文/眭思文 深圳市華陽(yáng)國(guó)際工程設(shè)計(jì)股份有限公司廣州分公司 廣東廣州 510000
鋼結(jié)構(gòu)房屋的抗震優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)強(qiáng)度較高、自身重量比較輕。鋼結(jié)構(gòu)材料,相對(duì)于混凝土材料來(lái)說(shuō),要重一些,但是鋼材的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于混凝土材料的強(qiáng)度。如若從承載條件相同下所需要使用的鋼材總重量,會(huì)輕于所需要的混凝土材料重量。從截面形狀來(lái)看,鋼結(jié)構(gòu)的橫截面可以分成2 種,一種是空腹式,另一種是格構(gòu)式,更便于鋼結(jié)構(gòu)的利用,能夠在一定程度上減輕鋼材料的重量。(2)鋼結(jié)構(gòu)的彈塑性比較好。與混凝土材料相比,對(duì)比兩者的應(yīng)力應(yīng)變曲線,可清楚地發(fā)現(xiàn)鋼材料的彈塑性更強(qiáng)一些,而且鋼材料有著較好的延展性,通常情況下鋼材料的延伸率在20%以上,組織較為均勻。鋼結(jié)構(gòu)的這一特性,也在一定程度上提高了鋼結(jié)構(gòu)房屋的抗震能力,能夠減輕地震對(duì)房屋結(jié)構(gòu)的破壞程度。而混凝土材料屬于脆性材料,沒(méi)有彈性,抗拉強(qiáng)度低于鋼結(jié)構(gòu)材料[1]。(3)鋼結(jié)構(gòu)有著不錯(cuò)的耗能性能。對(duì)比鋼材料和混凝土材料的滯回曲線,便能夠?qū)Ρ葍烧叩暮哪苄阅?。所謂耗能性能指的是材料在處于無(wú)彈性變形的時(shí)候,能夠吸收或是耗散的能量,在計(jì)算這部分參數(shù)的時(shí)候,則需要了解塑形變形能力參數(shù)值、構(gòu)件承受動(dòng)力參數(shù)值,這兩個(gè)數(shù)值的乘積壓便可以表示材料耗能性能。
鋼結(jié)構(gòu)房屋的震害主要體現(xiàn)在以下3 個(gè)方面:
(1)鋼結(jié)構(gòu)房屋在遇到地震災(zāi)害的時(shí)候,其可能出現(xiàn)梁柱節(jié)點(diǎn)被破壞問(wèn)題。通過(guò)對(duì)歷史地震發(fā)生后鋼結(jié)構(gòu)建筑所受到的破壞程度進(jìn)行分析,可發(fā)現(xiàn)梁柱位置的剛性節(jié)點(diǎn)處是最常見(jiàn)地被破壞位置,容易出現(xiàn)中梁下翼緣裂縫問(wèn)題,而大部分的裂縫都在焊縫中部。其原因是焊縫在進(jìn)行焊接之后,沖擊韌性不高,留有一定的缺陷,受下翼緣中部腹板的影響,連接工作受阻,致使焊縫不連續(xù)。在翼緣端部破口焊縫位置,因?yàn)橐r板、引弧板,容易出現(xiàn)人工裂縫,豎向力作用下,裂縫尖端應(yīng)力集度系數(shù)會(huì)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)范圍,致使裂縫擴(kuò)大,引發(fā)斷裂現(xiàn)象。梁端應(yīng)力較為集中,容易促使裂縫橫向擴(kuò)展。大多數(shù)情況下,鋼結(jié)構(gòu)的上翼緣不容易被地震破壞,這是因?yàn)闃前寰哂幸欢ǖ膹?qiáng)化作用,而且也沒(méi)有腹板,焊接工作較為順利[2]。(2)在發(fā)生地震災(zāi)害后,鋼結(jié)構(gòu)房屋的支撐連接容易被破壞。側(cè)力構(gòu)件是支撐鋼結(jié)構(gòu)的主要支撐,因此一旦地震災(zāi)害出現(xiàn),那么側(cè)力結(jié)構(gòu)將會(huì)承擔(dān)其作為主要受力結(jié)構(gòu)的作用,若是地震級(jí)別較高,支撐被破壞,便會(huì)形成薄弱層,大大降低了鋼結(jié)構(gòu)房屋的穩(wěn)定性。以螺栓連接支撐方式為例,其常見(jiàn)的被破壞現(xiàn)象為支撐截面削弱部分?jǐn)嗔?、?jié)點(diǎn)板端部剪切滑移被破壞等。如若鋼結(jié)構(gòu)房屋所采用的支撐方式是焊接,那么地震對(duì)其的影響是出現(xiàn)焊縫破壞。(3)鋼結(jié)構(gòu)房屋在遇到地震災(zāi)害后,可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)倒塌破壞現(xiàn)象。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)來(lái)看,遭遇地震的鋼結(jié)構(gòu)房屋出現(xiàn)倒塌狀況,大多數(shù)情況下是因?yàn)殇摬牧系钠矫嫱鈴澢テ椒€(wěn)性。在設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)的時(shí)候,縱橫向的垂直支撐如若出現(xiàn)偏位狀況,便會(huì)影響剛度中心、質(zhì)量中心之間的距離,距離超出標(biāo)準(zhǔn)值,便會(huì)致使鋼結(jié)構(gòu)在遇到地震災(zāi)害時(shí),產(chǎn)生極大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng),鋼柱承受的力度較遠(yuǎn)超于它能夠承載的力量,就會(huì)引發(fā)房屋倒塌現(xiàn)象。
為科學(xué)分析鋼結(jié)構(gòu)房屋抗震性能,應(yīng)當(dāng)采用有限元軟件來(lái)進(jìn)行分析。可利用有限元軟件進(jìn)行建模,然后進(jìn)行模態(tài)分析、非線性時(shí)程分析。可選用ABAQUS 有限元分析軟件,如圖1:
圖1 ABAQUS 有限元分析軟件分析圖
(1)要?jiǎng)?chuàng)建梁?jiǎn)卧考?,做好模型裝配工作。論文所采用的模型建筑高五層,第一層層高為6m,其他層層高為4.5m。水平方向柱和柱之間的距離需控制在6m 左右,垂直方向柱子和柱子的距離應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)為4.5m。創(chuàng)建梁端元,然后進(jìn)行合并,默認(rèn)梁柱節(jié)點(diǎn)焊接在一起,無(wú)需再次設(shè)置,直接在軟件中操作就能夠得到鋼結(jié)構(gòu)裝配結(jié)果。(2)需要定義鋼結(jié)構(gòu)截面。用方鋼管代表柱子,工字鋼代表梁。按照工程的實(shí)際情況來(lái)調(diào)整相應(yīng)的尺寸參數(shù),然后根據(jù)鋼材材料的密度、彈性模量、泊松比來(lái)指派有限元截面。完成之后,要進(jìn)行結(jié)構(gòu)自振模態(tài)分析和自振頻率提取工作。應(yīng)當(dāng)調(diào)整程序類型,選擇線性振動(dòng),然后再選擇適宜的頻率。頻率基本信息中,可設(shè)計(jì)20 個(gè)特征值,對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察,了解其前20 階振型,從結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方面來(lái)看,振型是基本屬性之一,起主導(dǎo)作用的是前兩階振型,與瑞麗阻尼計(jì)算相關(guān)。在分析過(guò)程中,鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)和實(shí)際狀態(tài)保持一致,需設(shè)置邊界條件,固定好結(jié)構(gòu)底部,做好結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分工作。盡量提高計(jì)算效率,縮短計(jì)算時(shí)間,但前提是保障計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。可選用全牛頓計(jì)算方法,完成計(jì)算之后便能夠得到自振頻率,取前兩階的自振頻率來(lái)進(jìn)行瑞麗阻尼計(jì)算。(3)在進(jìn)行瑞麗阻尼計(jì)算的時(shí)候,可以直接套用公式,簡(jiǎn)化公式如下列公式(1),式中αo 和α1 是兩個(gè)比例系數(shù),ε 為振型阻尼比。假設(shè)wi 和wj 給定,則可通過(guò)下述公式進(jìn)行計(jì)算。如果瑞麗阻尼的常數(shù)αo 和α1 確定時(shí),則不朽遵循一定的原則,否則構(gòu)造的阻尼矩陣可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的嚴(yán)重失真。
但要注意的是,鋼結(jié)構(gòu)中的阻尼比應(yīng)當(dāng)設(shè)置為0.05。在這個(gè)步驟中,可以復(fù)制新模型,并修改模型名稱,將阻尼數(shù)值添加至模型材料中。然后需加載重力。該模型中的鋼結(jié)構(gòu)有著較大的長(zhǎng)細(xì)比,容易在抗震性能測(cè)試中出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象,因此要再通過(guò)加載的方式來(lái)檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的重力荷載情況。這一步驟中可啟動(dòng)非線性開(kāi)關(guān),確定最大增量步數(shù)以及初始增量步的大小。場(chǎng)變量輸出中,則需要按照要求來(lái)勾選各項(xiàng)參數(shù),如應(yīng)力分量、E 總應(yīng)變、U 平移和轉(zhuǎn)動(dòng)等。完成定義分析之后,就可以針對(duì)整個(gè)模型,加載目標(biāo)荷載重力,進(jìn)行測(cè)試,等到處理結(jié)果,Mises 應(yīng)力和最大反力均出現(xiàn)于柱腳位置。自重下驗(yàn)算成功之后,表明鋼結(jié)構(gòu)有著不錯(cuò)的收斂性,能夠進(jìn)行地震荷載計(jì)算工作。
(4)要輸入地震波,加載地震。以圖2為例,輸入地震波對(duì)其進(jìn)行基線校正和濾波處理?;谀P停诜治霏h(huán)節(jié)中添加步驟,選擇動(dòng)力隱式。載入地震波,其持續(xù)時(shí)間可設(shè)置在80s 左右,最大增量步數(shù)和初始增量步大小按照1000000 和0,01 來(lái)設(shè)置,其余指標(biāo)默認(rèn)參數(shù)即可。分析步數(shù)變量的時(shí)候,兩個(gè)步驟之間可以增設(shè)加速度,然后施加地震載荷。邊界條件中應(yīng)當(dāng)取消動(dòng)力隱式,以免影響第一步約束條件的傳達(dá),可新建邊界條件。
圖2 地震地面水平及豎向速度時(shí)程曲線
(5)要學(xué)會(huì)分析時(shí)程曲線和彎矩曲率曲線。根據(jù)這兩種曲線的變化可以得出相應(yīng)的結(jié)論,一般情況層數(shù)越低,最大加速值也就越低。受阻尼因素影響,加速度在時(shí)間增加后便會(huì)逐步衰弱,1min 之后加速度會(huì)停止。不同的結(jié)構(gòu)類型在彈塑性層間位移角限值方面有所不同,可基于這一參數(shù)來(lái)計(jì)算地震作用下的頂層位移超限。還可以利用Xtract 軟件來(lái)分析彎矩——曲線曲率,對(duì)方鋼管進(jìn)行截面建模。
完成上述分析之后,可在ABAQUS 軟件中得出計(jì)算結(jié)果,并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行科學(xué)分析:
(1)在利用有限元軟件分析鋼結(jié)構(gòu)的時(shí)候,可通過(guò)加速度時(shí)程曲線,發(fā)現(xiàn)層數(shù)和最大加速度之間的關(guān)系,前者越低,后者也越低。
(2)通過(guò)分析層間位移時(shí)程曲線的時(shí)候,則會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)層數(shù)降低的時(shí)候,最大位移值也有所降低。無(wú)論是層間位移,還是加速度都會(huì)在時(shí)間變長(zhǎng)之后逐漸衰弱,1min后停止。這一分析的目的在于判斷所使用的鋼結(jié)構(gòu),是否能夠滿足于地震作用的要求,是否符合建筑抗震設(shè)計(jì)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
(3)通過(guò)對(duì)彎矩-曲率滯回曲線的分析,能夠找到層數(shù)和曲率之間的規(guī)律,當(dāng)層數(shù)降低的時(shí)候,曲率增大,彎矩值也會(huì)增大。
(4)計(jì)算得出的最終曲率、延性率,能夠判斷鋼材是否具有較好的延性,鋼結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定。在對(duì)彎矩-曲率滯回曲線分析時(shí),可發(fā)現(xiàn)鋼材料的最終曲率是0.178,延性率達(dá)到了22.01。
可從以下幾個(gè)方面,來(lái)探討鋼結(jié)構(gòu)房屋抗震性能的設(shè)計(jì):
(1)可采用鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件拼接建筑結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中的預(yù)制鋼構(gòu)件,會(huì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的變化和影響,構(gòu)件連接的超靜定次數(shù)會(huì)有所增加,這就使得所形成的塑形鉸數(shù)量隨之增加,能夠起到有效的抗震效果。相較于單一的抗震防線來(lái)說(shuō),鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能要更高一些,而且可降低鋼結(jié)構(gòu)房屋倒塌狀況的發(fā)生概率。就算是單純的框架結(jié)構(gòu)房屋,如若設(shè)計(jì)成鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件拼接建筑結(jié)構(gòu),抗震性也能有所提升。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式的優(yōu)勢(shì)在于施工難度不大,較為便捷,所需要耗費(fèi)的工期并不長(zhǎng),鋼結(jié)構(gòu)自身重量相對(duì)來(lái)說(shuō)較輕一些,面積偏小,容易進(jìn)行維修。(2)支撐布置方式。如若鋼結(jié)構(gòu)房屋的樓層較高,屬于高層建筑,那么在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要于框架體系中設(shè)置支撐。也可通過(guò)設(shè)計(jì)水平加強(qiáng)層,來(lái)對(duì)樓層頂點(diǎn)位移、層間位移進(jìn)行有效的控制。增加支撐體系及增設(shè)水平加強(qiáng)層,可以強(qiáng)化鋼結(jié)構(gòu)房屋的整體剛度,減少使用梁、柱位置的鋼材用量,在保證質(zhì)量的前提下,降低施工材料成本。要注意的是不同的支撐布置方式,所受到的地震影響有一定的差異性,需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的選擇。(3)輕型門(mén)式鋼架設(shè)計(jì)。就目前而言,若是按照截面形式來(lái)進(jìn)行劃分,可將實(shí)腹式輕型門(mén)式鋼架分為2 種類型,一種是等截面門(mén)式,另一種則是變截面門(mén)式。通常情況下,輕型門(mén)式鋼架的主體結(jié)構(gòu),由焊接的H 型鋼門(mén)架構(gòu)成,也可以選擇經(jīng)軋制的H 型鋼門(mén)架。在設(shè)計(jì)柱腳部分的時(shí)候,可采用鉸接處理方式,也可以選用剛接方式,屋面、輕型外墻部分的結(jié)構(gòu)則可以使用壓型鋼板。如若采用的是變截面焊接H 型鋼門(mén)式鋼架,則需要把控好腹板的寬度,厚度需固定。門(mén)式鋼架中有一個(gè)楔形構(gòu)件,有梁多個(gè)。輕型門(mén)式鋼架結(jié)構(gòu)(如圖3)的優(yōu)勢(shì)在于施工速度比較快,安裝更加便捷,外觀上要更美觀,抗震性能較好,所需要花費(fèi)的施工成本也比較低。實(shí)際運(yùn)用中多適用于廠房、倉(cāng)庫(kù)房等建筑中。(4)巨型梁設(shè)置。在巨型鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中,要格外重視巨型梁結(jié)構(gòu),其質(zhì)量和性能將直接影響整體的抗震能力。增加巨型梁數(shù)量可以提高整體結(jié)構(gòu)的抗震性。巨型梁的數(shù)量應(yīng)當(dāng)由抗側(cè)剛度需求來(lái)確定,巨型梁柱線的剛度需均勻,達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值。地震災(zāi)害所帶來(lái)的作用力,一旦造成巨型梁位置改變,便會(huì)給鋼結(jié)構(gòu)造成較大的影響。
圖3 輕型門(mén)式鋼架結(jié)構(gòu)
在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)房屋抗震設(shè)計(jì)的時(shí)候,一定要注意以下要求:
(1)所使用的鋼材性能要滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。一般來(lái)說(shuō),在選擇抗側(cè)力結(jié)構(gòu)鋼材的時(shí)候應(yīng)當(dāng)使用b 級(jí)碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。所有的材料都要符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,選擇其他類型的鋼材必須確保鋼材性能可達(dá)標(biāo),有可靠依據(jù)支持時(shí),所選鋼材要進(jìn)行抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度實(shí)測(cè),兩者實(shí)測(cè)值必須控制在1.2 以上,鋼材的伸長(zhǎng)率要在20%以上,屈服臺(tái)階要明顯。與此同時(shí),鋼材的焊接性要達(dá)標(biāo),有符合要求的沖擊韌性。鋼材中的節(jié)點(diǎn)部位若是采用焊接方式,那么鋼板厚度應(yīng)當(dāng)控制在40mm 以上,應(yīng)當(dāng)進(jìn)行板厚方向的拉力測(cè)試,受拉試件破壞后的斷面收縮率要符合我國(guó)《厚度方向性能鋼板》中容許值的規(guī)定。若是鋼結(jié)構(gòu)房屋要求抗震設(shè)計(jì)級(jí)別在c 類以上,則需要選擇用金屬材料來(lái)進(jìn)行焊縫填充。(2)對(duì)結(jié)構(gòu)布置有一定的要求。在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)房屋建筑設(shè)計(jì)的時(shí)候,要有抗震意識(shí),盡量以規(guī)則對(duì)稱結(jié)構(gòu)為主,不可為了追求造型上的美觀性而選擇嚴(yán)重不規(guī)則設(shè)計(jì)方案,這會(huì)降低鋼結(jié)構(gòu)房屋的整體穩(wěn)定性。房屋的平面設(shè)計(jì)、剖面設(shè)計(jì)、立面設(shè)計(jì)都應(yīng)當(dāng)保持簡(jiǎn)單的線條,抗側(cè)力結(jié)構(gòu)要均勻?qū)ΨQ,各樓層的總體剛度中心,需貼合于質(zhì)量中心,避免出現(xiàn)突變狀況。如若必須選擇復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu),進(jìn)行不規(guī)則平面形狀設(shè)計(jì),那么需要設(shè)置防震縫,合理劃分平面,使每一個(gè)平面成為獨(dú)立的單元并保持對(duì)稱。防震縫的寬度要符合要求,至少是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)防震縫的1.5 倍,否則容易導(dǎo)致地震災(zāi)害發(fā)生時(shí),鋼結(jié)構(gòu)房屋各平面之間碰撞。(3)要滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。需先確定鋼結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計(jì)的抗震級(jí)別要求,明確其抗震設(shè)計(jì)烈度,遵循因地制宜原則,綜合考慮房屋建設(shè)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況,基于地基特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)材料性能等,來(lái)選擇適宜的結(jié)構(gòu)體系,可從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)兩方面進(jìn)行對(duì)比。需進(jìn)行簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)圖計(jì)算,為提高鋼結(jié)構(gòu)房屋的抗震性能,如若條件允許可采用多道抗震防線。結(jié)構(gòu)主軸方向動(dòng)力特性需盡量保持一致,避免共振,降低地震帶來(lái)的影響。除此之外,所有的構(gòu)件質(zhì)量要達(dá)標(biāo),不可使用被迫花的構(gòu)件,否則會(huì)降低整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗震能力[3]。
在鋼結(jié)構(gòu)房屋抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中,延性框架抗震設(shè)計(jì)是一種新的方式,其包含了兩種形式,一種是延性抗彎框架,另一種則是延性支撐框架。這兩種形式都能夠起到強(qiáng)柱弱梁的作用。該設(shè)計(jì)的抗震優(yōu)勢(shì)在于能夠避免鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力過(guò)于集中,改進(jìn)了傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)施工質(zhì)量。通過(guò)外移塑性鉸,以及對(duì)塑性鉸進(jìn)行局部的強(qiáng)弱調(diào)整,利于梁柱節(jié)點(diǎn)延性的提升??蛇x擇同心延性支撐框架,也可以選擇偏心支撐框架,需根據(jù)實(shí)際情況來(lái)加以把控,保證鋼結(jié)構(gòu)房屋的強(qiáng)度、剛度,使之達(dá)到規(guī)定的抗震等級(jí)。
鋼結(jié)構(gòu)房屋抗震設(shè)計(jì)中可采用隔震技術(shù),該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展速度飛快,被廣泛應(yīng)用于土木工程中,相較于傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方式來(lái)說(shuō),隔震鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于以下幾個(gè)方面:(1)該結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng),僅是傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的1/4-1/12,能夠避免非結(jié)構(gòu)構(gòu)件,在振動(dòng)下受到損傷,可保證非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的正常使用。(2)在鋼結(jié)構(gòu)房屋中安裝隔震裝置,會(huì)增加5%的造價(jià),但是可以減輕房屋上部結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面,配筋部分會(huì)相應(yīng)減少,施工相對(duì)來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)單一些,綜合來(lái)看,整體的施工成本與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)施工成本相比,更少一些。(3)隔震鋼結(jié)構(gòu)中的平面設(shè)計(jì),靈活性更強(qiáng),可滿足于不同的需求。
總而言之,明確鋼結(jié)構(gòu)房屋抗震性設(shè)計(jì)的重要性,需充分利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù),運(yùn)用先進(jìn)的有限元軟件來(lái)進(jìn)行分析,確保設(shè)計(jì)方案符合實(shí)際要求,能夠達(dá)到抗震等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。