鄭明明，張翠艷

唐山市位于華北地震帶區(qū)域，地震發(fā)生較為頻繁，眾所周知地震將造成巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失，其中由于房屋等建筑物的損壞、倒塌而導(dǎo)致的損失占絕大部分，因此，在類似這種地震災(zāi)害易發(fā)區(qū)域進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對鋼結(jié)構(gòu)的抗震能力進(jìn)行充分考慮尤為重要，具有良好抗震性能的建筑物可以極大地保護(hù)人民的生命財(cái)產(chǎn)，減少地震帶來的巨大生命財(cái)產(chǎn)損失。

1 鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所具有的抗震性是不同的，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗壓性要優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)，但抗拉性能略為不足，鋼結(jié)構(gòu)形式的結(jié)構(gòu)不僅抗拉性能好，而且同時(shí)兼具良好的延展性。從而具有良好的抗震性能使之在地震時(shí)發(fā)揮主要的作用。鋼結(jié)構(gòu)廠房建筑是工廠常用的廠房結(jié)構(gòu)，無論是從重量、制作、安裝到施工周期等各個(gè)方面的獨(dú)特優(yōu)勢、還是鋼結(jié)構(gòu)自身具備的延展性、抗震性等優(yōu)點(diǎn)，在地震發(fā)生時(shí)可以很好的抵消掉地震的能量波。優(yōu)質(zhì)鋼各向同性的材料特點(diǎn)使其具有較高的拉伸、壓縮和剪切強(qiáng)度和高的延展性等特質(zhì)。因此在地震中可有效減輕地震反應(yīng)，同時(shí)因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)的彈性形變和塑性形變能力較好，地震發(fā)生時(shí)，通過鋼結(jié)構(gòu)的彈性變形和塑性變形可以有效的抵消一部分地震所帶來的破壞性能量，并配合自重較輕的優(yōu)勢，很好的減輕了和消除部分地震造成的破壞。同時(shí)，在鋼結(jié)構(gòu)施工時(shí)因沒有澆筑支模版等混凝土常用步驟，減少了許多例如噪音，揚(yáng)塵等污染，相較于混凝土作業(yè)，鋼結(jié)構(gòu)一定程度上更為環(huán)保。同時(shí)，廠房設(shè)計(jì)通常要求開間要大，廠房高度往往在20m 以上，若采用混凝土進(jìn)行建造，混凝土自身自重過大，設(shè)計(jì)困難，同時(shí)會造成較大浪費(fèi)，花費(fèi)也是巨大，因此相較之下，廠房設(shè)計(jì)更適合采用鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行。但同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)耐火性較差并且容易被腐蝕，需做好相關(guān)防火及防腐措施。

2 鋼結(jié)構(gòu)的震害特點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)在地震中的破壞形式主要通過節(jié)點(diǎn)、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)整體這三方面的破壞來體現(xiàn)。同時(shí)，在地震作用中，因鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)本身發(fā)生延展性的破壞，是鋼結(jié)構(gòu)破壞的主要形式，可以看的到破壞過程，而不是一瞬間發(fā)生的脆性破壞。這種設(shè)計(jì)符合抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)，材料的延展性破壞有一定的破壞時(shí)間，給予人充分的逃生時(shí)間，很大程度上有效保護(hù)人的生命財(cái)產(chǎn)安全。

2.1 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)破壞

鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)破壞主要包括兩種情況，支撐件節(jié)點(diǎn)處的破壞和連接件節(jié)點(diǎn)處的破壞。通過部分地震實(shí)例來看，很多震后發(fā)現(xiàn)了大量的鋼梁、鋼柱節(jié)點(diǎn)處發(fā)生破壞，并對現(xiàn)場受害情況進(jìn)行研究調(diào)查數(shù)據(jù)分析，鋼結(jié)構(gòu)建筑物梁柱的鋼性破壞大多數(shù)發(fā)生在梁的下翼緣附近，而上翼緣處相對來說破壞要少的多，造成這種現(xiàn)象的可能原因有兩個(gè)方面：一是鋼梁與之連接的屋面板的接縫處發(fā)生了形狀變化，使鋼梁的下翼緣處應(yīng)力瞬間增大，二是安裝過程中焊縫具有缺陷，地震時(shí)缺陷部位發(fā)生破壞。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件破壞

支撐壓屈：地震作用發(fā)生時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)支撐件所收到的壓力超過了它本身的抗壓值，也就是超過了其屈服強(qiáng)度，鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)生發(fā)展支撐壓屈，構(gòu)件發(fā)生破壞。當(dāng)構(gòu)件的寬厚比過大時(shí)，支撐構(gòu)件的失穩(wěn)。因此，對支撐鋼構(gòu)件的寬厚比例設(shè)計(jì)優(yōu)化非常重要，甚至其重要性超過對鋼結(jié)構(gòu)的塑性能力設(shè)計(jì)。

梁柱局部失穩(wěn)：在地震的作用下鋼結(jié)構(gòu)的梁柱會反復(fù)受彎，在梁柱結(jié)構(gòu)彎矩計(jì)算截面最大處可發(fā)生過度使用彎曲過程中產(chǎn)生的失穩(wěn)造成破壞。

鋼柱在水平方向的斷裂破壞：柱子的水平斷裂的原因是豎向地震導(dǎo)致了柱子中出現(xiàn)動拉力和柱子截面的彎矩和剪力的影響，也可認(rèn)為是鋼柱的脆性斷裂。通過對某地地震案例的分析統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)在一棟高層樓房有約60 根柱子發(fā)生了斷裂破壞現(xiàn)象，并且很多都是水平方向的斷口，從而說明都是此部分的破壞均由脆性受拉斷裂引起。根據(jù)研究分析，很多的斷裂發(fā)生在焊口旁，而恰好此處是最容易出現(xiàn)缺陷的部位。壁厚達(dá)50mm 的箱型截面柱暴露在外面，而在冬季施工的過程中，外界溫度較低，焊接過程中厚鋼板出現(xiàn)了過熱現(xiàn)象，這將造成剛才延展性的降低，使鋼材變脆。這時(shí)候鋼柱在地震帶來的巨大豎向作用力下，產(chǎn)線強(qiáng)大扭矩及拉力，從而出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)整體倒塌

最嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)破壞模式是結(jié)構(gòu)的整體倒塌。鋼結(jié)構(gòu)雖然具備了較好的可塑性，形變能力，抵抗地震的能力較好，但并不是不會出現(xiàn)整個(gè)結(jié)構(gòu)的垮塌現(xiàn)象，主要是當(dāng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中在薄弱層時(shí)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)建筑物發(fā)生整體性失穩(wěn)。墨西哥市三個(gè)22 層的鋼結(jié)構(gòu)塔樓在大地震時(shí)發(fā)生了極大損壞，甚至其中一個(gè)幾乎倒塌。經(jīng)過有關(guān)的研究分析可以證明，這三個(gè)塔樓均為框架-支撐結(jié)構(gòu)的鋼結(jié)構(gòu)支撐體系。經(jīng)過分析，整體垮塌的主要原因是塔樓的橫向和縱向支撐的對稱設(shè)計(jì)不合理。如果鋼結(jié)構(gòu)不規(guī)則，支撐在橫向和縱向的偏差非常大，會造成整體鋼結(jié)構(gòu)框架的兩個(gè)中心不符，分別是剛度中心和質(zhì)量中心。這樣會造成嚴(yán)重的后果，框架整體的扭曲效應(yīng)會成倍放大，如果地震帶來的破壞性能量超過承載力，則就發(fā)生了這種整個(gè)結(jié)構(gòu)的垮塌現(xiàn)象。因此在設(shè)計(jì)過程中，要著重考慮鋼結(jié)構(gòu)框架體系的對稱性。

3 鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)形式有主動和被動兩種控制形式。其中第一種主動控制，例如采用阻尼器的動力主動對結(jié)構(gòu)施加反向作用，抵消地震作用力，改變結(jié)構(gòu)的動力特征；第二種被動控制，將結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化改善，即改善結(jié)構(gòu)的特征，來優(yōu)化結(jié)構(gòu)的抗震性能。鋼結(jié)構(gòu)廠房由于其跨度較大，且層數(shù)較少，不宜采用主動控制形式，且鋼結(jié)構(gòu)自身性能較好，因此鋼結(jié)構(gòu)廠房多采用改善結(jié)構(gòu)的形式來進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)把承載力定義為抗震設(shè)計(jì)基礎(chǔ)指標(biāo)，結(jié)構(gòu)的動應(yīng)力特別是動拉應(yīng)力定義為控制指標(biāo)。從地震災(zāi)害來看，地震破壞的結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)在地震過程中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形過大，因此又以結(jié)構(gòu)的變形來當(dāng)作地震的抗震指標(biāo)，要求設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在地震中的變形量滿足一定的抗震設(shè)計(jì)值，達(dá)到抗震設(shè)計(jì)要求。

鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能設(shè)計(jì)主要從以下幾方面進(jìn)行。

3.1 在設(shè)計(jì)中盡量選擇對抗震有利的場地和地基

鋼結(jié)構(gòu)在地震中的反應(yīng)受場地影響最為直接，因此，在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮場地的地基情況，若地基情況不太理想，或者地基情況不好，需通過一系列措施進(jìn)行地基加固來滿足鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗震性。

常用的基礎(chǔ)加固措施如下：

換土墊層法：若地基土層較薄，則可采用換土墊層法進(jìn)行地基加固。首先將表面軟弱土和不良土挖除，然后采用合適的材料換填，最后進(jìn)行分層碾壓夯實(shí)。砂石墊層、碎石墊層、粉煤灰墊層、干渣墊層、灰土墊層等可作為換填材料。

注漿加固：有時(shí)需要對建筑地基進(jìn)行必要的加固設(shè)計(jì)，可采用注漿加固進(jìn)行。注漿加固的種類較多，較為常見的種類有靜壓注漿加固方式、水泥攪拌樁注漿加固方式、預(yù)壓地基高壓旋噴樁注漿加固方式等。通常選用水泥漿液、硅化漿液和堿液作為建筑地基加固的漿液。采用注漿加固的好處是因漿液的流動性不可避免的會產(chǎn)生一定的壓力，這對地基土有滲透作用，從而使用范圍較廣。

預(yù)壓地基：在淤泥、沖填土等飽和粘性土地基上進(jìn)行建筑時(shí)可采用預(yù)壓地基方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。一般采用堆載預(yù)壓法和真空預(yù)壓法兩種方案施工設(shè)計(jì)。

壓實(shí)地基和夯實(shí)地基：當(dāng)建筑地基遇到大面積填土地基時(shí)可采用壓實(shí)地基，根據(jù)回填地基的不同材料可選用強(qiáng)夯和強(qiáng)夯置換兩種形式的夯實(shí)地基，當(dāng)填充材料為碎石土、砂土、低飽和度的粉土和粘性土等采用強(qiáng)夯地基，當(dāng)遇到填充材料為高飽和度粉土與等且對變形要求不太嚴(yán)格的地基強(qiáng)夯置換地基。

復(fù)合地基：顧名思義是指有兩種或兩種以上加固方式從而使建筑地基得到增強(qiáng)已到達(dá)設(shè)計(jì)及使用要求。對部分地基土不適合做地基的，必須采用復(fù)合型地基增強(qiáng)承載力。最終加固地基成為由天然地基土體或被改良的天然地基土體和增強(qiáng)地基兩部分組成的人工合成地基。

微型樁加固：采用迷你樁或者微型樁等直徑小的樁進(jìn)行地基土加固，微型樁應(yīng)用于場地狹小不適用大型設(shè)備情況下，常見的微型樁有樹根樁、預(yù)制樁和注漿鋼管樁。在很多地區(qū)的鋼鐵廠房經(jīng)常采用由石屑、砂、粉煤灰等原料摻水泥加水拌和而成的水泥粉煤灰碎石樁，即CFG 樁。還有一種是用各類成樁機(jī)械所制造的具有較強(qiáng)的可變強(qiáng)度樁，也是微型樁的一種，在廠房改造等場合大量使用。

3.2 選擇合理的結(jié)構(gòu)整體布置

在選擇建筑物的形狀時(shí)，最大程度上做到建筑物的形狀簡潔、規(guī)整。在地震時(shí)形狀簡單的建筑物受力性能明確，從而對地震引起的損害能有效抵制。平立面的結(jié)構(gòu)布置應(yīng)當(dāng)符合結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的理念，不規(guī)則的結(jié)構(gòu)形式不應(yīng)該使用。也就是結(jié)構(gòu)的立面和平面設(shè)計(jì)的選擇應(yīng)當(dāng)符合形體簡單、規(guī)則、均勻、對稱等特點(diǎn)，這樣結(jié)構(gòu)的剛度中心和自身的質(zhì)量中心會越來越近，進(jìn)行重合。所以在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，多采用形狀規(guī)則、簡單的建筑物，由于這種結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心和剛度中心偏移較小，不但便于進(jìn)行抗震計(jì)算，而且對于減少地震震害也有著相當(dāng)?shù)淖饔谩Ｈ艚ㄖ锏膹?qiáng)度及剛度需要連續(xù)變化，則應(yīng)保證承載力在平面內(nèi)均勻、豎向應(yīng)當(dāng)連續(xù)且均勻。避免使用不規(guī)則的設(shè)計(jì)形式，不設(shè)置防震縫這些行為，如果因其他原因必須采用不規(guī)則的設(shè)計(jì)形式時(shí)，通過采用防震縫的行為把結(jié)構(gòu)分解成幾個(gè)規(guī)則的結(jié)構(gòu)單元；同時(shí)地震時(shí)必須防止幾個(gè)獨(dú)立單元互相碰撞，防震縫的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足規(guī)范規(guī)定的防震縫設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)長度。

3.3 選擇合理的抗震結(jié)構(gòu)體系

在選擇抗震結(jié)構(gòu)體系時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防類別，當(dāng)?shù)氐目拐鹪O(shè)防烈度，建筑物的高度長度，采用的材料和施工的影響等因素，從技術(shù)、使用和經(jīng)濟(jì)三個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮。建筑體系應(yīng)該有明確的計(jì)算簡圖，并且地震作用途徑要清晰明了，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震體系選擇時(shí)，其體系應(yīng)具有多道抗震手段，來促使平立面兩個(gè)方向有相近的動力特性，并且讓結(jié)構(gòu)自身的自振周期和場地的自振周期不同，防止結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振，減小的地震作用的危害。同時(shí)在“強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)柱弱梁以及強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)原則基礎(chǔ)上，應(yīng)該避免結(jié)構(gòu)的局部破壞和節(jié)點(diǎn)破壞導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體的破壞和傾覆，避免因局部損壞導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體失去抗震能力和結(jié)構(gòu)的承載力。同時(shí)，由于地震破壞主要是先破壞結(jié)構(gòu)的薄弱部位，因此，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)的薄弱部位應(yīng)進(jìn)行加強(qiáng)，部位的連接方式應(yīng)符合規(guī)范要求的值，并使其具有一定的堅(jiān)韌性，且在結(jié)構(gòu)應(yīng)有最大可能數(shù)量的富裕度以應(yīng)對地震時(shí)能在結(jié)構(gòu)適當(dāng)部位建立其屈服區(qū)域，即大量吸收地震能量，減少地震損害。

建筑物鋼結(jié)構(gòu)需保證在小型地震中不被破壞，在中型地震時(shí)破壞小且可修復(fù)，在遇到大震時(shí)不倒塌，結(jié)構(gòu)自身要有良好的抵抗抗震破壞等能力，在地震中損害較少，保證地震中的生命財(cái)產(chǎn)損失降到最低，對于多于地震應(yīng)按照彈性設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算，但唐山市地區(qū)本身有過罕見大型地震所以還需對罕見地震進(jìn)行彈塑性分析來進(jìn)行驗(yàn)算，兩個(gè)階段缺一不可，通過這兩個(gè)階段的計(jì)算和驗(yàn)算，充分完成了對唐山市鋼結(jié)構(gòu)廠房的抗震設(shè)計(jì)。同時(shí)，選擇有利的場地也是應(yīng)對地震的很好的方式之一，但大部分區(qū)域的場地比較受限，例如部分舊廠改造項(xiàng)目，沒有場地選擇的余地，因此做好地基的改善工作也是重中之重，千里之行始于足下，地基決定了一棟建筑的最終承受荷載的能力。

框架結(jié)構(gòu)、框架-中心支撐結(jié)構(gòu)、框架-偏心支撐結(jié)構(gòu)等是被經(jīng)常采用的結(jié)構(gòu)體系。其中，框架結(jié)構(gòu)具備良好的抗震性能和較強(qiáng)的延展性，但是此結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度差，不適用于受側(cè)向荷載控制的建筑；框架-中心支撐結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度能力比較強(qiáng)，適用于高層建筑，抗震性能略優(yōu)于框架結(jié)構(gòu)；框架-偏心支撐結(jié)構(gòu)是通過采用偏心連梁來減輕或者消耗地震所帶來的能量荷載，抗震性能在這三種結(jié)構(gòu)中最好。

3.4 合理選用原材料

在選擇抗震體系原材料時(shí)，鋼材的選擇尤為重要，優(yōu)質(zhì)的鋼材屈服強(qiáng)度、延展性和柔韌性都十分優(yōu)秀，我們現(xiàn)在給出的鋼材都是其屈服點(diǎn)的下限值，在真實(shí)出廠時(shí)，其屈服點(diǎn)都高于規(guī)范給出值，且差值較大。因此，我們需要選擇要求能達(dá)到設(shè)計(jì)的屈服機(jī)制，可以有效保證的抗震性能，保證鋼材的變形能力來達(dá)到抗震的目的，就需要控制鋼材的屈服點(diǎn)，把鋼材屈服點(diǎn)的上下限縮小，曲強(qiáng)比要低，還有就是要保證鋼材的截面尺寸，選用截面時(shí)，考慮鋼材的各項(xiàng)指標(biāo)，保證鋼材韌性，也對結(jié)構(gòu)的抗震具有良好的作用。鋼材的選擇應(yīng)符合下面規(guī)定：鋼材選用應(yīng)符合規(guī)范規(guī)定，當(dāng)有特殊要求時(shí)，也可采用符合其他規(guī)定的鋼材。結(jié)構(gòu)所用鋼材應(yīng)該有一個(gè)明顯的屈服臺階，且鋼材的伸長率應(yīng)滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，最后，材料自身應(yīng)該需要具備良好的可焊性和良好的沖擊韌性。

3.5 鋼結(jié)構(gòu)框架部分抗震措施

在進(jìn)行抗震方面的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)傳統(tǒng)的思路是讓鋼結(jié)構(gòu)自身具備抗震能力，分為以下兩種方式。一種是足夠剛，即具備足夠的鋼度，在地震是通過自身強(qiáng)大的剛度來抵抗地震的破壞；另一種恰恰相反，是足夠柔，鋼結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行自身具備一定的變形能力，在地震中，通過結(jié)構(gòu)本身的柔性變形來中和地震的作用力。這兩種行之有效的抗震形式，但是僅僅針對普通地震還能抵抗，若遇到烈性地震，確又不足以抵抗，因此，阻尼器出現(xiàn)了。結(jié)構(gòu)的自振周期和阻尼比是降低地震破壞反應(yīng)的兩個(gè)最重要指標(biāo)，阻尼器的消能結(jié)構(gòu)可以使結(jié)構(gòu)自身具備強(qiáng)大的變形能力和復(fù)原能力，在地震中可以利用鋼結(jié)構(gòu)建筑自身的反向變形來抵抗地震的作用。但是此種抗震形式并不通用，可以說是在不同的地方，需隨機(jī)應(yīng)變，采用不同的抗震形式來進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，以保證設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)合理，也應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的施工方便安全。

4 總結(jié)

在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，抗震設(shè)計(jì)可以說涉及到了方方面面，本文僅僅是其中極少的一部分，在唐山市鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)的抗震性能始終是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各個(gè)階段都要進(jìn)行詳細(xì)充足的分析計(jì)算，在唐山這種高度抗震設(shè)防區(qū)域更為重要，在設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)抗震時(shí)要充分考慮地震的作用，以及地震造成危害的方式，即地震的破壞機(jī)制和地震的破壞過程，在考慮好各種規(guī)范的同時(shí)，合理進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證設(shè)計(jì)產(chǎn)品安全舒適，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，保證鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)出良好的成果。