初損高層鋼框架：風(fēng)雨中的建筑“脊梁”建筑中的鋼鐵巨人：高層鋼框架結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代城市的天際線中，高層鋼框架結(jié)構(gòu)建筑無疑是最引人注目的存在。它們以挺拔的身姿、宏偉的氣勢，成為城市繁榮與發(fā)展的象征。比如上海中心大廈，這座總高度632米的摩天大樓，采用了巨型框架-核心筒-伸臂桁架結(jié)構(gòu)體系，用鋼量達到了約28萬噸。其獨特的螺旋式上升造型，不僅在外觀上給人以強烈的視覺沖擊，更在結(jié)構(gòu)設(shè)計上巧妙地分散了風(fēng)力和地震力，展現(xiàn)了高層鋼框架結(jié)構(gòu)在超高層建筑中的卓越性能。還有廣州的小蠻腰——廣州塔，總高度600米，采用了鋼框架外筒和鋼筋混凝土核心筒的混合結(jié)構(gòu)體系，獨特的鏤空造型和扭曲的輪廓，使其成為世界建筑史上的經(jīng)典之作，也充分體現(xiàn)了高層鋼框架結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)建筑藝術(shù)與結(jié)構(gòu)功能完美融合方面的巨大潛力。高層鋼框架結(jié)構(gòu)由鋼梁和鋼柱通過焊接、螺栓連接等方式組成，形成一個堅固的空間框架體系，承擔(dān)著建筑物的豎向和水平荷載。其結(jié)構(gòu)體系的特點鮮明，鋼梁和鋼柱具有較高的強度和韌性，能夠承受較大的荷載而不易發(fā)生破壞；結(jié)構(gòu)自重較輕，相比傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，可大大減輕基礎(chǔ)的負擔(dān)，降低工程造價；具有良好的延性和耗能能力，在地震等自然災(zāi)害發(fā)生時，能夠通過自身的變形吸收能量，保護建筑物的安全。這些特點使得高層鋼框架結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑中得到了廣泛的應(yīng)用，成為高層建筑領(lǐng)域的主流結(jié)構(gòu)形式之一。不容忽視的初損問題然而，就像再堅固的堡壘也可能出現(xiàn)裂縫一樣，高層鋼框架結(jié)構(gòu)在長期的使用過程中，不可避免地會出現(xiàn)各種初始損傷。這些初損的產(chǎn)生原因多種多樣，制造和施工過程中的瑕疵是常見因素之一。比如在鋼材的加工過程中，可能會出現(xiàn)切割不精確、焊接質(zhì)量不佳等問題，導(dǎo)致構(gòu)件存在微小的裂紋或缺陷；在施工階段，安裝誤差、過度的應(yīng)力施加等也可能使結(jié)構(gòu)在建成之初就埋下?lián)p傷的隱患。自然災(zāi)害的侵襲更是對高層鋼框架結(jié)構(gòu)的嚴峻考驗。強風(fēng)的持續(xù)吹襲，會使結(jié)構(gòu)反復(fù)承受巨大的風(fēng)力荷載，導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)生疲勞損傷；而地震的劇烈震動，強大的地震力會使結(jié)構(gòu)瞬間承受遠超設(shè)計荷載的作用力，造成構(gòu)件的變形、斷裂等損傷。這些初損看似微小，卻可能如同多米諾骨牌的第一張，引發(fā)一系列嚴重的后果。初損會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力集中，原本均勻分布的應(yīng)力場被打破，在損傷部位周圍形成高應(yīng)力區(qū)域，使得這些部位更容易發(fā)生進一步的破壞。初損還會降低結(jié)構(gòu)的整體剛度和承載能力，就像一個人的骨骼受到損傷后，身體的支撐能力會下降一樣，結(jié)構(gòu)在承受風(fēng)荷載和地震荷載時，變形會增大，穩(wěn)定性會降低，從而增加了結(jié)構(gòu)在極端情況下發(fā)生倒塌的風(fēng)險。因此，研究具有初損的高層鋼框架結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)和抗震性能，顯得尤為重要。它不僅能夠幫助我們準確評估既有建筑的安全狀況，及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，采取有效的加固和修復(fù)措施，保障人們的生命財產(chǎn)安全；還能為新的高層鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供寶貴的參考，使設(shè)計更加科學(xué)合理，充分考慮到可能出現(xiàn)的損傷情況，提高結(jié)構(gòu)的抗災(zāi)能力和耐久性?？癸L(fēng)性能剖析：風(fēng)與鋼框架的較量風(fēng)荷載：無形的挑戰(zhàn)風(fēng)荷載，這個看不見摸不著卻又實實在在存在的“隱形殺手”，是空氣流動對工程結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的壓力。當風(fēng)遇到高層鋼框架結(jié)構(gòu)建筑時，會在建筑物表面形成壓力或吸力，其大小與諸多因素密切相關(guān)。就像在海邊的建筑，由于靠近海面，風(fēng)的作用更為強烈，所承受的風(fēng)荷載也就更大；而位于城市中心，被眾多建筑物環(huán)繞的高樓，周圍建筑物對風(fēng)的阻擋和干擾，會改變風(fēng)的流動形態(tài)，從而影響該建筑所受的風(fēng)荷載。風(fēng)荷載的計算是一個復(fù)雜的過程，涉及到多個參數(shù)的確定?；撅L(fēng)壓是其中的關(guān)鍵參數(shù)之一，它是以一般空曠平坦地面、離地面10米高、風(fēng)速時距為10分鐘平均的最大風(fēng)速為標準，按結(jié)構(gòu)類別考慮重現(xiàn)期統(tǒng)計得出的。比如，對于一般結(jié)構(gòu)，重現(xiàn)期通常為30年；而高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)，重現(xiàn)期則為50年；特別重要的結(jié)構(gòu)，重現(xiàn)期更是高達100年。不同地區(qū)的基本風(fēng)壓差異較大，臺灣和海南島等沿海島嶼、東南沿海地區(qū)，由于經(jīng)常受到臺風(fēng)的侵襲，基本風(fēng)壓相對較大；而內(nèi)陸地區(qū)，風(fēng)力相對較小，基本風(fēng)壓也較低。風(fēng)壓高度變化系數(shù)也不容忽視，它隨離地面高度增加而增大，不同的地面粗糙度類別，如A類近海海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)，B類田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū)，C類有密集建筑群的城市市區(qū)，D類有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)，對應(yīng)的風(fēng)壓高度變化系數(shù)也各不相同。風(fēng)荷載體形系數(shù)則與建筑物的形狀、尺寸等特性有關(guān)，圓形平面、矩形平面、正多邊形及截角三角平面等不同形狀的建筑，其風(fēng)荷載體形系數(shù)都有相應(yīng)的計算方法。無損狀態(tài)下的抗風(fēng)表現(xiàn)在正常情況下，高層鋼框架結(jié)構(gòu)憑借其自身的結(jié)構(gòu)特點和力學(xué)性能，能夠有效地抵抗風(fēng)荷載。鋼梁和鋼柱組成的堅固框架體系，就像人體的骨骼一樣，為建筑物提供了強大的支撐。當風(fēng)荷載作用于結(jié)構(gòu)時，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一定的位移和應(yīng)力，但都在設(shè)計允許的范圍內(nèi)。結(jié)構(gòu)的位移主要表現(xiàn)為水平方向的側(cè)移，通過合理的結(jié)構(gòu)布置和構(gòu)件設(shè)計，可以控制側(cè)移在較小的數(shù)值，以保證建筑物的正常使用和人員的舒適性。應(yīng)力分布則較為均勻，鋼梁和鋼柱能夠協(xié)同工作，共同承擔(dān)風(fēng)荷載產(chǎn)生的內(nèi)力。以某座典型的高層鋼框架結(jié)構(gòu)辦公樓為例，在設(shè)計風(fēng)速下，結(jié)構(gòu)頂部的最大側(cè)移僅為幾厘米，遠遠小于規(guī)范規(guī)定的限值；各構(gòu)件的應(yīng)力水平也都在鋼材的屈服強度以下，結(jié)構(gòu)處于安全穩(wěn)定的狀態(tài)。初損結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)困境然而，當高層鋼框架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)初損時，情況就變得不容樂觀了。初損會對結(jié)構(gòu)的剛度和強度產(chǎn)生嚴重的削弱。原本緊密連接的鋼梁和鋼柱，由于焊接缺陷或螺栓松動等初損問題，連接的緊密性和整體性受到破壞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剛度下降。就像一輛自行車，原本堅固的車架如果出現(xiàn)了裂縫，其整體的剛性就會大打折扣，在行駛過程中更容易發(fā)生變形。結(jié)構(gòu)剛度的降低，使得在風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的變形顯著增大。通過對比試驗可以發(fā)現(xiàn)，有初損的結(jié)構(gòu)在相同風(fēng)荷載下的側(cè)移量，可能是無損結(jié)構(gòu)的數(shù)倍之多。應(yīng)力集中現(xiàn)象也會加劇，在損傷部位周圍，由于結(jié)構(gòu)的傳力路徑發(fā)生改變，應(yīng)力會高度集中，使得這些部位成為結(jié)構(gòu)的薄弱點，更容易發(fā)生局部破壞。例如，當鋼梁出現(xiàn)微小裂紋時，裂紋尖端處的應(yīng)力會急劇增大，隨著風(fēng)荷載的反復(fù)作用，裂紋可能會逐漸擴展，最終導(dǎo)致鋼梁斷裂。這種局部破壞如果得不到及時控制，還可能引發(fā)連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)和倒塌。抗震性能探究：地震中的堅守地震作用：大地的考驗地震，這個大自然的“暴怒”，以其強大的破壞力，給人類的生命和財產(chǎn)帶來了巨大的威脅。當?shù)卣鸢l(fā)生時，從震源釋放出的能量以地震波的形式向四周傳播，對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強烈的作用。地震波主要分為體波和面波，體波又可進一步分為縱波（P波）和橫波（S波）?？v波是推進波，振動方向與傳播方向一致，傳播速度較快，在地殼中傳播速度為5.5-7千米/秒，最先到達震中，它使地面發(fā)生上下振動，破壞性相對較弱。橫波是剪切波，振動方向與波的傳播方向垂直，傳播速度比縱波慢，在地殼中的傳播速度為3.2-4.0千米/秒，第二個到達震中，它使地面發(fā)生前后、左右抖動，破壞性較強。面波又稱L波，是由縱波與橫波在地表相遇后激發(fā)產(chǎn)生的混合波，其波長大、振幅強，只能沿地表面?zhèn)鞑?，是造成建筑物強烈破壞的主要因素。這些地震波在傳播過程中，會根據(jù)地質(zhì)條件、地形地貌以及地表覆蓋物的不同而發(fā)生變化。在平原地區(qū)，由于缺乏天然障礙物，地震波傳播距離較長，影響范圍較廣。而在山區(qū)或丘陵地帶，地形起伏較大，地震波傳播路徑復(fù)雜，可能會形成多個震中，造成局部區(qū)域的強烈震動。當它們到達建筑結(jié)構(gòu)時，會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生復(fù)雜的振動和變形，對結(jié)構(gòu)的安全性構(gòu)成嚴重挑戰(zhàn)。比如1976年的唐山大地震，震級達到7.8級，強大的地震波使得唐山這座城市在瞬間幾乎被夷為平地，大量的建筑倒塌，數(shù)十萬人傷亡，給人們留下了慘痛的記憶。還有2008年的汶川地震，震級高達8.0級，地震波的強烈沖擊導(dǎo)致無數(shù)房屋垮塌，道路、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施嚴重損毀，其破壞程度之深、影響范圍之廣，震驚世界。地震反應(yīng)分析方法為了準確評估高層鋼框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)，工程師們采用了多種地震反應(yīng)分析方法。底部剪力法是一種較為簡單的分析方法，它適用于高度不超過40m、以剪切變形為主且質(zhì)量和剛度沿高度分布比較均勻的高層建筑結(jié)構(gòu)。該方法認為，結(jié)構(gòu)底部地震剪力與等效的單質(zhì)點體系的水平地震作用相等，通過確定結(jié)構(gòu)總水平地震作用及其沿高度分布，來計算結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。這種方法只考慮了結(jié)構(gòu)的第一振型，對于高階振型的影響忽略不計，所以它主要適用于基本振型主導(dǎo)的規(guī)則和高寬比很小的結(jié)構(gòu)，此時結(jié)構(gòu)的高階振型對于結(jié)構(gòu)剪力的影響有限，而對于傾覆彎矩則幾乎沒有什么影響，因此采用簡化的方式也可滿足工程設(shè)計精度的要求。振型分解反應(yīng)譜法是利用振型分解的概念，在彈性狀態(tài)下把多自由度體系分解成為若干個單自由度體系振動的組合。通過求出各單自由度體系的最大地震反應(yīng)，然后按照適當?shù)慕M合規(guī)則，如平方和開平方（SRSS）組合或完全二次型組合（CQC）組合，進行組合，從而得出整個多自由度體系的最大地震反應(yīng)。該方法考慮了結(jié)構(gòu)的動力特性，如自振周期、振型和阻尼，與地震動特性之間的關(guān)系，通過反應(yīng)譜來計算由結(jié)構(gòu)動力特性所產(chǎn)生的動力反應(yīng)，包括結(jié)構(gòu)位移、速度和加速度。它可以考慮結(jié)構(gòu)存在偏心時的扭轉(zhuǎn)耦連，簡便實用，已成為世界各國規(guī)范中給出的一種水平地震作用計算方法。例如，對于一個高層鋼框架結(jié)構(gòu)，通過振型分解反應(yīng)譜法，可以計算出結(jié)構(gòu)在不同振型下的地震反應(yīng)，然后將這些反應(yīng)進行組合，得到結(jié)構(gòu)的總地震反應(yīng)，從而為結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計提供依據(jù)。動力時程分析法是一種更為精確的分析方法，它通過輸入實際的地震波記錄，對結(jié)構(gòu)進行動力分析，直接計算出結(jié)構(gòu)在地震過程中的位移、速度、加速度等反應(yīng)時程。這種方法能夠考慮結(jié)構(gòu)的非線性特性，如材料的非線性、幾何非線性等，更真實地反映結(jié)構(gòu)在地震作用下的實際響應(yīng)。在進行動力時程分析時，需要選擇合適的地震記錄，這些記錄應(yīng)根據(jù)建筑場地類別和設(shè)計地震分組來選用，且不少于二組實際地震記錄和一組人工模擬的加速度時程曲線，其平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上相符。地震波的持續(xù)時間不宜小于建筑結(jié)構(gòu)基本自振周期的3-4倍，也不宜少于12s，地震波的時間間距可取0.01s或0.02s。結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)可取多條時程曲線計算結(jié)果的平均值與振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的較大值。雖然動力時程分析法理論上是最準確的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析方法，但由于其分析的復(fù)雜性，且地震波具有隨機性，因此一般只是把它作為反應(yīng)譜的驗證方法而不是直接的設(shè)計方法使用。無損與初損結(jié)構(gòu)的抗震對比當高層鋼框架結(jié)構(gòu)處于無損狀態(tài)時，在地震作用下，結(jié)構(gòu)能夠憑借自身的強度、剛度和延性，有效地抵抗地震力，將位移和加速度控制在合理的范圍內(nèi)。結(jié)構(gòu)的各個構(gòu)件能夠協(xié)同工作，共同承擔(dān)地震產(chǎn)生的內(nèi)力，通過結(jié)構(gòu)的變形來消耗地震能量，從而保護結(jié)構(gòu)的安全。例如，在一次模擬地震試驗中，一座無損的高層鋼框架結(jié)構(gòu)模型在受到一定強度的地震波作用時，結(jié)構(gòu)的最大位移僅為幾厘米，加速度也在安全范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)明顯的損壞。然而，當結(jié)構(gòu)存在初損時，情況就截然不同了。初損會嚴重削弱結(jié)構(gòu)的抗震性能。在地震作用下，有初損的結(jié)構(gòu)位移和加速度反應(yīng)會顯著增大。由于初損導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的局部剛度降低，結(jié)構(gòu)的變形會集中在損傷部位，使得這些部位的位移急劇增加。通過實驗對比發(fā)現(xiàn)，有初損結(jié)構(gòu)的最大位移可能是無損結(jié)構(gòu)的數(shù)倍之多。加速度反應(yīng)也會相應(yīng)增大，對結(jié)構(gòu)的沖擊更加劇烈。初損還會影響結(jié)構(gòu)的耗能能力，結(jié)構(gòu)原本通過自身變形來消耗地震能量的能力下降，使得地震能量不能有效地被分散和消耗，從而增加了結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險。塑性鉸的分布也會發(fā)生改變，在無損結(jié)構(gòu)中，塑性鉸通常會在結(jié)構(gòu)的預(yù)期部位形成，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的耗能和變形協(xié)調(diào)。但在有初損結(jié)構(gòu)中，由于損傷部位的存在，塑性鉸可能會在非預(yù)期部位過早出現(xiàn)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的傳力路徑發(fā)生改變，進而引發(fā)結(jié)構(gòu)的局部破壞和整體失穩(wěn)。提高性能的策略：加固與創(chuàng)新加固措施：修復(fù)受損“脊梁”面對有初損的高層鋼框架結(jié)構(gòu)，加固措施就像是給受損的“脊梁”打上了堅實的補丁，為結(jié)構(gòu)的安全提供了重要保障。增加支撐是一種常用的加固方法，通過在結(jié)構(gòu)中增設(shè)支撐構(gòu)件，如斜撐、交叉撐等，可以改變結(jié)構(gòu)的傳力路徑，增加結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性。在一些高層鋼框架結(jié)構(gòu)中，在柱間設(shè)置X形斜撐，能夠有效地提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力能力，減少結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載和地震荷載作用下的變形。這種方法就如同給一個搖搖欲墜的書架加上了穩(wěn)固的支架，使其能夠承受更多的重量。更換受損構(gòu)件也是必不可少的加固手段。當鋼梁或鋼柱出現(xiàn)嚴重的損傷，如斷裂、嚴重變形等，無法通過修復(fù)恢復(fù)其性能時，及時更換受損構(gòu)件是確保結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵。在實際工程中，需要對受損構(gòu)件進行精確的檢測和評估，確定其損傷程度和范圍，然后選擇合適的材料和工藝進行更換。比如，對于一根因地震而發(fā)生斷裂的鋼柱，需要先拆除受損的部分，然后采用與原構(gòu)件相同規(guī)格和材質(zhì)的鋼材進行替換，確保新構(gòu)件能夠與原結(jié)構(gòu)緊密連接，共同承擔(dān)荷載。在加固過程中，還有其他一些有效的方法。采用粘貼鋼板、碳纖維布等方式，可以增強構(gòu)件的強度和剛度。就像給受傷的肢體貼上創(chuàng)可貼一樣，這些加固材料能夠有效地分散應(yīng)力，提高構(gòu)件的承載能力。通過增加節(jié)點連接的強度，如采用高強度螺栓連接、焊接加固等，可以增強結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性。這些加固措施相互配合，能夠全面提升有初損高層鋼框架結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)和抗震性能。創(chuàng)新設(shè)計理念：防患于未然除了對已有初損結(jié)構(gòu)進行加固，在設(shè)計階段就充分考慮可能出現(xiàn)的初損，采用創(chuàng)新的設(shè)計理念，是從源頭上提高高層鋼框架結(jié)構(gòu)抗風(fēng)和抗震性能的重要途徑。采用先進的結(jié)構(gòu)體系是關(guān)鍵之一。例如，采用框架-支撐體系，在框架結(jié)構(gòu)中設(shè)置支撐構(gòu)件，能夠充分發(fā)揮框架結(jié)構(gòu)的靈活性和支撐結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力能力，提高結(jié)構(gòu)的整體性能?？蚣?核心筒體系也是一種有效的結(jié)構(gòu)形式，核心筒作為結(jié)構(gòu)的核心受力部件，能夠承擔(dān)大部分的水平荷載和豎向荷載，而框架則起到輔助支撐和空間分隔的作用，兩者協(xié)同工作，使結(jié)構(gòu)具有更好的抗風(fēng)和抗震性能。在材料選擇上，新型鋼材和復(fù)合材料的應(yīng)用為提高結(jié)構(gòu)性能帶來了新的機遇。高強度鋼材具有更高的強度和韌性，能夠在相同截面尺寸下承受更大的荷載，減少構(gòu)件的尺寸和重量，同時提高結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)、抗震能力。一些高強度低合金鋼，其屈服強度比普通鋼材高出很多，在高層鋼框架結(jié)構(gòu)中使用，可以有效地提高結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性。復(fù)合材料如碳纖維增強復(fù)合材料，具有輕質(zhì)、高強、耐腐蝕等優(yōu)點，將其應(yīng)用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，能夠顯著提高構(gòu)件的性能。在鋼梁中加入碳纖維增強復(fù)合材料，不僅可以減輕鋼梁的重量，還能提高其抗彎強度和剛度，使其在風(fēng)荷載和地震荷載作用下的變形更小。在設(shè)計過程中，還應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)的耐久性，采取有效的防護措施，減少初損的產(chǎn)生。對鋼材進行防腐處理，如涂刷防腐漆、采用熱浸鍍鋅等方法，可以防止鋼材在長期使用過程中受到腐蝕，延長結(jié)構(gòu)的使用壽命。合理設(shè)計結(jié)構(gòu)的構(gòu)造細節(jié)，避免應(yīng)力集中，也能減少損傷的發(fā)生。在節(jié)點設(shè)計中，采用合理的連接方式和構(gòu)造形式，