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摘要:本文对钢结构框架的抗震设计和减震消能问题进行了探讨,并提出在设计中应该考虑的一些问题和措施，以保证抗震的稳定性。
关键词:结构框架 抗震 稳定
中图分类号：TU391文献标识码： A
一、前言
目前,钢结构已经大量用于各种体型复杂的高层建筑。很多髙层建筑因其建筑体型变化多端,跨度大,其分析难度和分析的精度要求都很高,所以钢结构的抗震性能分析和稳定性分析显得尤为重要。
二、钢结构框架研究意义
现如今,如何更加准确的计算钢结构的地震响应,成为结构工程师们共同的话题,随着高层建筑的发展,建筑结构体系日趋多样化,建筑结构也越来越复杂,结构工程师只有全面了解和掌握了各种结构计算方法,才能结合各类计算分析软件,对结构作合理的简化,釆用合适的计算手段,得出合理的分析结果,设计出既经济又合理的结构形式。钢结构因其重量轻、韧性好,抗震性能强、而且工业化程度高、施工周期又很短,所以投资效益相对较高,在国内外应用也十分广泛。近年来随着高强度材料的应用、分析模型和分析手段的越来越精细化,钢结构的跨度也越来越大、体形亦越来越复杂。这使得对钢结构的抗震性能等的要求越来越高,而现行的钢结构规范,对一般的结构计算完全满足,但对大型复杂结构的抗震计算没有详细给出计算过程,只是指明其大体计算方法。这说明规范对复杂结构的抗震计算的规定不是非常完善,需要工程师自己掌握并合理选取分析手段。同时考虑到巨型梁的存在必然会导致结构出现薄弱层,虽然巨型梁加大了结构水平刚度,但是却忽视了我们最基本的设计原则即强柱弱梁,结构的稳定性特别是动力非线性稳定分析也成为当今的重点,基于目前尚没有特别完善的动力非线性分析方法,这样,就能很方便的通过抗震分析和稳定性分析找出结构的薄弱部位,同时通过线性和非线性结果的对比,说明此分析方法能满足一定精度。
三、钢结构稳定性分析
1、结构稳定的基本概念
稳定分析是研究结构或构件的平衡状态是否稳定的问题。处于平衡位置的结构或构件，在任意微小外界扰动下，将偏离其平衡位置，当外界扰动除去以后，仍能自动回复到初始平衡位置时，则初始平衡状态是稳定的，或称稳定平衡。如果不能回复到初始平衡位置，则初始平衡状态是不稳定的，或称不稳定平衡。如果受到扰动后不产生任何作用于该体系的力，因而当扰动除去以后，既不能回复到初始平衡位置又不继续增大偏离，则为随遇平衡或中性平衡。结构或构件由于平衡形式的不稳定性，从初始平衡位置转变到另一平衡位置，称为屈曲或称为失稳。
2、强度与稳定有着显著区别
强度问题是指结构或者单个构件在稳定平衡状态下由荷载所引起的最大应力(或内力)是否超过建筑材料的极限强度，因此是一个应力问题。极限强度的取值取决于材料的特性，对混凝上等脆性材料，可取它的最大强度，对钢材则常取它的屈服点。稳定问题则与强度问题不同，它主要是找出外荷载与结构内部抵抗力间的不稳定平衡状态，即变形开始急剧增长的状态，从而设法避免进入该状态，因此，它是一个变形问题。如轴压柱，由于失稳，侧向挠度使柱增加数量很大的弯矩，因而柱子的破坏荷载可以远远低于它的轴压强度。显然，轴压强度不是柱子破坏的主要原因。 稳定是结构所处的一种状态，而失稳是相对于稳定而言，结构的失稳现象分为两种，即局部失稳和整体失稳。局部失稳是指结构局部刚度逐渐减小直至消失，这时的荷载与位移的对应关系会突然偏离平衡位置，产生一个跳跃，在局部将出现很大的几何变形。整体失稳是整个结构突然屈曲至完全不同于初始形狀的变形形式，出现偏离平衡位置的大位移。
3、局部失稳开始逐渐形成
对于大多数结构分析问题，用线性结构分析是安全的，可是对于高层钢框架结构来说，线性分析得到的结构位移会小于真实位移，是偏不安全的。在荷载作用下的线性分析，结构在一定范围内安全是有保障的，但是在实际问题中往往存在位移过大等问题。结构设计所涉及的内容十分广泛，其中极为重要的一个方面就是确定结构的极限承载力。结构的极限承载力与多种因素相关，如材料所能达到的最大强度、结构所容许的最大变形、材料发生疲劳而产生的脆性断裂、结构或构件的平衡失稳所设计的构件大多柔薄或细长，因而在绝大多数情形下稳定性是影响钢结构极限承载力的一个重要因素。因此，稳定性能分析是钢结构设计中的一个重要内容。造成结构失稳的因素很多，结构失稳的表现也是千差万别。但就其性质而言，结构失稳一般可分为三类，即平衡分岔失稳、极值点失稳和跃越失稳。
4、平衡分岔失稳
平衡分岔失稳是指结构在达到临界承载力时，荷载-位移曲线呈现出两个或多个可能的平衡路径，结构的平衡形式发生了跳跃。常见的平衡分岔失稳实例有：理想的轴心受压直杆；承受全跨均布荷载作用的圆拱。前者当轴压力达到限值时，构件会由原来的轴向缩变形突然过渡到与之相邻的但呈弯曲状的另一种平衡形式；后者达到临界状态时，会由原来的对称变过渡到反对称变形而丧失稳定。 根据结构屈曲后性能的不同，可以将平衡分岔失稳分为稳定分岔失稳和不稳定分岔失稳。稳定分岔失稳，指结构达到临界状态后，变形的不断增加还将促使荷载有较大程度的提高。比如薄板屈曲即是一种典型且常见的稳定分岔失稳现象初始缺陷的影响较小。不稳定分岔失稳是指结构屈曲后只能在低于屈曲荷载的条件下维持新的平衡状态。承受轴向荷载的圆柱壳和承受均匀外压力的全球壳均属于这种类型。严格地说，工程结构中，由于受各种因素的干扰，真正的理想状态(如理想轴心压杆、合理拱轴等)并不存在。
根据结构屈曲后性能的不同，可以将平衡分岔失稳分为稳定分岔失稳和不稳定分岔失稳。稳定分岔失稳，指结构达到临界状态后，变形的不断增加还将促使荷载有较大程度的提高。比如薄板屈曲即是一种典型且常见的稳定分岔失稳现象。稳定分岔失稳的荷载-位移曲线如图1中的 OAB 曲线所示，图中的OCD曲线为有初始缺陷时的荷载-位移曲线，对比曲线OAB和OCD可以发现，对于具有稳定分岔失稳性质的构件而言，初始缺陷的影响较小。不稳定分岔失稳是指结构屈曲后只能在低于屈曲荷载的条件下维持新的平衡状态。承受轴向荷载的圆柱壳和承受均匀外压力的全球壳均属于这种类型。不稳定分岔失稳的荷载-位移曲线如图2中的 OACB 曲线所示，图中的 ODB 曲线为有初始缺陷的荷载-位移曲线，曲线 OACB 和 ODB说明，具有不稳定分岔失稳性质的构件对初始缺陷较敏感。
5、极值点失稳
在实际工程中，完全理想的构件是不存在的。制作和安装等各方面的误差使得所有构件均存在一定的初始缺陷，而且荷载的作用位置也会存在一定的初偏差。因此，实际工程中发生平衡分岔失稳的情况很少，大多数结构发生的都是极值点失稳。当结构发生极值点屈曲时，结构荷载-位移曲线上的平衡点一开始沿着稳定的平衡路径移动，随着荷载增加，结构的位移不断增加，直至荷载达到临界值，此后，结构效应的持续增加不足以抵抗外荷载产生的二阶效应，如要继续保持内、外力的平衡，则必须减小作用在结构上的荷载。极值点失稳现象在结构构件中十分普遍，如偏心受压构件、双向受弯构件和双向压弯构件发生弹塑性弯扭失稳等。图 3为典型的极值点失稳的荷载-位移曲线。
四、抗震反应谱基本参数确定
假设该项目处在天津汉沽,查抗震规范附录A得抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度值为0.2g,IV类场地,设计地震分组第一组,特征周期Tg=0.65s,地震影响系数最大值αmax=0.16,本结构为钢结构,超过12层由抗震规范阻尼比取0.02。曲线下降段的衰减指数：
直线下降段的下降斜率调整系数
阻尼调整系数
地震影响曲线如下图
图中: α为地震影响系数; αmax为地震影响系数最大值;η1为直线下降段的下降斜率调整系数;γ为衰减指数; Tg为特征周期; η2为阻尼调整系数;T为结构自振周期。地震影响系数方程计算如下:
参与计算的模态阶数与振型参与质量有关,高规规定计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的90%,由于ansys中的输出项是有效质量系数,虽然有效质量系数与振型参与质量系数计算方法不同,好在两者性质相似,所以有效质量系数也可以用来确定振型叠加法所需的振型数。
五、结束语
本文阐述钢结构框架的研究意义，通过对钢结构问题的探析分析出了主要一个问题因素有：结构稳定的基本概念、强度与稳定有着显著区别、局部失稳开始逐渐形成、平衡分岔失稳、极值点失稳，五个方面来分析钢构框架抗震及其稳定性。
参考文献
[1]欧阳煜.空间框架体系弹性稳定分析[J].华侨大学学报.1994.15(3):293-294
[2]李国强.钢结构框架体系整体非线性分析研究综述[J].同济大学学报.2003.31(20):139-142
[3)马玉宏.基于性态的抗震设防标准研究[M].哈尔滨:中国地震局工程力学研究所，2000
[4]崔鸿超，高层建筑钢结构在我国的发展[J].建筑结构学报，1997 18 (1): 60-71
[5]孙作海，高层钢结构抗震研究[J].民营科技，2011（6）
关键词:结构框架 抗震 稳定
中图分类号：TU391文献标识码： A
一、前言
目前,钢结构已经大量用于各种体型复杂的高层建筑。很多髙层建筑因其建筑体型变化多端,跨度大,其分析难度和分析的精度要求都很高,所以钢结构的抗震性能分析和稳定性分析显得尤为重要。
二、钢结构框架研究意义
现如今,如何更加准确的计算钢结构的地震响应,成为结构工程师们共同的话题,随着高层建筑的发展,建筑结构体系日趋多样化,建筑结构也越来越复杂,结构工程师只有全面了解和掌握了各种结构计算方法,才能结合各类计算分析软件,对结构作合理的简化,釆用合适的计算手段,得出合理的分析结果,设计出既经济又合理的结构形式。钢结构因其重量轻、韧性好,抗震性能强、而且工业化程度高、施工周期又很短,所以投资效益相对较高,在国内外应用也十分广泛。近年来随着高强度材料的应用、分析模型和分析手段的越来越精细化,钢结构的跨度也越来越大、体形亦越来越复杂。这使得对钢结构的抗震性能等的要求越来越高,而现行的钢结构规范,对一般的结构计算完全满足,但对大型复杂结构的抗震计算没有详细给出计算过程,只是指明其大体计算方法。这说明规范对复杂结构的抗震计算的规定不是非常完善,需要工程师自己掌握并合理选取分析手段。同时考虑到巨型梁的存在必然会导致结构出现薄弱层,虽然巨型梁加大了结构水平刚度,但是却忽视了我们最基本的设计原则即强柱弱梁,结构的稳定性特别是动力非线性稳定分析也成为当今的重点,基于目前尚没有特别完善的动力非线性分析方法,这样,就能很方便的通过抗震分析和稳定性分析找出结构的薄弱部位,同时通过线性和非线性结果的对比,说明此分析方法能满足一定精度。
三、钢结构稳定性分析
1、结构稳定的基本概念
稳定分析是研究结构或构件的平衡状态是否稳定的问题。处于平衡位置的结构或构件，在任意微小外界扰动下，将偏离其平衡位置，当外界扰动除去以后，仍能自动回复到初始平衡位置时，则初始平衡状态是稳定的，或称稳定平衡。如果不能回复到初始平衡位置，则初始平衡状态是不稳定的，或称不稳定平衡。如果受到扰动后不产生任何作用于该体系的力，因而当扰动除去以后，既不能回复到初始平衡位置又不继续增大偏离，则为随遇平衡或中性平衡。结构或构件由于平衡形式的不稳定性，从初始平衡位置转变到另一平衡位置，称为屈曲或称为失稳。
2、强度与稳定有着显著区别
强度问题是指结构或者单个构件在稳定平衡状态下由荷载所引起的最大应力(或内力)是否超过建筑材料的极限强度，因此是一个应力问题。极限强度的取值取决于材料的特性，对混凝上等脆性材料，可取它的最大强度，对钢材则常取它的屈服点。稳定问题则与强度问题不同，它主要是找出外荷载与结构内部抵抗力间的不稳定平衡状态，即变形开始急剧增长的状态，从而设法避免进入该状态，因此，它是一个变形问题。如轴压柱，由于失稳，侧向挠度使柱增加数量很大的弯矩，因而柱子的破坏荷载可以远远低于它的轴压强度。显然，轴压强度不是柱子破坏的主要原因。 稳定是结构所处的一种状态，而失稳是相对于稳定而言，结构的失稳现象分为两种，即局部失稳和整体失稳。局部失稳是指结构局部刚度逐渐减小直至消失，这时的荷载与位移的对应关系会突然偏离平衡位置，产生一个跳跃，在局部将出现很大的几何变形。整体失稳是整个结构突然屈曲至完全不同于初始形狀的变形形式，出现偏离平衡位置的大位移。
3、局部失稳开始逐渐形成
对于大多数结构分析问题，用线性结构分析是安全的，可是对于高层钢框架结构来说，线性分析得到的结构位移会小于真实位移，是偏不安全的。在荷载作用下的线性分析，结构在一定范围内安全是有保障的，但是在实际问题中往往存在位移过大等问题。结构设计所涉及的内容十分广泛，其中极为重要的一个方面就是确定结构的极限承载力。结构的极限承载力与多种因素相关，如材料所能达到的最大强度、结构所容许的最大变形、材料发生疲劳而产生的脆性断裂、结构或构件的平衡失稳所设计的构件大多柔薄或细长，因而在绝大多数情形下稳定性是影响钢结构极限承载力的一个重要因素。因此，稳定性能分析是钢结构设计中的一个重要内容。造成结构失稳的因素很多，结构失稳的表现也是千差万别。但就其性质而言，结构失稳一般可分为三类，即平衡分岔失稳、极值点失稳和跃越失稳。
4、平衡分岔失稳
平衡分岔失稳是指结构在达到临界承载力时，荷载-位移曲线呈现出两个或多个可能的平衡路径，结构的平衡形式发生了跳跃。常见的平衡分岔失稳实例有：理想的轴心受压直杆；承受全跨均布荷载作用的圆拱。前者当轴压力达到限值时，构件会由原来的轴向缩变形突然过渡到与之相邻的但呈弯曲状的另一种平衡形式；后者达到临界状态时，会由原来的对称变过渡到反对称变形而丧失稳定。 根据结构屈曲后性能的不同，可以将平衡分岔失稳分为稳定分岔失稳和不稳定分岔失稳。稳定分岔失稳，指结构达到临界状态后，变形的不断增加还将促使荷载有较大程度的提高。比如薄板屈曲即是一种典型且常见的稳定分岔失稳现象初始缺陷的影响较小。不稳定分岔失稳是指结构屈曲后只能在低于屈曲荷载的条件下维持新的平衡状态。承受轴向荷载的圆柱壳和承受均匀外压力的全球壳均属于这种类型。严格地说，工程结构中，由于受各种因素的干扰，真正的理想状态(如理想轴心压杆、合理拱轴等)并不存在。
根据结构屈曲后性能的不同，可以将平衡分岔失稳分为稳定分岔失稳和不稳定分岔失稳。稳定分岔失稳，指结构达到临界状态后，变形的不断增加还将促使荷载有较大程度的提高。比如薄板屈曲即是一种典型且常见的稳定分岔失稳现象。稳定分岔失稳的荷载-位移曲线如图1中的 OAB 曲线所示，图中的OCD曲线为有初始缺陷时的荷载-位移曲线，对比曲线OAB和OCD可以发现，对于具有稳定分岔失稳性质的构件而言，初始缺陷的影响较小。不稳定分岔失稳是指结构屈曲后只能在低于屈曲荷载的条件下维持新的平衡状态。承受轴向荷载的圆柱壳和承受均匀外压力的全球壳均属于这种类型。不稳定分岔失稳的荷载-位移曲线如图2中的 OACB 曲线所示，图中的 ODB 曲线为有初始缺陷的荷载-位移曲线，曲线 OACB 和 ODB说明，具有不稳定分岔失稳性质的构件对初始缺陷较敏感。
5、极值点失稳
在实际工程中，完全理想的构件是不存在的。制作和安装等各方面的误差使得所有构件均存在一定的初始缺陷，而且荷载的作用位置也会存在一定的初偏差。因此，实际工程中发生平衡分岔失稳的情况很少，大多数结构发生的都是极值点失稳。当结构发生极值点屈曲时，结构荷载-位移曲线上的平衡点一开始沿着稳定的平衡路径移动，随着荷载增加，结构的位移不断增加，直至荷载达到临界值，此后，结构效应的持续增加不足以抵抗外荷载产生的二阶效应，如要继续保持内、外力的平衡，则必须减小作用在结构上的荷载。极值点失稳现象在结构构件中十分普遍，如偏心受压构件、双向受弯构件和双向压弯构件发生弹塑性弯扭失稳等。图 3为典型的极值点失稳的荷载-位移曲线。
四、抗震反应谱基本参数确定
假设该项目处在天津汉沽,查抗震规范附录A得抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度值为0.2g,IV类场地,设计地震分组第一组,特征周期Tg=0.65s,地震影响系数最大值αmax=0.16,本结构为钢结构,超过12层由抗震规范阻尼比取0.02。曲线下降段的衰减指数：
直线下降段的下降斜率调整系数
阻尼调整系数
地震影响曲线如下图
图中: α为地震影响系数; αmax为地震影响系数最大值;η1为直线下降段的下降斜率调整系数;γ为衰减指数; Tg为特征周期; η2为阻尼调整系数;T为结构自振周期。地震影响系数方程计算如下:
参与计算的模态阶数与振型参与质量有关,高规规定计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的90%,由于ansys中的输出项是有效质量系数,虽然有效质量系数与振型参与质量系数计算方法不同,好在两者性质相似,所以有效质量系数也可以用来确定振型叠加法所需的振型数。
五、结束语
本文阐述钢结构框架的研究意义，通过对钢结构问题的探析分析出了主要一个问题因素有：结构稳定的基本概念、强度与稳定有着显著区别、局部失稳开始逐渐形成、平衡分岔失稳、极值点失稳，五个方面来分析钢构框架抗震及其稳定性。
参考文献
[1]欧阳煜.空间框架体系弹性稳定分析[J].华侨大学学报.1994.15(3):293-294
[2]李国强.钢结构框架体系整体非线性分析研究综述[J].同济大学学报.2003.31(20):139-142
[3)马玉宏.基于性态的抗震设防标准研究[M].哈尔滨:中国地震局工程力学研究所，2000
[4]崔鸿超，高层建筑钢结构在我国的发展[J].建筑结构学报，1997 18 (1): 60-71
[5]孙作海，高层钢结构抗震研究[J].民营科技，2011（6）