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[摘要]介紹鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能和在震害中的破壞形式,并總結(jié)當(dāng)今鋼結(jié)構(gòu)的各種抗震設(shè)計方法,為促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計和應(yīng)用提供指導(dǎo)。

[關(guān)鍵詞]鋼結(jié)構(gòu) 抗震性能 抗震設(shè)計

中圖分類號:TU3文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0910080-01

一、前言

2008年5月12日14時28分,在四川汶川縣發(fā)生了M810級地震,波及陜西、甘肅,包括北京、上海、貴州、重慶、湖北、江西等全國各省市均有震感。此次地震已造成8萬人遇難,近2萬人失蹤,400多萬間房屋倒塌損毀,地震中大量工業(yè)建筑嚴(yán)重?fù)p壞,造成人員傷亡及停產(chǎn),經(jīng)濟(jì)損失慘重。

本文從建筑物抗震性能分析中,介紹了鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能和在震害中的破壞形式,并總結(jié)了當(dāng)今鋼結(jié)構(gòu)的各種抗震設(shè)計方法,以期在以后的建筑設(shè)計中能為抗震設(shè)計提供借鑒。

二、鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能

不同的結(jié)構(gòu)形式,抗震性能明顯不同?；炷两Y(jié)構(gòu)的房屋受壓較好,但不抗拉力,兩種力的差距達(dá)10倍。當(dāng)?shù)卣饋砼R時,房屋在地震波循環(huán)荷載情況下,極易發(fā)生整體垮塌。

而鋼結(jié)構(gòu)具有良好的延展性,可以將地震波的能耗抵消掉。鋼材基本上屬各向同性材料,扛拉、抗壓、扛剪強(qiáng)度均很高,而且具有良好的延展性,特別是鋼結(jié)構(gòu)憑著自己特有的高延展性減輕了地震反應(yīng)。鋼結(jié)構(gòu)還可以看作比較理想的彈塑性結(jié)構(gòu),可以通過結(jié)構(gòu)的塑性變形吸收和消耗地震輸入能量,從而具有較高的抵抗強(qiáng)烈地震的能力。鋼結(jié)構(gòu)相對于其他結(jié)構(gòu)自重輕,這也大大減輕了地震作用的影響。鋼結(jié)構(gòu)除了抗震性能高,施工周期短、工業(yè)化程度高、環(huán)保性能好的特點(diǎn)也顯著優(yōu)于混凝土結(jié)構(gòu)。

三、鋼結(jié)構(gòu)在震害中的破壞形式

1.結(jié)構(gòu)倒塌。鋼材發(fā)生平面外彎曲失穩(wěn)造成。2.支撐構(gòu)件破壞。支撐構(gòu)件為結(jié)構(gòu)提供較大的側(cè)向剛度,當(dāng)?shù)卣饛?qiáng)度較大時,承受的軸向力增加,如果支撐的長度、局部加勁板構(gòu)造與主體結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)造等出現(xiàn)問題,就會出現(xiàn)破壞和失穩(wěn)。3.節(jié)點(diǎn)破壞。鉚、拴、焊節(jié)點(diǎn)傳力集中,構(gòu)造復(fù)雜,施工難度大,容易造成應(yīng)力集中,強(qiáng)度不均勻現(xiàn)象,再加上可能的焊縫缺陷、構(gòu)造缺陷,就更容易出現(xiàn)連接破壞。梁柱節(jié)點(diǎn)可能破壞現(xiàn)象有加勁板斷裂、扭曲,腹板斷裂、扭曲,焊接部位拉脫,鉚接斷裂以及螺栓連接的破壞等等。4.基礎(chǔ)錨固破壞。主要有螺栓拉短、混凝土錨固實(shí)效、連接板斷裂。主要是涉及構(gòu)造、材料質(zhì)量、施工質(zhì)量等問題造成。5.構(gòu)件破壞。框架梁等的破壞形式主要有腹板開裂、腹板屈曲和翼緣板屈曲、扭轉(zhuǎn)屈曲?？蚣苤钠茐闹饕芍邮芾瓟嗔?翼緣屈曲,翼緣撕裂失穩(wěn)。構(gòu)件拉斷的原因估計是地震造成的傾覆拉力較大,動應(yīng)變速率較高,材料變脆等。

四、鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計

(一)鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件拼接建筑結(jié)構(gòu)。張曉波[1]從汶川抗震救災(zāi)中廣泛使用的活動板房,歸納總結(jié)指出,在鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件拼接建筑結(jié)構(gòu)中,預(yù)制鋼構(gòu)件的連接增加了結(jié)構(gòu)的超靜定次數(shù),從而增加了塑性鉸的形成數(shù)量,構(gòu)成多道抗震防線,不僅提高了結(jié)構(gòu)的抗震可靠度,更延長了結(jié)構(gòu)進(jìn)入倒塌的過程。即使是純框架結(jié)構(gòu)(類似于汶川校舍建筑)之類的樓房,也能大大提高其抗震能力。且這種結(jié)構(gòu)具有施工方便,工期短,自重輕,結(jié)構(gòu)面積小,節(jié)能,維修方便等優(yōu)點(diǎn),可以作為抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計類型。

(二)支撐布置方式。由于高度限制,用于高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的框架體系常設(shè)置支撐。同時,為控制樓層的頂點(diǎn)位移及層間位移,可設(shè)置水平加強(qiáng)層。增加支撐體系和水平加強(qiáng)層是提高結(jié)構(gòu)整體剛度,減少梁、柱用鋼量有效方法之一,具有較好的經(jīng)濟(jì)效果。不同的支撐布置形式對其地震響應(yīng)有不同的影響[2]。

(三)輕型門式剛架設(shè)計。實(shí)腹式輕型門式剛架結(jié)構(gòu)按截面形式主要有兩種類型:等截面門式剛架和變截面門式剛架。門式剛架結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)一般由等截面或變截面的焊接(或軋制)H型鋼門架構(gòu)成,柱腳常設(shè)計為鉸接或剛接,維護(hù)結(jié)構(gòu)通常采用壓型鋼板作為輕型外墻和屋面。變截面的焊接H型鋼門式剛架通常將構(gòu)件腹板制成楔形,只改變腹板寬度,不改變腹板厚度、翼緣的寬度和厚度[3]。依據(jù)剛架的彎矩分布特點(diǎn),門式剛架柱一般由一個楔形構(gòu)件組成,而梁則由幾個楔形構(gòu)件組成。輕型門式剛架結(jié)構(gòu)體系具有施工速度快、安裝方便、造型輕盈美觀、造價低廉等諸多優(yōu)點(diǎn),近年來已經(jīng)成為單、多層工業(yè)廠房、倉儲庫房和大跨輕鋼結(jié)構(gòu)的主要形式之一。

(四)巨型梁設(shè)置。巨型梁的設(shè)置對整個巨型鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能影響很大,是巨型鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中的一個重要問題。

徐國林[4]等通過計算研究發(fā)現(xiàn),巨型梁的數(shù)量不是越多越好。此外巨型梁數(shù)量要保證結(jié)構(gòu)具有足夠的抗側(cè)剛度,且要考慮巨型梁柱線剛度,使其相差不能太大,以利于抗震。在地震動作用下巨型梁位置的改變對結(jié)構(gòu)的反應(yīng)影響較大,而從反應(yīng)譜分析中并未看出巨型梁位置改變對結(jié)構(gòu)反應(yīng)的影響。

(五)輕型鋼結(jié)構(gòu)框架節(jié)點(diǎn)。冷彎型鋼被稱為高效截面型鋼,具有承載力高,整體剛度較大,節(jié)省材料等優(yōu)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)是冷彎型鋼結(jié)構(gòu)體系的重要組成部分,是結(jié)構(gòu)傳力體系的核心構(gòu)件。

曹芙波[5]等通過試驗(yàn)研究,將四種經(jīng)典穩(wěn)定判別準(zhǔn)則中的初始缺陷準(zhǔn)則應(yīng)用于非線性有限元分析,提出了研究非線性分叉失穩(wěn)的初始微小缺陷法。通過分析研究證明了初始微小缺陷法是易行的和符合實(shí)際的,揭示了初始微小缺陷是實(shí)際結(jié)構(gòu)存在非線性分叉失穩(wěn)的真正原因,指出在研究肘形剛架時,必須考慮其非線性分叉問題才能全面地了解它的穩(wěn)定性能。

五、結(jié)語

據(jù)了解,日本等地震高發(fā)地區(qū)的建筑中鋼結(jié)構(gòu)占38%,木結(jié)構(gòu)占35%,混凝土結(jié)構(gòu)只占20%多,而我國則相反,混凝土占到90%以上,鋼結(jié)構(gòu)還不到5%。比起傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu),鋼結(jié)構(gòu)確實(shí)成本要高出一些。但是鋼結(jié)構(gòu)比混凝土結(jié)構(gòu)建設(shè)速度要快50%,這會節(jié)省很多時間成本。而且房屋整體重量也比混凝土結(jié)構(gòu)輕50%以上,這樣基礎(chǔ)處理、運(yùn)輸量的成本都會下降。此外,鋼結(jié)構(gòu)柱子的截面小,可以增加5%的空間面積。理想狀況下會與混凝土建筑成本持平,最差也不會超過15%。這是我們可以接受的。我國著名鋼結(jié)構(gòu)專家、國家鋼結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心總工程師侯兆欣說,“鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)成為重建家園的最佳選擇。”總之,可以相信,隨著鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計研究的不斷進(jìn)步,在不久的將來,會有越來越多讓人們“信得過”的鋼結(jié)構(gòu)建筑問世。

參考文獻(xiàn):

[1]張曉波,從汶川地震看鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件拼接建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展[J].住宅產(chǎn)業(yè),2008(7).

[2]崔輝輝等,支撐布置方式對具水平加強(qiáng)層全鋼高層結(jié)構(gòu)抗震性能的影響分析[J].福建建筑,2008(9).

[3]高軒能、李琨,變截面門式剛架地震反應(yīng)研究進(jìn)展[J].四川建筑科學(xué)研究,2008(6).

[4]徐國林等,巨型梁設(shè)置對巨型鋼框架結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響[J].地震工程與工程振動,2008(6).

[5]曹芙波等,輕型鋼結(jié)構(gòu)框架節(jié)點(diǎn)抗震性能的研究與分析[J].科研開發(fā),2008(3).

作者簡介:

張保(1987-),男,漢族,山東省濰坊市人,中南大學(xué)土木建筑學(xué)院,土木工程專業(yè)。