鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)研究

占文才

摘要：由于鋼結(jié)構(gòu)良好的抗震性、延展性等優(yōu)點(diǎn)，使其在現(xiàn)代建筑中得到廣泛應(yīng)用?？拐鹪O(shè)計(jì)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要考慮因素，如何在當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)建筑中減少地震對鋼結(jié)構(gòu)的破壞成為設(shè)計(jì)人員日益重視的問題。文章就鋼結(jié)構(gòu)在震害中的主要破壞部位出發(fā)，探討了提高鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的具體要求，以期對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計(jì)

目前，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和建筑技術(shù)的不斷進(jìn)步，鋼結(jié)構(gòu)越來越廣泛的應(yīng)用到現(xiàn)代建筑中。鋼結(jié)構(gòu)施工周期短、節(jié)能環(huán)保，并且具有良好的延展性。特別是良好的延展性特點(diǎn)可以有效減弱地震波的擴(kuò)散，減少地震對建筑的破壞。因此，加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)抗震性能，對于提高鋼結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)質(zhì)量和安全性具有重要意義。

1鋼結(jié)構(gòu)易受破壞部位

1.1結(jié)構(gòu)的整體倒塌破壞

根據(jù)對墨西哥大地震鋼結(jié)構(gòu)塔樓倒塌的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，地震發(fā)生時(shí)，由于偏位設(shè)置縱橫向垂直支撐，造成塔樓質(zhì)量中心和剛度中心距離差距太大，在地震中引發(fā)了強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，導(dǎo)致鋼柱承受力遠(yuǎn)小于其受到的作用力，從而造成塔樓發(fā)生嚴(yán)重破壞和結(jié)構(gòu)性倒塌。根據(jù)對阪神地震的研究發(fā)現(xiàn)，按照新規(guī)范設(shè)計(jì)建造的鋼結(jié)構(gòu)要比按原有水平設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)擁有更好地防震性能，這充分說明了鋼結(jié)構(gòu)損害的嚴(yán)重程度與鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)水平存在很強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。

1.2節(jié)點(diǎn)連接的破壞

1.2.1支撐連接斷裂破壞。在多次地震中都發(fā)現(xiàn)了支撐與柱之間的連接破壞或支撐與節(jié)點(diǎn)板之間連接的破壞?？蚣?支撐結(jié)構(gòu)中最重要的抗側(cè)力部分是支撐，地震發(fā)生時(shí)，它會直接受到水平地震的沖擊作用，一旦某處樓層的支撐遭到破壞，那么該樓層便成為承受力薄弱的隱患樓層，會帶來嚴(yán)重后果。采用螺栓連接的支撐其主要破壞形式有支撐桿件落空間剪切滑移受到破壞、節(jié)點(diǎn)板端部剪切滑移受到破壞和支撐截面削弱處發(fā)生斷裂等情況。

1.2.2框架梁柱節(jié)點(diǎn)裂穿破壞。調(diào)查發(fā)現(xiàn)裂縫破壞起源于焊縫的概率達(dá)到95%，起源于母材的只有5%。主要原因可能是梁端焊縫通過孔邊緣發(fā)生了應(yīng)力集中引起裂縫，進(jìn)而擴(kuò)展到平材；在下翼緣梁端現(xiàn)場焊縫中部存在缺陷，檢查和焊接過程受到腹板的阻礙，出現(xiàn)了焊接不連續(xù)；焊縫金屬有很低的沖擊韌性；梁翼緣端全熔頭坡口焊在襯板邊緣形成了較大的人工縫，在豎向力的作用下不斷加大；梁上翼緣焊縫沒有相應(yīng)的腹板妨礙焊接同時(shí)上翼端有樓板作用加強(qiáng)，因此裂縫主要發(fā)生在下翼端。

1.3構(gòu)件的破壞

1.3.1鋼柱發(fā)生脆性斷裂。發(fā)生原因主要為：箱形截面柱壁厚過大，在焊接過熱的情況下容易降低焊縫附近鋼材的延展性；焊接缺陷造成的缺陷部位容易引起鋼柱斷裂；傾覆性力矩和豎向地震在鋼柱內(nèi)產(chǎn)生了強(qiáng)大的拉力。

1.3.2支撐桿件的斷裂破壞、整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)

支撐桿件可以看做是兩端簡支軸心受力的構(gòu)件，在多遇地震和風(fēng)荷載作用下，能夠保持彈性工作狀態(tài)，如果設(shè)計(jì)合理恰當(dāng)，在一般情況下是不會失去整體穩(wěn)定的。但當(dāng)遭遇大型地震的情況下，強(qiáng)烈的往復(fù)壓力會作用在中心支撐構(gòu)件上，構(gòu)件為耗散能量會產(chǎn)生塑性屈服，這時(shí)就會發(fā)生整體失穩(wěn)現(xiàn)象。支撐在壓力作用下逐漸失去穩(wěn)定形成了壓彎桿，此時(shí)的支撐承載力下降很快，在桿中間部位也會形成塑性鉸。在接著的壓力作用下殘余塑性彎曲變形又會形成反向塑性鉸，全截面便會受拉屈服。要避免板件在往復(fù)壓力作用下形成局部失穩(wěn)或斷裂破壞，就要適當(dāng)限制支撐板件的寬厚比。

2改善鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的要求

2.1采用恰當(dāng)?shù)目拐鸾Y(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)體系應(yīng)該具有恰當(dāng)?shù)牡卣鹱饔脗鬟f手段和明確清晰的計(jì)算簡圖，并根據(jù)建筑高度、抗震類別、地基、結(jié)構(gòu)條件、抗震設(shè)計(jì)烈度等綜合考慮選擇恰當(dāng)?shù)捏w系。同時(shí)還要有多重抗震屏障：體系內(nèi)部應(yīng)該包含最大限度數(shù)量的外部或內(nèi)部富余度，使其能夠在結(jié)構(gòu)合適的部位形成有力的屈服區(qū)以保證結(jié)構(gòu)可以盡可能的耗散和吸收地震能量；結(jié)構(gòu)應(yīng)保持良好的耗能、變形能力，具備必須的剛度強(qiáng)度以形成優(yōu)良的堅(jiān)韌性；體系內(nèi)部應(yīng)當(dāng)分成多個(gè)延展性比較好的分體系，并用優(yōu)良的聯(lián)系構(gòu)件進(jìn)行連接。

2.2實(shí)施合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。要加強(qiáng)技術(shù)設(shè)計(jì)提高抗震能力以應(yīng)對構(gòu)件可能形成的薄弱部位，如為防止支撐連接節(jié)點(diǎn)會在桿件破壞前發(fā)生變形彎曲或斷裂就應(yīng)該加強(qiáng)弱構(gòu)件強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)理念；要盡量防止因部分構(gòu)件或結(jié)構(gòu)破壞而造成整個(gè)結(jié)構(gòu)失去對重力荷載的承受能力或抗震能力，如為避免柱體內(nèi)部形成倒塌結(jié)構(gòu)應(yīng)加強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)弱梁強(qiáng)柱的設(shè)計(jì)理念；為盡量體現(xiàn)小震不壞、強(qiáng)震不倒的設(shè)計(jì)目標(biāo)，宜采用按彈塑性進(jìn)行變形驗(yàn)算的二階段設(shè)計(jì)應(yīng)對罕遇地震、按彈性設(shè)計(jì)應(yīng)對多遇地震的方法進(jìn)行有針對性的抗震設(shè)計(jì)，在進(jìn)行大地震驗(yàn)算時(shí)鋼結(jié)構(gòu)會進(jìn)入彈塑性形態(tài)，此時(shí)阻尼比可相對增大，保持在0.05左右，在進(jìn)行小地震驗(yàn)算時(shí)鋼結(jié)構(gòu)一般進(jìn)入的是彈性形態(tài)，此時(shí)阻尼比應(yīng)相對減小，保持0.02左右；可采用在節(jié)點(diǎn)處安置加強(qiáng)梁段或在節(jié)點(diǎn)周圍削弱梁翼絕緣面的辦法，來使承受最大應(yīng)力的截面脫離梁柱接觸表面，以發(fā)揮消耗地震能量和塑性轉(zhuǎn)動(dòng)的能力，從而防止梁柱剛性節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞。

2.3采取正確的結(jié)構(gòu)布置。對于鋼結(jié)構(gòu)建筑房屋應(yīng)該盡量防止采用不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)方案，如果特殊情況下必須要選用相對復(fù)雜的平面形狀時(shí)，應(yīng)該盡可能根據(jù)防震縫把房屋劃分成幾個(gè)平面對稱、規(guī)則的獨(dú)立部分，同時(shí)防震縫寬度應(yīng)當(dāng)大于或等于相應(yīng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋的1.2倍，以防止地震發(fā)生時(shí)各結(jié)構(gòu)房屋之間發(fā)生碰撞；根據(jù)抗震設(shè)計(jì)要求應(yīng)拒絕采用嚴(yán)重不規(guī)則的建筑設(shè)計(jì)方案，在布置房屋的立面、平剖面和結(jié)構(gòu)體系時(shí)，應(yīng)盡可能的做到房屋平面規(guī)則相互對稱、屋型簡單，并盡量使房屋的質(zhì)量和剛度在豎向方向上沒有突變，保持連續(xù)均勻。

2.4嚴(yán)格選取鋼結(jié)構(gòu)材料。鋼結(jié)構(gòu)性能應(yīng)該滿足以下要求：鋼材應(yīng)具有良好的沖擊韌性和合適的焊接性；鋼材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度之間的實(shí)測比應(yīng)該不低于1.2；應(yīng)采用屈服強(qiáng)度低于345N/mm2鋼材作為偏心支撐框架的耗能連梁；鋼材要有可見的屈服臺階，其伸長率不應(yīng)小于20%；對于抗震級別為C類以上的抗側(cè)力鋼結(jié)構(gòu)，其全部的破口應(yīng)為全熔透焊縫的填充金屬，同時(shí)保證其零下30攝氏度的夏比沖擊功不小于25J；進(jìn)行焊接連接的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)出現(xiàn)板厚大于40mm并在沿板厚方向會承受相應(yīng)的拉力時(shí)要嚴(yán)格規(guī)定沿厚度方向受拉破壞后斷面收縮率的要求。

2.5選取有利的建筑抗震地基和場地。建筑場地地質(zhì)、地形等方面直接影響了建筑鋼結(jié)構(gòu)遭遇地震時(shí)的反應(yīng)，而鋼結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的大小又間接決定了鋼結(jié)構(gòu)的破壞程度，所以抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡可能選取堅(jiān)硬的中硬土場地，對于不可避免的不利場地要最大限度的采取應(yīng)對和補(bǔ)救措施。

3結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)是貫穿在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要組成部分，它直接關(guān)系鋼結(jié)構(gòu)建筑的抗震能力和質(zhì)量，是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員需要高度重視的關(guān)鍵問題。針對以往地震中出現(xiàn)的鋼結(jié)構(gòu)整體倒塌、連接節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞、構(gòu)件發(fā)生破壞等損壞問題，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)充分了解和掌握鋼結(jié)構(gòu)建筑遭遇地震時(shí)的破壞過程和破壞機(jī)制，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的各種準(zhǔn)則和要求，加強(qiáng)技術(shù)突破和新技術(shù)的應(yīng)用，綜合分析靈活運(yùn)用各種條件，確保鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)符合實(shí)際需求，并不斷提高鋼結(jié)構(gòu)的抗震能力和質(zhì)量，以加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)建筑的安全性。

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