淺談鋼結(jié)構(gòu)抗震

郭小政 陶錢貴

【摘要】本文介紹了CECS160和GB50011兩本有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)建筑物重要性類別的抗震設(shè)防加速度，建筑物場(chǎng)地類別的劃分和不同場(chǎng)地類別建筑物的設(shè)防最低要求的區(qū)別?？拐鹪O(shè)防的分類，以及世界主要國(guó)家抗震計(jì)算的強(qiáng)度折減系數(shù)的確定，鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的破壞機(jī)理與設(shè)計(jì)，抗震的相應(yīng)構(gòu)造措施是現(xiàn)在研究的方向。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)；抗震；構(gòu)造措施

前言

鋼結(jié)構(gòu)體系具有安裝容易，施工周期短，自重輕，能減小地震作用效應(yīng)，抗震性能好，環(huán)境污染少等綜合優(yōu)勢(shì)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的提高，鋼產(chǎn)量的上升，研制出了很多優(yōu)質(zhì)鋼材，所以高層超高層鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)迅速發(fā)展。鋼結(jié)構(gòu)一直是被認(rèn)為是抗震性能優(yōu)越的結(jié)構(gòu)形式，但是，隨著近年來(lái)在世界范圍內(nèi)，地震頻繁發(fā)生，導(dǎo)致許多鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂破壞，是結(jié)構(gòu)工程界開始重新認(rèn)識(shí)和研究高層鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能。深入了解高層鋼結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈或者罕遇地震作用下可能發(fā)生的損傷，破壞以至于倒塌的機(jī)理，從而采取有效的措施，是工程界目前應(yīng)該做的首要的事情。

基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想時(shí)有美國(guó)學(xué)者于20世紀(jì)九十年代初提出，是設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)在未來(lái)的地震災(zāi)害下能維持所要求的性能水平，它要求在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中從以往只注重結(jié)構(gòu)安全，向全面注重結(jié)構(gòu)的性能，安全及經(jīng)濟(jì)等諸多方面發(fā)展[1]。

一、抗震的設(shè)防的目的及分類

1.1抗震的設(shè)防的目的

CECS160規(guī)定的抗震設(shè)防指導(dǎo)思想是：在兼顧經(jīng)濟(jì)和安全的原則下實(shí)現(xiàn)建筑物預(yù)定的使用功能和性態(tài)目標(biāo)，提出抗震設(shè)防的基本要求；當(dāng)所設(shè)計(jì)的建筑物遭受本地區(qū)多遇地震，抗震設(shè)防地震或罕遇地震時(shí)，能按設(shè)計(jì)要求保證安全，基本上實(shí)現(xiàn)其預(yù)定目標(biāo)[2]。

在CECS160規(guī)范中規(guī)定將建筑物按重要性和使用功能分類，主要是指建筑物在地震時(shí)或者地震后的損壞程度對(duì)社會(huì)造成的綜合性影響程度。建筑物的重要性類別主要是從抗震的角度來(lái)分的，CECS160保留了GB50011和《建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB50223）中（甲.乙.丙.丁）的分類方法，并且對(duì)幾種重要性不同的建筑物發(fā)生某一概率水準(zhǔn)的地震采用不同的年限確定相應(yīng)的設(shè)計(jì)地震加速度。

因?yàn)榧滓冶惤ㄖ锏氖褂眯再|(zhì)和抗震重要性不同，要求在地震時(shí)或者地震后的表現(xiàn)也不同，因此CECS160的規(guī)定相比之下較GB50011合理。

1.2抗震設(shè)防的分類

抗震設(shè)計(jì)的分類實(shí)際上就是根據(jù)建筑物的使用功能和相應(yīng)規(guī)定的性態(tài)水平給出不同的設(shè)計(jì)和措施要求，以確保建筑物在設(shè)防地震作用下的性態(tài)能夠滿足預(yù)訂的要求，通常要求，重要的建筑物在地震作用下震害程度應(yīng)該輕一些，使用功能要正常運(yùn)轉(zhuǎn)，一般建筑會(huì)嚴(yán)重一些使用功能會(huì)受到影響，但是使用功能不能徹底癱瘓，因此重要建筑在設(shè)計(jì)時(shí)地震力比一般建筑的要求要嚴(yán)格一些，而且在構(gòu)造措施上也比一般建筑要求會(huì)更嚴(yán)格一些，此外，抗震構(gòu)造措施還應(yīng)隨著地震烈度的高低而有嚴(yán)，款之分。所以針對(duì)不同的使用功能的建筑，在根據(jù)其所在地震區(qū)域設(shè)防烈度的高低進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)類別的劃分[3]。

二、抗震計(jì)算的強(qiáng)度折減系數(shù)的確定

2.1地震影響系數(shù)

單自由度體系水平地震作用定義為：

式中：G為重力荷載代表值；k為地震系數(shù)，表示地震動(dòng)的大小，與地震烈度有一定的關(guān)系，見表1；β為動(dòng)力系數(shù)，體系最大加速度與地面最大加速度之比，意義為體系加速度放大系數(shù)（主要反映結(jié)構(gòu)特性，如周期，阻尼等）見圖1。

GB50011根據(jù)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三水準(zhǔn)兩階段的設(shè)計(jì)思想，按第一階段的設(shè)計(jì)要求，采用了多遇地震下的彈性地震作用效應(yīng)作為抗震驗(yàn)算的基礎(chǔ)，即地震作用計(jì)算表達(dá)式中的地震影響系數(shù)與多遇地震相對(duì)應(yīng)。

2.2強(qiáng)度折減系數(shù)

現(xiàn)在各國(guó)抗震設(shè)計(jì)所使用的反應(yīng)譜，大多都采用了強(qiáng)度折減系數(shù)，通常做法是將設(shè)防烈度對(duì)應(yīng)的加速度反應(yīng)譜通過隨結(jié)構(gòu)類型而變化的結(jié)構(gòu)反映修正系數(shù)R（美國(guó)規(guī)范），結(jié)構(gòu)性系數(shù)（歐洲規(guī)范），結(jié)構(gòu)影響系數(shù)C（R與C互為倒數(shù)）均為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)取用的地震加速度反應(yīng)譜[1]。

我國(guó)的抗震規(guī)范GB50011中折減系數(shù)是采用罕遇地震，中震和常遇地震的概念。結(jié)構(gòu)的彈性反應(yīng)譜是按照中震的地震烈度參數(shù)確定的，比常遇地震烈度高1.55度，地震力為中震彈性反應(yīng)譜的1/2.82倍。在多遇地震的作用下基于彈性設(shè)計(jì)，考慮阻尼比對(duì)削減地震力的顯著影響，我國(guó)規(guī)范GB50011對(duì)阻尼影響明確地引入了阻尼調(diào)整系數(shù)。鋼結(jié)構(gòu)在多雨地震作用下的阻尼比，對(duì)不超過12層的鋼結(jié)構(gòu)可采用0.035，對(duì)超過12層的鋼結(jié)構(gòu)可采用0.02，在罕遇地震下的分析，阻尼比可采用0.05。

美國(guó)的規(guī)范將結(jié)構(gòu)的眼形設(shè)計(jì)分為三個(gè)等級(jí)：高延性設(shè)計(jì)，中等延性設(shè)計(jì)與低延性設(shè)計(jì)，三者的R值依次減小，設(shè)計(jì)地震力依次增加，延性依次降低，并且規(guī)定在高烈度地區(qū)必須用高延性設(shè)計(jì)，以保證建筑物的安全，在中等烈度地區(qū)，可以使用高延性設(shè)計(jì)或者中等延性設(shè)計(jì)，在低烈度區(qū)，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的要求按實(shí)際選擇設(shè)計(jì)等級(jí)，實(shí)際上是建立了設(shè)計(jì)地震作用與結(jié)構(gòu)延性要求相掛鉤的雙重設(shè)計(jì)指標(biāo)。歐洲規(guī)范也同樣將鋼結(jié)構(gòu)劃分為高，中，低三類延性等級(jí)設(shè)計(jì)。

三、鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的破壞機(jī)理與設(shè)計(jì)

3.1節(jié)點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)[5]

眾多學(xué)者的研究表明，節(jié)點(diǎn)的脆性破壞原因，主要是由于焊縫的質(zhì)量不好和較高的殘余三向應(yīng)力，破壞的典型方式有：脆性裂紋自梁下翼緣與柱翼緣相交焊縫處，通過不同途徑擴(kuò)展，導(dǎo)致多種多樣的斷裂模式。在有關(guān)學(xué)者總結(jié)的八種裂紋形式中七種都發(fā)生在梁下翼緣與柱翼緣的交叉區(qū)域。

知道了節(jié)點(diǎn)的破壞機(jī)理，我們就必須在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)注意這些問題，所以，設(shè)計(jì)原則就是節(jié)點(diǎn)能夠完全傳遞被連接板件的彎矩和剪力，充分發(fā)揮剛才的塑性，保證減少或者甚至不發(fā)生脆性破壞。設(shè)計(jì)方法主要有：（1）將塑性鉸的位置外移；（2）對(duì)梁翼緣焊縫襯板缺口效應(yīng)進(jìn)行處理；（3）改進(jìn)扇形切角構(gòu)造；（4）選用有較高沖擊韌性的焊縫；（5）將梁腹板與柱子焊接。

但是在實(shí)際設(shè)計(jì)中，僅僅通過設(shè)計(jì)還無(wú)法滿足抗震要求，還需要一些抗震措施來(lái)加強(qiáng)，現(xiàn)在常用的有：（1）梁與柱剛性連接時(shí)，抗震設(shè)防的要求，柱在梁翼緣上下各500mm的節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)，柱翼緣與柱腹板或箱形柱壁板間的組合焊縫，應(yīng)采用全焊透剖口焊縫；（2）當(dāng)梁翼緣的塑性截面模量小于全截面塑性截面模量的70%時(shí)梁腹板與柱的連接螺栓不得少于兩列。當(dāng)僅需要一列時(shí)，仍應(yīng)布置兩列，且螺栓總數(shù)不得少于計(jì)算值的1.5倍；（3）螺栓孔對(duì)截面的削弱不得大于25%。通過設(shè)計(jì)計(jì)算再加上構(gòu)造來(lái)達(dá)到鋼結(jié)構(gòu)的抗震目標(biāo)。

3.2大跨度鋼結(jié)構(gòu)的破壞

在大跨度鋼結(jié)構(gòu)中除了梁柱節(jié)點(diǎn)的破壞，還有屋架支撐的失穩(wěn)，屋蓋支撐螺栓的破壞，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)周邊支撐桁架桿的破壞，網(wǎng)架球節(jié)點(diǎn)的破壞等，當(dāng)支撐構(gòu)件的組成板件寬厚比較大時(shí)，往往伴隨著整體失穩(wěn)出現(xiàn)板件的局部失穩(wěn)現(xiàn)象，進(jìn)而引發(fā)低周期疲勞和斷裂破壞，這在以往的地震破壞中是很常見的。試驗(yàn)表明，為了防止板件在往復(fù)塑性應(yīng)變作用下發(fā)生局部失穩(wěn)，進(jìn)而引發(fā)低周期的疲勞破壞，必須對(duì)支撐板件的寬厚比進(jìn)行限制，且應(yīng)比塑性設(shè)計(jì)比嚴(yán)格[6]。

3.3鋼結(jié)構(gòu)的耗能減震

鋼結(jié)構(gòu)的耗能減震，實(shí)際上就是在鋼結(jié)構(gòu)建筑上安裝減震耗能裝置，由于結(jié)構(gòu)中安裝的耗能器及連結(jié)構(gòu)件為結(jié)構(gòu)提供了一定的附加剛度或附加阻尼，在地震作用下通過結(jié)構(gòu)上安裝的耗能器來(lái)耗散輸入結(jié)構(gòu)的能量，減輕結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)，從而減小結(jié)構(gòu)的破壞更好的保護(hù)住結(jié)構(gòu)的安全，是一種新型的結(jié)構(gòu)，所以總體上比傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)總量要少，而且真正經(jīng)受過地震作用的耗能鋼結(jié)構(gòu)有事少之又少，缺乏相關(guān)資料。所以對(duì)目前減震效能鋼結(jié)構(gòu)的研究主要好事通過地震擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和有限元分析。近些年來(lái)，有大量的國(guó)內(nèi)外學(xué)者和專家，對(duì)安裝不同種類阻尼器的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)和理論研究分析，結(jié)果均表明，各類耗能阻尼器均能在一定程度上有效地耗散輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，增大結(jié)構(gòu)的整體剛度和阻尼比，減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，明顯提高不同體系鋼結(jié)構(gòu)體系的抗震性能。

四、總結(jié)

本文將鋼結(jié)構(gòu)抗震的有關(guān)規(guī)范CECS160和GB50011中有關(guān)規(guī)定對(duì)比發(fā)現(xiàn)，前者要比后者科學(xué)再設(shè)計(jì)使用上更加切合實(shí)際。在設(shè)計(jì)時(shí)除了計(jì)算外還要加強(qiáng)構(gòu)造措施來(lái)保證抗震目標(biāo)，在知道地震破壞機(jī)理時(shí)應(yīng)加快研究解決方案，并研究新的抗震性能更好的新型結(jié)構(gòu)形。

參考文獻(xiàn)

[1]陳小峰，鄧開國(guó)，郝際平.關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的探討[J].建筑結(jié)構(gòu)，2009年4月第39期增刊。

[2]GB50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010年。

[3]CECS160建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計(jì)通則（試用）[S].中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn) 2004年

[4]尚守平，周福霖 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)[M].高等教育出版社，2010.06.1

[5]聶政春，李明全.鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)抗震措施簡(jiǎn)述[J].工程結(jié)構(gòu)第30卷4期，2010.8

[6]吳兆琪，何田田，姜紹飛，蘇建強(qiáng) 鋼結(jié)構(gòu)梁柱連接節(jié)點(diǎn)抗震性能研究進(jìn)展[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011.10