|
|
鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能分析與設(shè)計(jì)
|
|
http://zhuijuan.cn 發(fā)表日期：2011-5-24 14:11:07
蘭格鋼鐵 |
摘要：介紹鋼結(jié)構(gòu)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(jì)方法，為促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)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(jì)
一、前言
2008年5月12日14時(shí)28分，在四川汶川縣發(fā)生了M810級(jí)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(guó)各省市均有震感。此次地震已造成8萬(wàn)人遇難，近2萬(wàn)人失蹤，400多萬(wàn)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(jì)方法，以期在以后的建筑設(shè)計(jì)中能為抗震設(shè)計(jì)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?lái)臨時(shí)，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(guò)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(duì)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(shí)，承受的軸向力增加，如果支撐的長(zhǎng)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(wèn)題，就會(huì)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(wèn)題造成。5.構(gòu)件破壞�？蚣芰旱鹊钠茐男问街饕懈拱彘_(kāi)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眩砭壡�，翼緣撕裂失穩(wěn)。構(gòu)件拉斷的原因估計(jì)是地震造成的傾覆拉力較大，動(dòng)應(yīng)變速率較高，材料變脆等。
四、鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)
(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(dòng)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(zhǎng)了結(jié)構(gòu)進(jìn)入倒塌的過(guò)程。即使是純框架結(jié)構(gòu)(類(lèi)似于汶川校舍建筑)之類(lèi)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(jì)類(lèi)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(shí)，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(duì)其地震響應(yīng)有不同的影響[2]。
(三)輕型門(mén)式剛架設(shè)計(jì)。實(shí)腹式輕型門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)按截面形式主要有兩種類(lèi)型:等截面門(mén)式剛架和變截面門(mén)式剛架。門(mén)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(mén)架構(gòu)成，柱腳常設(shè)計(jì)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(mén)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(mén)式剛架柱一般由一個(gè)楔形構(gòu)件組成，而梁則由幾個(gè)楔形構(gòu)件組成。輕型門(mén)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(jià)低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)已經(jīng)成為單、多層工業(yè)廠房、倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)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(duì)整個(gè)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(jì)中的一個(gè)重要問(wèn)題。
徐國(guó)林[4]等通過(guò)計(jì)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(dòng)作用下巨型梁位置的改變對(duì)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(duì)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(chēng)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(guò)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(guò)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(shí)，必須考慮其非線性分叉問(wèn)題才能全面地了解它的穩(wěn)定性能。
五、結(jié)語(yǔ)
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(guó)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(huì)節(jié)省很多時(shí)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(huì)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(huì)與混凝土建筑成本持平，最差也不會(huì)超過(guò)15%。這是我們可以接受的。我國(guó)著名鋼結(jié)構(gòu)專(zhuān)家、國(guó)家鋼結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心總工程師侯兆欣說(shuō)，“鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)成為重建家園的最佳選擇�！笨傊梢韵嘈�，隨著鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)研究的不斷進(jìn)步，在不久的將來(lái)，會(huì)有越來(lái)越多讓人們“信得過(guò)”的鋼結(jié)構(gòu)建筑問(wèn)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(duì)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(mén)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(guó)林等，巨型梁設(shè)置對(duì)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(dòng)，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(kāi)發(fā)，2008(3). |
|
|
|
文章編輯：【蘭格鋼鐵網(wǎng)】zhuijuan.cn |
|
|
|
