張忠良
(成都藝術(shù)職業(yè)學(xué)院 四川成都 611433)
鋼結(jié)構(gòu)建筑的抗震設(shè)計性能分析與研究
張忠良
(成都藝術(shù)職業(yè)學(xué)院 四川成都 611433)
鋼結(jié)構(gòu)建筑具有抗震性能高、工業(yè)化生產(chǎn)程度高、施工周期短、節(jié)能環(huán)保、便于運(yùn)輸、施工速度快、延展性好等優(yōu)點,已成為現(xiàn)代主要建筑結(jié)構(gòu)之一。本文就鋼結(jié)構(gòu)建筑的抗震設(shè)計進(jìn)行分析和研究。
鋼結(jié)構(gòu);抗震;抗震設(shè)計
在眾多的建筑結(jié)構(gòu)之中,鋼結(jié)構(gòu)具有良好抗震性能。鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計已經(jīng)是現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要內(nèi)容,充分了解鋼結(jié)構(gòu)建筑的震害破壞原理和震害破壞過程,在抗震設(shè)計準(zhǔn)則的前提下,合理地確定鋼結(jié)構(gòu)的各種震害問題,方可采取可靠的抗震解決方案。
結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計有兩類途徑,一類是主動控制法:是對外荷載實現(xiàn)聯(lián)機(jī)跟蹤和預(yù)測,并通過作動器對結(jié)構(gòu)施加控制力來改變結(jié)構(gòu)的動力特性,如:加阻尼器;另一類是被動控制法:通過改善結(jié)構(gòu)本身的特征,實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)模態(tài)變量的控制或優(yōu)化,改變結(jié)構(gòu)的動力特性,如:加大結(jié)構(gòu)截面或優(yōu)化變形薄弱區(qū)。
國內(nèi)常用的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方式,是以承載力為基礎(chǔ)的設(shè)計,通常取結(jié)構(gòu)的動應(yīng)力特別是動拉應(yīng)力為抗震設(shè)計時的控制指標(biāo)。多次震害表明,結(jié)構(gòu)破壞、倒塌的主要原因是變形過 大,超過了結(jié)構(gòu)能承受的變形能力,因此,國外學(xué)者又提出了基于位移的抗震設(shè)計,以結(jié)構(gòu)的變形作為抗震設(shè)計時的控制指標(biāo),要求結(jié)構(gòu)的變形值要滿足在地震作用下的變形要求。
國內(nèi)常常采用反應(yīng)譜法,是采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震計算,再對大量地震反應(yīng)譜進(jìn)行統(tǒng)計分析而確定。地震反應(yīng)譜的計算理論是相當(dāng)經(jīng)典的,在短周期段內(nèi)只要地震記錄準(zhǔn)確,地震反應(yīng)譜就準(zhǔn)確,但是地震反應(yīng)譜在長周期段卻不準(zhǔn)確。高層鋼結(jié)構(gòu)建筑自振周期較大〔如上海中心、廣州電視塔等),地震反應(yīng)譜法對高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的分析偏差較大,因此,對于長周期段的反應(yīng)譜法還需要進(jìn)一步研究。還有鋼結(jié)構(gòu)自身阻尼較小,按現(xiàn)行抗震規(guī)范的計算方法,在考慮結(jié)構(gòu)延性以后地震作用力減小的同時又因阻尼比降低而加大。以上種種不確定因素使得鋼結(jié)構(gòu)的用鋼量比理論上偏高。
(一)鋼結(jié)構(gòu)建筑的鋼材性能要求
鋼結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)符合下列規(guī)定:
1、抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的鋼材宜采用兩種:B級Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼和Q345低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼,其質(zhì)量應(yīng)符合國標(biāo)《碳素結(jié)構(gòu)鋼》和《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》的規(guī)定。當(dāng)有特殊要求時,也可采用其它滿足技術(shù)要求的鋼材。
2、采用焊接方式連接的節(jié)點,當(dāng)板厚大于等于 40mm,且沿板厚方向承受拉力作用時,該處鋼材應(yīng)滿足沿厚度方向受拉試件破壞后的斷面收縮率的附加要求,不得小于國標(biāo)《厚度方向性能鋼板》(GB/T5313)的規(guī)定。
3、丙類以上抗震設(shè)計類別的抗側(cè)力體系鋼結(jié)構(gòu)中,所有坡口全熔透焊縫的填充金屬應(yīng)滿足規(guī)范要求和低溫抗沖擊要求。
(二)鋼結(jié)構(gòu)建筑的抗震結(jié)構(gòu)布置
1、平立面布置應(yīng)符合抗震概念設(shè)計的要求,不應(yīng)采用不規(guī)則的設(shè)計方案。即建筑的平面、立面布置和結(jié)構(gòu)體系選擇,應(yīng)做到形體簡單、規(guī)則、均勻、對稱,建筑的總體剛度中心與建筑的質(zhì)量中心相重合或相接近,建筑的剛度和質(zhì)量沿豎向均勻連續(xù)、無突變。
2、避免采用不規(guī)則的結(jié)構(gòu)方案,不設(shè)防震縫。如果建筑必須采用比較復(fù)雜的平面形狀時,則宜用防震縫將建筑劃分為幾個平面規(guī)則的獨立單元,為了避免地震時各單元之間相互碰撞,防震縫的寬度應(yīng)不小于相應(yīng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋的1.5倍。
(三)鋼結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計原則
1、結(jié)構(gòu)體系選擇。應(yīng)根據(jù)建筑的抗震設(shè)防類別、抗震設(shè)防烈度、建筑高度、場地條件、地基、結(jié)構(gòu)材料和施工等因素,從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和使用條件綜合考慮確定。
2、結(jié)構(gòu)體系應(yīng)有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑,多道抗震防線。宜使結(jié)構(gòu)在兩個主軸方向的動力特性相近,并使其基本自振周期遠(yuǎn)不同于場地的特征周期,以防止共振,減小地震作用。
3、遵循“強(qiáng)柱弱梁,強(qiáng)剪弱彎,強(qiáng)節(jié)點弱構(gòu)件”的原則, 應(yīng)避免因局部結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載能力。
4、結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的抗震承載能力、變形能力和消能減震的能力。例如,為避免梁柱剛性節(jié)點發(fā)生脆性破壞,可采用在節(jié)點附近削弱梁翼緣截面,或在節(jié)點處設(shè)置加強(qiáng)梁段的辦法,充分發(fā)揮塑性轉(zhuǎn)動能力和耗量的能力。
5、對薄弱部位,預(yù)先采取措施提高抗震能力。
6、以小震不壞、中震可修、大震不倒為抗震目標(biāo),多遇地震按彈性設(shè)計、罕遇地震按彈塑性進(jìn)行變形驗算的兩階段設(shè)計方法進(jìn)行抗震設(shè)計。
7、選擇有利的場地和地基,場地影響鋼結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),鋼結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)決定震害大小。因此應(yīng)選擇堅硬、均勻的場地,當(dāng)無法避開不利的場地時,必須采取補(bǔ)救措施。
常用的結(jié)構(gòu)體系有框架結(jié)構(gòu)、框架-中心支撐結(jié)構(gòu)和框架-偏心支撐結(jié)構(gòu)幾種。純框架結(jié)構(gòu)的特點是延性好,抗震性能好,但抗側(cè)剛度較差,不宜用于受側(cè)向控制的建筑。
框架-中心支撐結(jié)構(gòu)的特點是抗側(cè)剛度大,適用層數(shù)較多的建筑,但由于支撐構(gòu)件的滯回性能較差,耗散的地震能量有限,抗震性能優(yōu)于純框架。
框架-偏心支撐結(jié)構(gòu)的特點是可通過偏心連梁的剪切屈服, 消耗地震能量,同時又能保證支撐不喪失整體穩(wěn)定,抗震性能優(yōu)于框架-中心支撐結(jié)構(gòu)。
如果采用能與鋼框架抗側(cè)剛度相當(dāng)?shù)膬?nèi)藏鋼板剪力墻和帶豎縫剪力墻代替支撐,就構(gòu)成鋼框架-抗震墻板結(jié)構(gòu),其抗震性能優(yōu)于框架-中心支撐結(jié)構(gòu)。當(dāng)需要建筑剛度更高時,可沿建筑周邊設(shè)置密柱深梁框架構(gòu)成鋼框筒結(jié)構(gòu)。鋼框筒結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度大,并具有更好的抗震性能。
傳統(tǒng)的防震思路是要求建筑結(jié)構(gòu)具有一定的抗震性能,常常形成兩種抗震方式:一是足夠剛,提高結(jié)構(gòu)的自身剛度來抵抗地震作用;另一種是足夠柔,允許結(jié)構(gòu)有一定的柔性變形,使結(jié)構(gòu)在變形過程中吸收、釋放、消耗掉一定的能量。這兩種方式是在提高結(jié)構(gòu)總體強(qiáng)度和剛度,是兩個有效的抗震途徑。當(dāng)建筑高度很高,地震烈度很高的時候,前兩種方式的抗震能力也很有限。
另外一種防震思路出現(xiàn)了:消能減震,隔震。對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)有重要影響的主要有兩個因素:結(jié)構(gòu)物的基本周期和阻尼比。采用消能結(jié)構(gòu)可以在很大程度上延長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。
使自由振動衰減的各種摩擦和其他阻礙作用,我們稱之為阻尼。而安置在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)上的“特殊”構(gòu)件可以提供運(yùn)動的阻力,耗減運(yùn)動能量的裝置,我們稱為阻尼器。鋼結(jié)構(gòu)抗震對阻尼器的要求:第一,在小振幅的振動下,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)烈振動時,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。
隨著對筑抗震要求的不斷提高,如何進(jìn)一步完善和充實現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)抗震、防震,合理確定建筑的結(jié)構(gòu)安全度、改進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)造與設(shè)計方法、科學(xué)經(jīng)濟(jì)地保障鋼結(jié)構(gòu)建筑的安全性是業(yè)內(nèi)工程師們不斷探索的方向。
[1]陳紹蕃,郭成喜.房屋建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(第三版)[M].中國建筑工業(yè)出版社.北京.2014.8
[2]柴昶.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算[M].機(jī)械工業(yè)出版社.北京.2006.1
TU7
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1007-6344(2016)10-0043-01
張忠良(1981.12~),男,本科,工程師/講師,主要研究方向:建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)抗震、地基基礎(chǔ)。Email:390196537@qq.com。