鋼結(jié)構(gòu)框架相對(duì)磚混框架等其他框架，像北京鳥巢，有著龐大的體積、復(fù)雜的傳力體系、布置有眾多大噸位設(shè)備以及明顯的質(zhì)量偏心等，使其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特別是抗震設(shè)計(jì)有著明顯的差別，這就對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員有著較高的要求，從結(jié)構(gòu)體系的選型、抗震、隔震消能等方面都要有所了解，并要有清晰的概念和對(duì)新技術(shù)的敏感性，才能做到設(shè)計(jì)合理，技術(shù)先進(jìn)。
——鋼結(jié)構(gòu)框架的消能、隔震措施——
傳統(tǒng)的防震觀點(diǎn)是要求結(jié)構(gòu)具有一定的抗震性能，在這方面有兩種思維方式：一是提高結(jié)構(gòu)的剛度來抵抗地震作用；另一種是采用允許結(jié)構(gòu)有一定的柔性變形，從而使其在變形過程中吸收、釋放一定的能量。在不增加重量、不改變剛度的前提下，提高總體強(qiáng)度和剛度是兩個(gè)有效的抗震途徑。
而現(xiàn)在以及今后建造的鋼結(jié)構(gòu)框架將是越來越多的坐落在高烈度地區(qū)，這樣就迫使設(shè)計(jì)人員要從另一個(gè)方面來考慮——減震消能。
對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)有重要影響的主要有兩個(gè)因素：①結(jié)構(gòu)物的基本周期；②阻尼比。
當(dāng)采用消能機(jī)構(gòu)后基本都在很大程度上延長(zhǎng)了建筑物的基本周期，從而避開了地震輸入的高能量頻段，采用高阻尼減震裝置使建筑物具有大變形的能力和強(qiáng)自復(fù)位能力。
【對(duì)阻尼器的要求】
第一，在小振幅的振動(dòng)下，呈線性反應(yīng)，不產(chǎn)生很大的阻尼，但剛度很大，從而限制結(jié)構(gòu)的位移。
第二，在強(qiáng)烈振動(dòng)時(shí)，阻尼器的一部分可以失效，從而允許大變位和大阻尼，以達(dá)到隔震目的。
第三，隔振阻尼裝置的豎向剛度遠(yuǎn)大于其水平剛度。由日本的震后調(diào)查來看凡是安裝了消能、隔震裝置的建筑均未遭到較大破壞或未有破壞。當(dāng)采用疊層橡膠墊等靠摩擦變形來消能的裝置，其接觸面之間的摩擦系數(shù)應(yīng)大于0.20，用以限制上部結(jié)構(gòu)的水平加速度不超過0.2g。
磁流變減震器是利用可極化的固體顆粒分散在絕緣溶劑中形成的懸浮液，在外加磁場(chǎng)的作用下，固體顆粒在磁場(chǎng)方向排成鏈狀結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生很大的抗剪切力，此變化過程迅速，可逆，易于控制且連續(xù)可控，通過改變外加的電流大小來改變磁場(chǎng)強(qiáng)度。因此在地震作用下，通過敏感電阻變化來導(dǎo)致電流變化造成磁流變減震器產(chǎn)生效能所需要的剪切力，來達(dá)到減震消能的目的。
對(duì)于在結(jié)構(gòu)中采用的摩擦消能支撐，由實(shí)驗(yàn)表明，不論振動(dòng)時(shí)間持續(xù)多久，在不同頻率、不同烈度地震作用下，支撐中的最大動(dòng)應(yīng)力不變；又由于消能支撐的滑動(dòng)，有效地耗散掉已經(jīng)輸入到結(jié)構(gòu)中的地震能量，這種效應(yīng)可推遲框架產(chǎn)生屈服的地震烈度約2—2.5度。
——鋼結(jié)構(gòu)框架抗震體系選擇——
鋼結(jié)構(gòu)框架的結(jié)構(gòu)布置體系有兩種形式：①鉸結(jié)體系；②剛接體系。
鉸接體系其傳力途徑明確，設(shè)計(jì)、施工、安裝簡(jiǎn)單但其要依靠很多的支撐來提高其剛度和整體穩(wěn)定性，這就給工藝布置帶來諸多不便，而就支撐體系來講其用鋼量也是相當(dāng)驚人的，通常為主材用量的20%~30%甚至更高。
在另一方面，鉸接結(jié)構(gòu)體系將在梁中產(chǎn)生較大彎矩8造成梁的耗鋼量比剛接體系增大，而柱主要只承擔(dān)軸向力，要比剛接體系中為壓彎構(gòu)件的柱要省材。鉸接節(jié)點(diǎn)要比剛接節(jié)點(diǎn)好處理，因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)能采用這種思路：在由梁柱組成剛架來抵抗側(cè)力時(shí)，只需一部分梁和柱剛性連接，其余則做成鉸接，既節(jié)約材料又簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。
框架結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)就是抗側(cè)剛度較小，側(cè)向變形較大，這就需要在結(jié)構(gòu)中設(shè)剛性跨，但對(duì)于剛性跨在地震作用下到底如何分擔(dān)地震力尚無明確規(guī)定。國(guó)外有采用桁架作為剛性跨的，由框一桁架結(jié)構(gòu)的抗震性能試驗(yàn)研究可知：
框一桁架結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱一中梁一弱腹桿”的抗震設(shè)計(jì)原則，具有典型的多道抗震防線特征，彈性階段以桁架斜桿為主要承受側(cè)向力作用桿料，斜桿隨著裂縫的發(fā)展逐漸退出工作，地震作用力逐漸向框架部分轉(zhuǎn)移。體系的滯回曲線呈反s形，受力明確，便于在設(shè)計(jì)中控制剛度的分布和塑性鉸出現(xiàn)的部位及順序。
這樣對(duì)于到底采用鉸接體系，還是剛接體系是很難明確地下定義的。要根據(jù)場(chǎng)地地震地質(zhì)、工藝布置、材料選用等情況綜合考慮比較后選用。
——鋼結(jié)構(gòu)框架抗震設(shè)計(jì)——
鋼結(jié)構(gòu)框架的抗震的力學(xué)性能與計(jì)算模型吻合情況如何主要取決于三個(gè)方面：構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)、支撐。
對(duì)于構(gòu)件問題，其在彈性工作狀態(tài)下的性能已是十分清楚，也有很好的計(jì)算方法。在鋼結(jié)構(gòu)框架體系中，關(guān)于構(gòu)件是否能允許進(jìn)入塑性階段，這還有待于探討，一般情況下對(duì)重要結(jié)構(gòu)，是不允許進(jìn)入塑性階段，即不考慮利用構(gòu)件進(jìn)入塑性后的那一部分能力，把這一部分能力作為安全儲(chǔ)備。
另外，由于設(shè)計(jì)用地震動(dòng)輸入的欠準(zhǔn)確性和結(jié)構(gòu)在地震時(shí)的非彈性破壞機(jī)理的復(fù)雜性，使得“塑性結(jié)構(gòu)”的設(shè)計(jì)方法無法準(zhǔn)確預(yù)知結(jié)構(gòu)遇到地震時(shí)的破壞程度。這樣一來，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在彈性狀態(tài)下的受力性能現(xiàn)在已有很好的解決了。
而對(duì)于鋼構(gòu)件的空間扭轉(zhuǎn)情況，節(jié)點(diǎn)連接情況等迄今沒有得到解決。結(jié)構(gòu)的質(zhì)心和剛心偏離愈大時(shí)，水平力的空間結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)作用就愈大，各樓層的質(zhì)心和剛心之間也不可能不存在偏心，在地震平動(dòng)分量作用下將發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，此時(shí)空間結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)為空間振動(dòng)。
這時(shí)必須考慮其扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，偏心結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)與頻率比、偏心率、結(jié)構(gòu)自振有關(guān)。許多國(guó)家的規(guī)范規(guī)定，對(duì)偏心不大的結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算，仍采用動(dòng)力偏心矩法的簡(jiǎn)化計(jì)算。
Eurocode8規(guī)范中的e1稱為附加偏心距，由下式求得的值中取較小的一個(gè)。
e1=0.1(A+B)(10es/B)1/2≤0.1(A+B)
e1=(1/2es){p²-es²-r²+[(p²+es²-r²)²+4es2r²]1/2}
式中如果r²>5(p²+es²)時(shí)，不加e1，es為建筑質(zhì)心與剛心之間的距離，稱為靜力偏心距。B為建筑物的寬度。
所以按平面框排架來代替空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析將會(huì)帶來很大誤差，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏于不安全。因此，用采用平面模型計(jì)算出的結(jié)果要乘一放大系數(shù)—結(jié)構(gòu)的空間作用調(diào)整系數(shù)。
另外，當(dāng)考慮空間結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)作用時(shí)，對(duì)屋蓋的剛度要求就會(huì)有很大變化，因?yàn)樵谡麄€(gè)結(jié)構(gòu)體系中，屋蓋的抗扭剛度對(duì)扭矩的抵抗作用是非常明顯的。
在計(jì)算模型中可按下式考慮屋蓋提供的水平剛度：K=(L/S)k
式中：L—廠房長(zhǎng)度或防震縫區(qū)段長(zhǎng)度；
S—屋蓋質(zhì)點(diǎn)間水平距離；
k—單位面積屋蓋沿廠房縱向的水平等效剪切剛度基本值。
根據(jù)清華大學(xué)等單位的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)鋼筋混凝土無檁屋蓋取2×104KN，有檁屋蓋為0.6×104KN，有完整支撐系統(tǒng)的輕型屋蓋取1×103KN。
在結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)的延性比取為6，阻尼比取為10%~20%。
基于《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001)，設(shè)計(jì)了3個(gè)V型中心支撐鋼框架，采用Pushover方法，得出了其結(jié)構(gòu)影響系數(shù)。不同結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)地震作用與結(jié)構(gòu)影響系數(shù)有關(guān)。結(jié)構(gòu)影響系數(shù)取決于結(jié)構(gòu)延性、強(qiáng)度儲(chǔ)備等。
——結(jié)語——
鋼結(jié)構(gòu)框架的抗震和消能問題從整體上較由其它材料組成的結(jié)構(gòu)體系優(yōu)越，這不僅體現(xiàn)在其有較好的強(qiáng)度，還在于其有極好的變形能力和韌性。
但是鋼結(jié)構(gòu)本身所形成的體系——鉸接或剛接——都在很大程度上存在著剛度和耗鋼量問題，同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的變形消能機(jī)構(gòu)工作狀況和判斷準(zhǔn)則如何確定迄今均無準(zhǔn)確結(jié)論。
在塑性設(shè)計(jì)理論中由于每次設(shè)計(jì)計(jì)算中所取的結(jié)構(gòu)所在地的地震動(dòng)情況的非準(zhǔn)確性以及破壞機(jī)理的復(fù)雜性，其實(shí)現(xiàn)有的塑性設(shè)計(jì)理論并不能反映地震時(shí)結(jié)構(gòu)的破壞程度，其次，很多重要結(jié)構(gòu)，是不允許進(jìn)入塑性的。這些使塑性理論有著很大的欠準(zhǔn)確性和局限性。
減震消能措施是今后結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震作用下避免破壞或嚴(yán)重破壞的極為有效的手段，但是其存在著造價(jià)高和工作機(jī)理仍欠清晰的問題。
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