鋼結構的抗震性能分析與設計

張　保　聶子云

[摘要]介紹鋼結構的抗震性能和在震害中的破壞形式,并總結當今鋼結構的各種抗震設計方法,為促進鋼結構的抗震設計和應用提供指導。

[關鍵詞]鋼結構 抗震性能 抗震設計

中圖分類號:TU3文獻標識碼: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,地震中大量工業建筑嚴重損壞,造成人員傷亡及停產,經濟損失慘重。

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

二、鋼結構的抗震性能

不同的結構形式,抗震性能明顯不同?；炷两Y構的房屋受壓較好,但不抗拉力,兩種力的差距達10倍。當地震來臨時,房屋在地震波循環荷載情況下,極易發生整體垮塌。

而鋼結構具有良好的延展性,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、扛剪強度均很高,而且具有良好的延展性,特別是鋼結構憑著自己特有的高延展性減輕了地震反應。鋼結構還可以看作比較理想的彈塑性結構,可以通過結構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烈地震的能力。鋼結構相對于其他結構自重輕,這也大大減輕了地震作用的影響。鋼結構除了抗震性能高,施工周期短、工業化程度高、環保性能好的特點也顯著優于混凝土結構。

三、鋼結構在震害中的破壞形式

1.結構倒塌。鋼材發生平面外彎曲失穩造成。2.支撐構件破壞。支撐構件為結構提供較大的側向剛度,當地震強度較大時,承受的軸向力增加,如果支撐的長度、局部加勁板構造與主體結構的連接構造等出現問題,就會出現破壞和失穩。3.節點破壞。鉚、拴、焊節點傳力集中,構造復雜,施工難度大,容易造成應力集中,強度不均勻現象,再加上可能的焊縫缺陷、構造缺陷,就更容易出現連接破壞。梁柱節點可能破壞現象有加勁板斷裂、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.基礎錨固破壞。主要有螺栓拉短、混凝土錨固實效、連接板斷裂。主要是涉及構造、材料質量、施工質量等問題造成。5.構件破壞?？蚣芰旱鹊钠茐男问街饕懈拱彘_裂、腹板屈曲和翼緣板屈曲、扭轉屈曲?？蚣苤钠茐闹饕芍邮芾瓟嗔?翼緣屈曲,翼緣撕裂失穩。構件拉斷的原因估計是地震造成的傾覆拉力較大,動應變速率較高,材料變脆等。

四、鋼結構的抗震設計

(一)鋼結構預制構件拼接建筑結構。張曉波[1]從汶川抗震救災中廣泛使用的活動板房,歸納總結指出,在鋼結構預制構件拼接建筑結構中,預制鋼構件的連接增加了結構的超靜定次數,從而增加了塑性鉸的形成數量,構成多道抗震防線,不僅提高了結構的抗震可靠度,更延長了結構進入倒塌的過程。即使是純框架結構(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。且這種結構具有施工方便,工期短,自重輕,結構面積小,節能,維修方便等優點,可以作為抗震結構設計類型。

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

(三)輕型門式剛架設計。實腹式輕型門式剛架結構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。門式剛架結構的主體結構一般由等截面或變截面的焊接(或軋制)H型鋼門架構成,柱腳常設計為鉸接或剛接,維護結構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]。依據剛架的彎矩分布特點,門式剛架柱一般由一個楔形構件組成,而梁則由幾個楔形構件組成。輕型門式剛架結構體系具有施工速度快、安裝方便、造型輕盈美觀、造價低廉等諸多優點,近年來已經成為單、多層工業廠房、倉儲庫房和大跨輕鋼結構的主要形式之一。

(四)巨型梁設置。巨型梁的設置對整個巨型鋼結構的抗震性能影響很大,是巨型鋼結構抗震設計中的一個重要問題。

徐國林[4]等通過計算研究發現,巨型梁的數量不是越多越好。此外巨型梁數量要保證結構具有足夠的抗側剛度,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構的反應影響較大,而從反應譜分析中并未看出巨型梁位置改變對結構反應的影響。

(五)輕型鋼結構框架節點。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,節省材料等優點。節點是冷彎型鋼結構體系的重要組成部分,是結構傳力體系的核心構件。

曹芙波[5]等通過試驗研究,將四種經典穩定判別準則中的初始缺陷準則應用于非線性有限元分析,提出了研究非線性分叉失穩的初始微小缺陷法。通過分析研究證明了初始微小缺陷法是易行的和符合實際的,揭示了初始微小缺陷是實際結構存在非線性分叉失穩的真正原因,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定性能。

五、結語

據了解,日本等地震高發地區的建筑中鋼結構占38%,木結構占35%,混凝土結構只占20%多,而我國則相反,混凝土占到90%以上,鋼結構還不到5%。比起傳統的混凝土結構,鋼結構確實成本要高出一些。但是鋼結構比混凝土結構建設速度要快50%,這會節省很多時間成本。而且房屋整體重量也比混凝土結構輕50%以上,這樣基礎處理、運輸量的成本都會下降。此外,鋼結構柱子的截面小,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。我國著名鋼結構專家、國家鋼結構工程技術研究中心總工程師侯兆欣說,“鋼結構應成為重建家園的最佳選擇?！笨傊?可以相信,隨著鋼結構抗震設計研究的不斷進步,在不久的將來,會有越來越多讓人們“信得過”的鋼結構建筑問世。

參考文獻:

[1]張曉波,從汶川地震看鋼結構預制構件拼接建筑結構的應用和發展[J].住宅產業,2008(7).

[2]崔輝輝等,支撐布置方式對具水平加強層全鋼高層結構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研究進展[J].四川建筑科學研究,2008(6).

[4]徐國林等,巨型梁設置對巨型鋼框架結構地震反應的影響[J].地震工程與工程振動,2008(6).

[5]曹芙波等,輕型鋼結構框架節點抗震性能的研究與分析[J].科研開發,2008(3).

作者簡介:

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