钢结构设计之抗震体系的设计
目前，钢结构普遍应用于各种类型的民用建筑中，在高层及超高层建筑中的应用则更为广泛。同混凝土结构相比，钢结构具有韧性好、强度与重量比高的优点，具有优越的抗震性能；但是，如果钢结构房屋在结构设计、材料选用、施工制作和维护上出现问题。则其优良的钢材特性将得不到充分的发挥，在地震作用下同样会造成结构的局部破坏或整体倒塌。1 钢结构抗震结构体系
随着我国经济的进一步发展和建筑技术的逐渐进步,钢结构也越来越广泛的应用于建筑当中,其中在建筑结构中,钢结构具有良好抗震性,并且工业化生产程度较高,钢结构施工周期较短,并且具体节能环保、延展性好等优点,特别对于钢结构建筑具有的延展性可以对地震波产生衰减作用,减少地震对钢结构建筑的破坏。针对钢结构建筑的如此突出的优点,美国等等国家的钢结构建筑已占到所在国内建筑总量的一半以上。日本是地震多发的国家,钢结构建筑在日本建筑当中的占有率更是达到了65％左右。根据日本阪神地震后资料的显示,在地震中钢结构建筑的受损程度和受损概率要远低于混凝土结构。2008年四川汶川地震中,作为钢结构建筑的绵阳体育馆也没有受到损坏,成为安置地震灾民的主要地点。在进行钢结构的抗震设计的时候,设计者应从历次震害中吸取经验和教训,除了在强度和刚度上提高结构的抗力以外,还要从如何增大钢结构在往复荷载作用下的塑性变形能力等方面考虑,以及从减小地震作用方面考虑,做到既经济合理、又安全可靠。
在钢结构建筑中常见的结构体系有框架一偏心支撑结构、框架一中心支撑结构和框架结构灯等。纯框架钢结构具体延性好,抗震性能好的特点,但是由于它的抗侧刚度比较差,不适宜于层数太高的建筑当中。框架-中心支撑结构的抗侧刚度大,适用层数较多的钢结构建筑,但是由于支撑构件的滞回性能较差,耗散的地震能量比较有限,其抗震性能不如纯框架。框架-偏心支撑结构可以通过偏心连梁的剪切屈服,耗散地震德能量,同时又可以保证支撑不丧失其整体稳定,它的抗震性能优于框架一中心支撑结构。可以采用能与钢框架抗侧刚度相匹配的带竖缝剪力墙以及内藏钢板剪力墙代替支撑,可以构成框架一抗震墙板结构,它的抗震性能优于框架-中心支撑的结构。当建筑刚度更高的时候,可以采用沿建筑周边设置密柱深梁框架构成的框筒钢结构。框筒结构具体抗侧刚度大,并具有较好的抗震性能[1]。
2 钢结构破坏部位
钢结构的震害主要有节结构的整体倒塌、构件的破坏和点连接的破坏等三种形式。
2.1 节点连接的破坏
2.1.1 框架梁柱节点区的破坏原因
对节点破坏原因的分析:(1)裂缝主要出现在节点下翼缘,是因为钢结构梁上翼缘有楼板加强,并且上翼缘焊缝无腹板妨碍施焊;(2)梁端焊缝通过孔边缘会出现应力集中,引发裂缝;(3)梁翼缘端部全熔透坡口焊的衬板边缘形成人工缝,缝隙在竖向力作用下扩大;(4)焊缝存在缺陷,特别是下翼缘梁端现场焊缝的中部,因为腹板妨碍焊接和检查,出现不连续;(5)焊缝金属的冲击韧性低。
2.1.2 支撑连接的破坏
采用螺栓连接的支撑破坏形式,包括支撑杆件螺孔间剪切滑移的破坏、节点板端部剪切滑移的破坏、以及支撑截面削弱处断裂。支撑是框架一支撑结构当中最重要的抗侧力部分,一旦发生地震的时候,它将首先承受水平地震作用,如某层的支撑发生破坏,将使这个楼层成为薄弱层,造成严重后果。
2.2 构件的破坏
2.2.1 支撑杆件的整体失稳、局部失稳和断裂破坏
当支撑构件的组成板件宽厚比较大时,往往伴随着整体失稳出现板件的局部失稳现象,进而引发低周疲劳和断裂破坏,这在以往的震害中并不少见。试验研究表明,要防止板件在往复塑性应变作用下发生局部失稳,进而引发低周疲劳破坏,必须对支撑板件的宽厚比进行限制,且应比塑性设计的还要严格。
2.2.2 钢柱脆性断裂
在1995年阪神地震当中,位于芦屋市海滨城高层住宅小区,小区当中的2l栋巨型钢框架结构的住宅楼共有57根钢柱发生了断裂现象,所有箱形截面柱的断裂都发生在14层以下的楼层里,并且都是脆性受拉断裂,断口呈水平的形状。
我们分析认为:①有的钢柱断裂发生在拼接焊缝附近,这里可能正是焊接缺陷构成的薄弱部位;②钢柱暴露于室外,当时正值日本的严冬,钢材温度低于0摄氏度;③箱形截面柱的壁厚达50mm,厚板焊接时过热,使焊缝附近钢材延展性降低;④竖向地震及倾覆力矩在柱中产生较大的拉力。
2.3 结构的倒塌破坏
1985年墨西哥发生的大地震中,墨西哥市的某个综合大楼的3个22层的钢结构塔楼之一发生倒塌,其余2栋钢结构塔楼也发生了严重破坏,其中1栋已经接近倒塌。这3栋塔楼的结构体系都是框架-支撑结构。有关分析证明,塔楼发生倒塌或者严重破坏的主要原因,是因为纵横向垂直支撑偏位设置,从而导致刚度中心和质量重心相距太大,所以在地震中产生了较大的扭转效应,致使钢柱的承载力小于作用力大于,引发了3栋相同的塔楼发生了严重破坏甚至倒塌。由此可见,规则对称的结构体系对抗震是十分有利的。
3 钢结构抗震设计的要求
3.1 选择对建筑抗震有利的场地和地基
场地影响了钢结结构的地震反应,钢结构地震反应大小决定了钢结构的震害。因此在抗震设计的时候应选择坚硬的中硬土场地,当实在无法避开不利的或者危险的场地的时候,应采取补救措施。
3.2 选择合理的结构总体布置
(1)建筑形状力求规则形状较简单建筑物由于受力性能明确,遭受地震时破坏很轻。在抗震设计时要求建筑形状规则,结构要求对称,来减小质量中心和刚度中心的偏离;(2)强度以及刚度应连续变化抗震结构的刚度、承载力在楼层平面内应均匀,沿结构坚向应连续并且均匀。
3.3 选择合理的抗震结构体系
(1)具有明确的计算简图以及合理的地震作用传递途径; (2)结构应该具有多道抗震防线①结构应有良好“坚韧性”。就是必备的强度,刚度良好的变形和耗能能力。②抗震体系应有最大可能数量的内部以及外部富余度,能在结构适当部位有意识地建立起有利的屈服区以使结构既能吸收和耗散大量地震能量,万一破坏易于修复。③抗震结构体系应由一些延性较好的分体系组成,并且由延性较好的联系构件连接起来。
钢结构抗震设计设计涉及的方面很广和丰富,上面我们所论述的只是其中一小部分。总之,钢结构抗震设计始终贯穿于钢结构设计中的各个阶段,它是钢结构建筑抗设计重要组成部分。我们在钢结构建筑体系的设计中要充分了解钢结构住宅的破坏机制以及和破坏过程,灵活运用钢结构抗震设计准则,合理地确定和解决结构设计中的各种问题。这样我们才能设计出经济、合理、安全适用的钢结构建筑。
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