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鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能分析與設(shè)計

						                        		
                    

					 
                    

                      
					  
                        
						 http://m.t3home.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)當今鋼結(jié)構(gòu)的各種抗震設(shè)計方法，為促進鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計和應用提供指導。


    關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)抗震性能抗震設(shè)計


    一、前言


    2008年5月12日14時28分，在四川汶川縣發(fā)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(yè)建筑嚴重損壞，造成人員傷亡及停產(chǎn)，經(jīng)濟損失慘重。


    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)了當今鋼結(jié)構(gòu)的各種抗震設(shè)計方法，以期在以后的建筑設(shè)計中能為抗震設(shè)計提供借鑒。


    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10倍。當?shù)卣饋砼R時，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。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烈地震的能力。鋼結(jié)構(gòu)相對于其他結(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?shù)卣饛姸容^大時，承受的軸向力增加，如果支撐的長度、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)問題，就會出現(xiàn)破壞和失穩(wěn)。3.節(jié)點破壞。鉚、拴、焊節(jié)點傳力集中，構(gòu)造復雜，施工難度大，容易造成應力集中，強度不均勻現(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)量等問題造成。5.構(gòu)件破壞。框架梁等的破壞形式主要有腹板開裂、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(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計


    (一)鋼結(jié)構(gòu)預制構(gòu)件拼接建筑結(jié)構(gòu)。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(jié)指出，在鋼結(jié)構(gòu)預制構(gòu)件拼接建筑結(jié)構(gòu)中，預制鋼構(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，更延長了結(jié)構(gòu)進入倒塌的過程。即使是純框架結(jié)構(gòu)(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(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，可以作為抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計類型。


    (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，為控制樓層的頂點位移及層間位移，可設(shè)置水平加強層。增加支撐體系和水平加強層是提高結(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(shè)計。實腹式輕型門式剛架結(jié)構(gòu)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(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型鋼門架構(gòu)成，柱腳常設(shè)計為鉸接或剛接，維護結(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，門式剛架柱一般由一個楔形構(gòu)件組成，而梁則由幾個楔形構(gòu)件組成。輕型門式剛架結(jié)構(gòu)體系具有施工速度快、安裝方便、造型輕盈美觀、造價低廉等諸多優(yōu)點，近年來已經(jīng)成為單、多層工業(yè)廠房、倉儲庫房和大跨輕鋼結(jié)構(gòu)的主要形式之一。


    (四)巨型梁設(shè)置。巨型梁的設(shè)置對整個巨型鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能影響很大，是巨型鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中的一個重要問題。


    徐國林[4]等通過計算研究發(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。在地震動作用下巨型梁位置的改變對結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)反應的影響。


    (五)輕型鋼結(jié)構(gòu)框架節(jié)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(jié)省材料等優(yōu)點。節(jié)點是冷彎型鋼結(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]等通過試驗研究，將四種經(jīng)典穩(wěn)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(wěn)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(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，必須考慮其非線性分叉問題才能全面地了解它的穩(wěn)定性能。


    五、結(jié)語


    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%，這會節(jié)省很多時間成本。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、運輸量的成本都會下降。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(jié)構(gòu)專家、國家鋼結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心總工程師侯兆欣說，“鋼結(jié)構(gòu)應成為重建家園的最佳選擇�！笨傊�，可以相信，隨著鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)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(jié)構(gòu)建筑問世。


    參考文獻:


    [1]張曉波，從汶川地震看鋼結(jié)構(gòu)預制構(gòu)件拼接建筑結(jié)構(gòu)的應用和發(fā)展[J].住宅產(chǎn)業(yè)，2008(7).


    [2]崔輝輝等，支撐布置方式對具水平加強層全鋼高層結(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(shè)置對巨型鋼框架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)框架節(jié)點抗震性能的研究與分析[J].科研開發(fā)，2008(3).		
                    

                    

                      
						 
                        

                          

                            
                              
                          

						  

                            
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