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鋼結構設計之抗震體系的設計
瀏覽: 發布日期:2019-03-30
  目前,鋼結構普遍應用于各種類型的民用建筑中,在高層及超高層建筑中的應用則更為廣泛。同混凝土結構相比,鋼結構具有韌性好、強度與重量比高的優點,具有優越的抗震性能;但是,如果鋼結構房屋在結構設計、材料選用、施工制作和維護上出現問題。則其優良的鋼材特性將得不到充分的發揮,在地震作用下同樣會造成結構的局部破壞或整體倒塌。
  
  1 鋼結構抗震結構體系
  
  隨著我國經濟的進一步發展和建筑技術的逐漸進步,鋼結構也越來越廣泛的應用于建筑當中,其中在建筑結構中,鋼結構具有良好抗震性,并且工業化生產程度較高,鋼結構施工周期較短,并且具體節能環保、延展性好等優點,特別對于鋼結構建筑具有的延展性可以對地震波產生衰減作用,減少地震對鋼結構建筑的破壞。針對鋼結構建筑的如此突出的優點,美國等等國家的鋼結構建筑已占到所在國內建筑總量的一半以上。日本是地震多發的國家,鋼結構建筑在日本建筑當中的占有率更是達到了65%左右。根據日本阪神地震后資料的顯示,在地震中鋼結構建筑的受損程度和受損概率要遠低于混凝土結構。2008年四川汶川地震中,作為鋼結構建筑的綿陽體育館也沒有受到損壞,成為安置地震災民的主要地點。在進行鋼結構的抗震設計的時候,設計者應從歷次震害中吸取經驗和教訓,除了在強度和剛度上提高結構的抗力以外,還要從如何增大鋼結構在往復荷載作用下的塑性變形能力等方面考慮,以及從減小地震作用方面考慮,做到既經濟合理、又安全可靠。
  鋼結構抗震性設計
  在鋼結構建筑中常見的結構體系有框架一偏心支撐結構、框架一中心支撐結構和框架結構燈等。純框架鋼結構具體延性好,抗震性能好的特點,但是由于它的抗側剛度比較差,不適宜于層數太高的建筑當中。框架-中心支撐結構的抗側剛度大,適用層數較多的鋼結構建筑,但是由于支撐構件的滯回性能較差,耗散的地震能量比較有限,其抗震性能不如純框架。框架-偏心支撐結構可以通過偏心連梁的剪切屈服,耗散地震德能量,同時又可以保證支撐不喪失其整體穩定,它的抗震性能優于框架一中心支撐結構。可以采用能與鋼框架抗側剛度相匹配的帶豎縫剪力墻以及內藏鋼板剪力墻代替支撐,可以構成框架一抗震墻板結構,它的抗震性能優于框架-中心支撐的結構。當建筑剛度更高的時候,可以采用沿建筑周邊設置密柱深梁框架構成的框筒鋼結構。框筒結構具體抗側剛度大,并具有較好的抗震性能[1]。
  
  2 鋼結構破壞部位
  
  鋼結構的震害主要有節結構的整體倒塌、構件的破壞和點連接的破壞等三種形式。
  
  2.1 節點連接的破壞
  
  2.1.1 框架梁柱節點區的破壞原因
  
  對節點破壞原因的分析:(1)裂縫主要出現在節點下翼緣,是因為鋼結構梁上翼緣有樓板加強,并且上翼緣焊縫無腹板妨礙施焊;(2)梁端焊縫通過孔邊緣會出現應力集中,引發裂縫;(3)梁翼緣端部全熔透坡口焊的襯板邊緣形成人工縫,縫隙在豎向力作用下擴大;(4)焊縫存在缺陷,特別是下翼緣梁端現場焊縫的中部,因為腹板妨礙焊接和檢查,出現不連續;(5)焊縫金屬的沖擊韌性低。
  
  2.1.2 支撐連接的破壞
  
  采用螺栓連接的支撐破壞形式,包括支撐桿件螺孔間剪切滑移的破壞、節點板端部剪切滑移的破壞、以及支撐截面削弱處斷裂。支撐是框架一支撐結構當中最重要的抗側力部分,一旦發生地震的時候,它將首先承受水平地震作用,如某層的支撐發生破壞,將使這個樓層成為薄弱層,造成嚴重后果。
  
  2.2 構件的破壞
  
  2.2.1 支撐桿件的整體失穩、局部失穩和斷裂破壞
  
  當支撐構件的組成板件寬厚比較大時,往往伴隨著整體失穩出現板件的局部失穩現象,進而引發低周疲勞和斷裂破壞,這在以往的震害中并不少見。試驗研究表明,要防止板件在往復塑性應變作用下發生局部失穩,進而引發低周疲勞破壞,必須對支撐板件的寬厚比進行限制,且應比塑性設計的還要嚴格。
  
  2.2.2 鋼柱脆性斷裂
  
  在1995年阪神地震當中,位于蘆屋市海濱城高層住宅小區,小區當中的2l棟巨型鋼框架結構的住宅樓共有57根鋼柱發生了斷裂現象,所有箱形截面柱的斷裂都發生在14層以下的樓層里,并且都是脆性受拉斷裂,斷口呈水平的形狀。
  
  我們分析認為:①有的鋼柱斷裂發生在拼接焊縫附近,這里可能正是焊接缺陷構成的薄弱部位;②鋼柱暴露于室外,當時正值日本的嚴冬,鋼材溫度低于0攝氏度;③箱形截面柱的壁厚達50mm,厚板焊接時過熱,使焊縫附近鋼材延展性降低;④豎向地震及傾覆力矩在柱中產生較大的拉力。
  
  2.3 結構的倒塌破壞
  
  1985年墨西哥發生的大地震中,墨西哥市的某個綜合大樓的3個22層的鋼結構塔樓之一發生倒塌,其余2棟鋼結構塔樓也發生了嚴重破壞,其中1棟已經接近倒塌。這3棟塔樓的結構體系都是框架-支撐結構。有關分析證明,塔樓發生倒塌或者嚴重破壞的主要原因,是因為縱橫向垂直支撐偏位設置,從而導致剛度中心和質量重心相距太大,所以在地震中產生了較大的扭轉效應,致使鋼柱的承載力小于作用力大于,引發了3棟相同的塔樓發生了嚴重破壞甚至倒塌。由此可見,規則對稱的結構體系對抗震是十分有利的。
  
  3 鋼結構抗震設計的要求
  
  3.1 選擇對建筑抗震有利的場地和地基
  鋼結構設計抗震
  場地影響了鋼結結構的地震反應,鋼結構地震反應大小決定了鋼結構的震害。因此在抗震設計的時候應選擇堅硬的中硬土場地,當實在無法避開不利的或者危險的場地的時候,應采取補救措施。
  
  3.2 選擇合理的結構總體布置
  
  (1)建筑形狀力求規則形狀較簡單建筑物由于受力性能明確,遭受地震時破壞很輕。在抗震設計時要求建筑形狀規則,結構要求對稱,來減小質量中心和剛度中心的偏離;(2)強度以及剛度應連續變化抗震結構的剛度、承載力在樓層平面內應均勻,沿結構堅向應連續并且均勻。
  
  3.3 選擇合理的抗震結構體系
  
  (1)具有明確的計算簡圖以及合理的地震作用傳遞途徑; (2)結構應該具有多道抗震防線①結構應有良好“堅韌性”。就是必備的強度,剛度良好的變形和耗能能力。②抗震體系應有最大可能數量的內部以及外部富余度,能在結構適當部位有意識地建立起有利的屈服區以使結構既能吸收和耗散大量地震能量,萬一破壞易于修復。③抗震結構體系應由一些延性較好的分體系組成,并且由延性較好的聯系構件連接起來。
  
  鋼結構抗震設計設計涉及的方面很廣和豐富,上面我們所論述的只是其中一小部分。總之,鋼結構抗震設計始終貫穿于鋼結構設計中的各個階段,它是鋼結構建筑抗設計重要組成部分。我們在鋼結構建筑體系的設計中要充分了解鋼結構住宅的破壞機制以及和破壞過程,靈活運用鋼結構抗震設計準則,合理地確定和解決結構設計中的各種問題。這樣我們才能設計出經濟、合理、安全適用的鋼結構建筑。

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