(wèn)題的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)在加載過(guò)程中位移和旋轉(zhuǎn)較大，例如在解決屈曲等問(wèn)題時(shí)將不再適用較小變形的幾何方程，這是因?yàn)榍鷨?wèn)題解決時(shí)研究材料是非線性的，在大的位移和旋轉(zhuǎn)問(wèn)題研究時(shí)應(yīng)變表達(dá)式中含有位移二次項(xiàng)，為充分考慮變形對(duì)平衡的影響，不能簡(jiǎn)化為線性方程。

2.2 初始缺陷

在進(jìn)行實(shí)際鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，工程結(jié)構(gòu)中總會(huì)出現(xiàn)一些缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載力造成影響。鋼筋的幾何缺陷一般表現(xiàn)為初始彎曲和偏心值，初始缺陷一般為鋼筋的初始應(yīng)力參數(shù)和力學(xué)參數(shù)等。

2.3 殘余應(yīng)力

由于殘余應(yīng)力的存在會(huì)使壓彎構(gòu)件的屈服強(qiáng)度減小、剛度降低、變形增大，在沒(méi)有達(dá)到預(yù)定載荷時(shí)就發(fā)生屈服，減小構(gòu)件的承載能力，相應(yīng)導(dǎo)致二階效應(yīng)增大。

2.4 彎扭失穩(wěn)

為了讓鋼結(jié)構(gòu)框架的極限承載能力計(jì)算更加準(zhǔn)確，本文考慮的主要包括幾何非線性和材料非線性?xún)蓚€(gè)方面，對(duì)這兩方面做出相關(guān)詳細(xì)分析。

對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的幾何非線性因素主要有P-O效應(yīng)和P-δ效應(yīng)這兩方面。構(gòu)件的彎曲引起了P-δ效應(yīng)，而構(gòu)件的剛體旋轉(zhuǎn)引起了P-O效應(yīng)。通常情況下P-O效應(yīng)和鋼框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性存在一定關(guān)聯(lián)，若出現(xiàn)不同的二階效應(yīng)，此時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的幾何非線性一般由P-Δ效應(yīng)控制，而不是P-δ效應(yīng)。對(duì)于多層建筑的鋼結(jié)構(gòu)，具體的P-O效應(yīng)過(guò)程可描述為：當(dāng)結(jié)構(gòu)受到水平力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生水平橫向位移。橫向位移導(dǎo)致載荷偏心，并會(huì)產(chǎn)生額外的彎矩。而產(chǎn)生的力矩會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致結(jié)構(gòu)橫向位移的增加。而對(duì)于非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)同樣存在扭轉(zhuǎn)問(wèn)題，當(dāng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，垂直荷載的合力與抗側(cè)力構(gòu)件的軸線會(huì)偏心，也會(huì)導(dǎo)致扭矩增加。簡(jiǎn)而言之，在垂直載荷的作用下在水平方向方使內(nèi)力和位移增加的現(xiàn)象叫作P-O效應(yīng)。若橫向增加的內(nèi)力和豎向載荷最終能夠處于平衡狀態(tài)，那結(jié)構(gòu)可以保持穩(wěn)定，否則會(huì)造成整體的失穩(wěn)。而對(duì)于高層鋼框架結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，橫縱方向距離都較大，受到強(qiáng)風(fēng)力和地震的影響下水平方向發(fā)生位移，會(huì)導(dǎo)致豎向方向的二階效應(yīng)失穩(wěn)情況更加嚴(yán)重，所以在設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要著重考慮位移產(chǎn)生的附加水平力的影響。

3 地震對(duì)建筑造成的危害

地震是一種自然災(zāi)害，在全世界每年都有成千上萬(wàn)的地震，但大多數(shù)震級(jí)都太小，人類(lèi)無(wú)法感受到，而大地震很難預(yù)測(cè)，在世界范圍內(nèi)造成了大量的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。一般來(lái)說(shuō)，建筑抗震程序有四種：（1）建筑結(jié)構(gòu)體系。我國(guó)最常用的建筑結(jié)構(gòu)是填充框架結(jié)構(gòu)或框架結(jié)構(gòu)。地震發(fā)生時(shí)，柱頂在平面內(nèi)承受較大的剪切力，造成破壞，外墻框架柱也承受較大的剪切力，但也處于墻下受剪狀態(tài)。在剪力作用下，房屋不會(huì)直接坍塌，極大地提高了房屋安全性。（2）建筑物的剛度分布在矩形平面上，用于結(jié)構(gòu)的施工和布置，如地震產(chǎn)生的升力波會(huì)讓電梯的抗震力構(gòu)件發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起構(gòu)件的變形，因此發(fā)生地震時(shí)不能使用電梯。（3）此外，對(duì)于平面不對(duì)稱(chēng)的建筑，由于三角形、L形和鋸齒形結(jié)構(gòu)，在地震前會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。在使用土墻的過(guò)程中，由于地下水的過(guò)度使用和不透水路面的影響，地下水位可能會(huì)下降，土壤可能液化或松動(dòng)，導(dǎo)致局部沉降，另外，如果軟鋁的一側(cè)較厚，地震可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞，并加劇損壞。（4）根據(jù)我國(guó)多次地震資料的統(tǒng)計(jì)，總結(jié)出以下規(guī)律：在抗震作用下，梁板受力嚴(yán)重；在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，窗下墻體在抗震作用下受到強(qiáng)烈沖擊，導(dǎo)致開(kāi)裂；而在框架結(jié)構(gòu)中，承重柱比梁和墊片損壞更嚴(yán)重，地震發(fā)生后，混凝土結(jié)構(gòu)仍能得到較好的保護(hù)，基礎(chǔ)混凝土結(jié)構(gòu)未受到嚴(yán)重破壞，柱體仍具有較強(qiáng)的抗震能力。

4 建筑工程鋼結(jié)構(gòu)單層單跨框架現(xiàn)階段存在的問(wèn)題

4.1 選址問(wèn)題

現(xiàn)階段我國(guó)的城市人口正在不斷增長(zhǎng)，為了提高城市人口的承載力，需要大量的住宅建設(shè)，許多開(kāi)發(fā)商需要擴(kuò)大建設(shè)規(guī)模，我國(guó)部分不適合建設(shè)的地區(qū)也被用作建筑工地。如果沒(méi)有災(zāi)害，位置因素對(duì)建筑物沒(méi)有重大影響，但如果發(fā)生強(qiáng)烈地震，建筑物將會(huì)迅速遭到破壞，倒塌速度相對(duì)也較快。

4.2 結(jié)構(gòu)和材料問(wèn)題

近年來(lái)，我國(guó)對(duì)建筑抗風(fēng)、抗震設(shè)計(jì)規(guī)范制定得非常詳細(xì)、明確，但在實(shí)踐中，為了減少材料的使用和建筑的尺寸，降低工程造價(jià)，節(jié)約成本，獲得更多收益經(jīng)濟(jì)個(gè)別施工企業(yè)經(jīng)常使用不適合工程施工的材料，或自覺(jué)降低施工成本和施工鐵的質(zhì)量。尤其是在鋼結(jié)構(gòu)和高層建筑中。一些設(shè)計(jì)者認(rèn)為鋼結(jié)構(gòu)有足夠的抗風(fēng)抗震能力來(lái)抵御危機(jī)，因此無(wú)需添加地震生成系統(tǒng)，建筑公司也以這種方式設(shè)計(jì)和建造的建筑物具有重大的安全風(fēng)險(xiǎn)，通常會(huì)出現(xiàn)裂縫或其他問(wèn)題。如果發(fā)生地震，部分節(jié)點(diǎn)由于不能承受突然的集中應(yīng)力而受損，導(dǎo)致整個(gè)建筑倒塌，居民沒(méi)有時(shí)間逃離建筑。

此外，一些設(shè)計(jì)者沒(méi)有充分考慮建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，也不能考慮所有的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，反而會(huì)忽略某些細(xì)節(jié)，留下不合理的設(shè)計(jì)或建筑結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，在發(fā)生災(zāi)害時(shí)，會(huì)對(duì)某些支撐結(jié)構(gòu)造成局部損壞，在失去支撐時(shí)會(huì)對(duì)整個(gè)建筑造成損壞。我國(guó)建筑業(yè)的快速發(fā)展，導(dǎo)致了建筑業(yè)對(duì)于鋼需求量的增長(zhǎng)和價(jià)格的上漲，所欲有些建筑公司正在逐步的減少鋼的用量，這種方法從理論上講，不影響建筑物的正常使用，但建筑物的抗震性能會(huì)受到很大的影響，一旦遇到強(qiáng)震，建筑物會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)倒塌。

5 建筑工程鋼結(jié)構(gòu)單層單跨框架的抗震加固設(shè)計(jì)措施

5.1 選址方面

除了地震的影響外，建筑物震害的另一個(gè)重要因素是地震通過(guò)地基產(chǎn)生巨大的沖擊力，破壞建筑物的地基，導(dǎo)致建筑物倒塌，因此，在抗震施工技術(shù)中應(yīng)正確選擇地點(diǎn)。施工方案編制、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、地質(zhì)條件和土壤類(lèi)型、破碎度、粘度、含水量等必須嚴(yán)格執(zhí)行，仔細(xì)檢查選擇目標(biāo)區(qū)域，并選擇高強(qiáng)度的土壤施工場(chǎng)地，通過(guò)碾壓等技術(shù)獲得更高的壓實(shí)度和穩(wěn)定性。不利于建筑物抗震設(shè)計(jì)的地方，如液化土，要避開(kāi)，施工時(shí)應(yīng)注意選址，并采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧?，以提高建筑物的抗震能力?/p>

5.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面

5.2.1 高層鋼結(jié)構(gòu)的定義

在目前的建筑技術(shù)中，高層鋼結(jié)構(gòu)無(wú)處不在，是建筑抗震的主要組成部分，鋼結(jié)構(gòu)體系是高層建筑的主體框架，可以大大提高建筑的抗震性能，目前我國(guó)大多數(shù)建筑都存在這種結(jié)構(gòu)。

5.2.2 疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震體系

橡膠隔熱體系是目前抗震結(jié)構(gòu)的最佳選擇，它具有廣泛的適應(yīng)性，可用于各種結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)。另外，該體系造價(jià)相對(duì)較低、抗震能力強(qiáng)，深受設(shè)計(jì)者的喜愛(ài)。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐工作和室內(nèi)試驗(yàn)，疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震體系在隔震系統(tǒng)的基礎(chǔ)上得到了很大的發(fā)展，有了更好的性能。首先，疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震體系具有很好的耐久性、較強(qiáng)的耐酸腐蝕性和抗氧化性，可長(zhǎng)期保持完整，不受潮濕或其他腐蝕因素的影響；第二，橡膠基復(fù)合保溫材料的隔熱效果十分顯著，與其它常規(guī)地震系統(tǒng)相比，可以降低地震放大的強(qiáng)度，有大量的安全儲(chǔ)備，大大提高了安全性能。

5.3 建筑材料方面

在建筑抗震施工技術(shù)中，材料問(wèn)題將直接影響建筑抗震性能，在施工過(guò)程中，應(yīng)充分重視施工方案的設(shè)計(jì)，材料的選擇、儲(chǔ)存和維護(hù)。應(yīng)根據(jù)以下條件選擇材料：應(yīng)在潮濕和多雨地區(qū)選擇耐腐蝕材料，金屬材料應(yīng)做防銹處理，在易下雨地區(qū)選用耐酸腐蝕材料，做好材料的儲(chǔ)存、分類(lèi)和防止老化，改善材料性能，減少裂縫發(fā)生。

6 結(jié)語(yǔ)

在建筑施工過(guò)程中，應(yīng)特別注意施工和抗震施工，嚴(yán)格遵守國(guó)家有關(guān)規(guī)定，確保居民安全，采用科學(xué)的地震規(guī)劃方法，選用高性能原材料，提高建筑的安全性和抗震性能。