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淺談鋼結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)點
2014/9/28 20:16:35
四川汶川8級地震已造成41353人遇難,32666人失蹤,274683人受傷。這次地震傷亡慘重,損失巨大,給我們今后改進建筑抗震設(shè)防敲響了警鐘。歷次地震人員傷亡總數(shù)的95%以上是由房屋倒塌造成的,僅有不足5%的人員傷亡是直接由地震及地震引發(fā)的水災(zāi)、山體滑坡等導(dǎo)致的。而反觀日本地震日本東北部海域發(fā)生里氏9.0級大地震并引發(fā)海嘯,造成了重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。日本的傷亡人數(shù)主要是大海嘯引起的,因房屋倒塌而死亡的人數(shù)很少。這就使得鋼結(jié)構(gòu)的抗震性尤為的重要。
一、 鋼結(jié)構(gòu)的震害特征
發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)之間的震害特征,有助于鋼結(jié)構(gòu)更好的防震,在鋼結(jié)構(gòu)的破壞處發(fā)現(xiàn)特點,然后防范與它,就可以在碰到重大自然災(zāi)害的情況(例如地震,以及地震引起的一系列災(zāi)害)減少人員的傷亡。目前已經(jīng)了解的震害特征列舉如下:
鋼結(jié)構(gòu)工程優(yōu)點
抗震性:低層別墅的屋面大都為坡屋面,因此屋面結(jié)構(gòu)基本上采用的是由冷彎型鋼構(gòu)件做成的三角型屋架體系,輕鋼構(gòu)件在封完結(jié)構(gòu)性板材及石膏板之后,形成了非常堅固的“板肋結(jié)構(gòu)體系”,這種結(jié)構(gòu)體系有著更強的抗震及抵抗水平荷載的能力,適用于抗震烈度為八度以上的地區(qū)。
抗風(fēng)性:型鋼結(jié)構(gòu)建筑重量輕、強度高、整體剛性好、變形能力強。建筑物自重僅是磚混結(jié)構(gòu)的五分之一,可抵抗每秒七十米的颶風(fēng),使生命財產(chǎn)能得到有效的保護。
耐久性:輕鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)全部采用冷彎薄壁鋼構(gòu)件體系組成,鋼骨采用超級防腐高強冷軋鍍鋅板制造,有效避免鋼板在施工和使用過程中的銹蝕的影響,增加了輕鋼構(gòu)件的使用壽命。結(jié)構(gòu)壽命可達一百年。
保溫性:采用的保溫隔熱材料以玻纖棉為主,具有良好的保溫隔熱效果。用以外墻的保溫板,有效的避免墻體的“冷橋”現(xiàn)象,達到了更好的保溫效果。
隔音性:隔音效果是評估住宅的一個重要指標(biāo),輕鋼體系安裝的窗均采用中空玻璃,隔音效果好,隔音達四十分貝以上;由輕鋼龍骨、保溫材料石膏板組成的墻體,其隔音效果可高達六十分貝。
健康性:干作業(yè)施工,減少廢棄物對環(huán)境造成的污染,房屋鋼結(jié)構(gòu)材料可完全回收,其他配套材料也可大部分回收,符合當(dāng)前環(huán)保意識;所有材料為綠色建材,滿足生態(tài)環(huán)境要求,有利于健康。
舒適性:輕鋼墻體采用高效節(jié)能體系,具有呼吸功能,可調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣干濕度;屋頂具有通風(fēng)功能,可以使屋內(nèi)部上空形成流動的空氣間,保證屋頂內(nèi)部的通風(fēng)及散熱需求。
快捷:全部干作業(yè)施工,不受環(huán)境季節(jié)影響。
環(huán)保:材料可回收,真正做到綠色無污染。
節(jié)能:全部采用高效節(jié)能墻體,保溫、隔熱、隔音效果好,可達到50%的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。
一、 鋼結(jié)構(gòu)的震害特征
發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)之間的震害特征,有助于鋼結(jié)構(gòu)更好的防震,在鋼結(jié)構(gòu)的破壞處發(fā)現(xiàn)特點,然后防范與它,就可以在碰到重大自然災(zāi)害的情況(例如地震,以及地震引起的一系列災(zāi)害)減少人員的傷亡。目前已經(jīng)了解的震害特征列舉如下:
(一)、鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點破壞
主要有兩種節(jié)點連接破壞,一種是支撐連接破壞,另一種是梁柱連接破壞,從1978年日本宮城縣遠海地震(里氏7.4級)所造成的鋼結(jié)構(gòu)建筑破壞情況看,支撐連接更易遭受地震破壞。
1994年美國Northridge地震和1995年日本阪神地震造成了很多梁柱剛性連接破壞,震害查發(fā)現(xiàn),梁柱連接的破壞大多數(shù)發(fā)生在梁的下翼緣處,而上翼緣的破壞要少得多。這可能有兩種原因:1樓板與梁共同變形導(dǎo)致下翼緣應(yīng)力增大;2)下翼緣在腹板位置焊接的中斷是一個顯著的焊縫缺陷的來源。
梁柱剛性連接裂縫或斷裂破壞的原因有:1)焊縫缺陷,如裂紋、欠焊、夾渣和氣孔等。2)三軸應(yīng)力影響。分析表明,梁柱連接的焊縫變形由于受到梁和柱約束,施焊后焊縫殘存三軸拉應(yīng)力,使材料變脆。3)構(gòu)造缺陷。出于焊接工藝的要求,梁翼緣與柱連接處設(shè)有墊板,實際工程中墊板在焊接后就留在結(jié)構(gòu)上,這樣墊板與柱翼緣之間就形成一條“人工”裂縫,成為連接裂縫發(fā)展的起源。
主要有兩種節(jié)點連接破壞,一種是支撐連接破壞,另一種是梁柱連接破壞,從1978年日本宮城縣遠海地震(里氏7.4級)所造成的鋼結(jié)構(gòu)建筑破壞情況看,支撐連接更易遭受地震破壞。
1994年美國Northridge地震和1995年日本阪神地震造成了很多梁柱剛性連接破壞,震害查發(fā)現(xiàn),梁柱連接的破壞大多數(shù)發(fā)生在梁的下翼緣處,而上翼緣的破壞要少得多。這可能有兩種原因:1樓板與梁共同變形導(dǎo)致下翼緣應(yīng)力增大;2)下翼緣在腹板位置焊接的中斷是一個顯著的焊縫缺陷的來源。
梁柱剛性連接裂縫或斷裂破壞的原因有:1)焊縫缺陷,如裂紋、欠焊、夾渣和氣孔等。2)三軸應(yīng)力影響。分析表明,梁柱連接的焊縫變形由于受到梁和柱約束,施焊后焊縫殘存三軸拉應(yīng)力,使材料變脆。3)構(gòu)造缺陷。出于焊接工藝的要求,梁翼緣與柱連接處設(shè)有墊板,實際工程中墊板在焊接后就留在結(jié)構(gòu)上,這樣墊板與柱翼緣之間就形成一條“人工”裂縫,成為連接裂縫發(fā)展的起源。
(二)、鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件破壞
由于鋼結(jié)構(gòu)具有強度高、抗震性能好、結(jié)構(gòu)自重小的優(yōu)點,所以目前鋼結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于多層建筑、高層建筑、超高層建筑的框架結(jié)構(gòu),這里說明下多高層建筑的構(gòu)件破壞的主要形式:
1)支撐壓屈。在地震時支撐所受的壓力超過其屈曲臨界力時,即發(fā)生壓屈破壞。
2)梁柱局部失穩(wěn)。梁或柱在地震作用下反復(fù)受彎,在彎矩最大截面處附近由于過度彎曲可能發(fā)生翼緣局部失穩(wěn)破壞
3)柱水平裂縫或斷裂破壞。1995年日本阪神地震中,位于阪神地震區(qū)蘆屋浜的52棟高層鋼結(jié)構(gòu)住宅,有57根鋼柱發(fā)生水平裂縫破壞。分析原因認(rèn)為,豎向地震使柱中出現(xiàn)動拉力,由于應(yīng)變速率高,使材料變脆,加上截面彎矩和剪力的影響,造成柱水平斷裂。
由于鋼結(jié)構(gòu)具有強度高、抗震性能好、結(jié)構(gòu)自重小的優(yōu)點,所以目前鋼結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于多層建筑、高層建筑、超高層建筑的框架結(jié)構(gòu),這里說明下多高層建筑的構(gòu)件破壞的主要形式:
1)支撐壓屈。在地震時支撐所受的壓力超過其屈曲臨界力時,即發(fā)生壓屈破壞。
2)梁柱局部失穩(wěn)。梁或柱在地震作用下反復(fù)受彎,在彎矩最大截面處附近由于過度彎曲可能發(fā)生翼緣局部失穩(wěn)破壞
3)柱水平裂縫或斷裂破壞。1995年日本阪神地震中,位于阪神地震區(qū)蘆屋浜的52棟高層鋼結(jié)構(gòu)住宅,有57根鋼柱發(fā)生水平裂縫破壞。分析原因認(rèn)為,豎向地震使柱中出現(xiàn)動拉力,由于應(yīng)變速率高,使材料變脆,加上截面彎矩和剪力的影響,造成柱水平斷裂。
(三)、鋼結(jié)構(gòu)的整體坍塌
這個是結(jié)構(gòu)破壞中最嚴(yán)重的破壞,不過有的可以人為的預(yù)防,例如下大雪的時候,要及時的鏟雪,尤其是鋼結(jié)構(gòu)的大棚。
這個是結(jié)構(gòu)破壞中最嚴(yán)重的破壞,不過有的可以人為的預(yù)防,例如下大雪的時候,要及時的鏟雪,尤其是鋼結(jié)構(gòu)的大棚。
二、 鋼結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造技術(shù)設(shè)計
在鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)要求規(guī)范中,有如下幾種技術(shù)可使鋼結(jié)構(gòu)在本身抗震的基礎(chǔ)上保持更好的性能。
在鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)要求規(guī)范中,有如下幾種技術(shù)可使鋼結(jié)構(gòu)在本身抗震的基礎(chǔ)上保持更好的性能。
(一)、純框架結(jié)構(gòu)
1)純框架宜設(shè)計成強柱弱梁型
2)工字形截面柱和箱形截面柱的節(jié)點域驗算
3)在柱與梁連接處,柱應(yīng)設(shè)置與上下翼緣位置對應(yīng)的加勁肋。
4)梁與柱連接的抗彎承載力,不得小于梁的塑性彎矩和節(jié)點域屈服時的梁端彎矩的較小值。
5)為防止梁端與柱的連接處發(fā)生脆性破壞,可利用“強節(jié)點弱桿件”的抗震設(shè)計概念,將梁端附近截面局部削弱。試驗證明,基于上述思想的梁端狗骨式設(shè)計具有優(yōu)越的抗震性能,可將框架的屈服控制在削弱的梁端截面處。
1)純框架宜設(shè)計成強柱弱梁型
2)工字形截面柱和箱形截面柱的節(jié)點域驗算
3)在柱與梁連接處,柱應(yīng)設(shè)置與上下翼緣位置對應(yīng)的加勁肋。
4)梁與柱連接的抗彎承載力,不得小于梁的塑性彎矩和節(jié)點域屈服時的梁端彎矩的較小值。
5)為防止梁端與柱的連接處發(fā)生脆性破壞,可利用“強節(jié)點弱桿件”的抗震設(shè)計概念,將梁端附近截面局部削弱。試驗證明,基于上述思想的梁端狗骨式設(shè)計具有優(yōu)越的抗震性能,可將框架的屈服控制在削弱的梁端截面處。
(二)、中心支撐框架
1)抗震設(shè)防的中心支撐框架宜采用十字交叉斜桿、單斜桿人字形斜桿或V形斜桿體系,不得采用K形斜桿體系。當(dāng)采用只能受拉的單斜桿體系時,應(yīng)同時設(shè)不同傾斜方向的兩組單斜桿,且每層中不同方向單斜桿的截面面積在水平方向的投影面積之差不得大于10%。
2)人字形和V形支撐斜桿受壓屈曲后,使橫梁產(chǎn)生較大變形,并使體系的抗剪能力發(fā)生較大退化。有鑒于此,在計算地震作用下人字形支撐和V形支撐的斜桿內(nèi)力時其地震作用標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)乘以增大系數(shù)1.5,以提高斜桿的承載力。
3)支撐桿件長細比,對于多層鋼結(jié)構(gòu),當(dāng)按6度或7度抗震設(shè)防時不應(yīng)大于150;按8度或9度抗震設(shè)防時不應(yīng)大于120;對于高層鋼結(jié)構(gòu),當(dāng)按6度或7度抗震設(shè)防時不應(yīng)大于120;按8度抗震設(shè)防時不應(yīng)大于90;按9度抗震設(shè)防時,不應(yīng)大于60。fy以N/mm2為單位。
4)支撐斜桿宜采用雙軸對稱截面。當(dāng)采用單軸對稱截面時(例如雙角鋼組合T形截面),應(yīng)采取防止繞對稱軸屈曲的構(gòu)造措施。
1)抗震設(shè)防的中心支撐框架宜采用十字交叉斜桿、單斜桿人字形斜桿或V形斜桿體系,不得采用K形斜桿體系。當(dāng)采用只能受拉的單斜桿體系時,應(yīng)同時設(shè)不同傾斜方向的兩組單斜桿,且每層中不同方向單斜桿的截面面積在水平方向的投影面積之差不得大于10%。
2)人字形和V形支撐斜桿受壓屈曲后,使橫梁產(chǎn)生較大變形,并使體系的抗剪能力發(fā)生較大退化。有鑒于此,在計算地震作用下人字形支撐和V形支撐的斜桿內(nèi)力時其地震作用標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)乘以增大系數(shù)1.5,以提高斜桿的承載力。
3)支撐桿件長細比,對于多層鋼結(jié)構(gòu),當(dāng)按6度或7度抗震設(shè)防時不應(yīng)大于150;按8度或9度抗震設(shè)防時不應(yīng)大于120;對于高層鋼結(jié)構(gòu),當(dāng)按6度或7度抗震設(shè)防時不應(yīng)大于120;按8度抗震設(shè)防時不應(yīng)大于90;按9度抗震設(shè)防時,不應(yīng)大于60。fy以N/mm2為單位。
4)支撐斜桿宜采用雙軸對稱截面。當(dāng)采用單軸對稱截面時(例如雙角鋼組合T形截面),應(yīng)采取防止繞對稱軸屈曲的構(gòu)造措施。
(三)、偏心支撐框架
1)偏心支撐框架的抗震設(shè)計應(yīng)保證罕遇地震下結(jié)構(gòu)的屈服發(fā)生在偏心梁段上,因而要求框架柱的承載力和支撐的承載力高于偏心梁段的承載力。偏心梁段的屈服形式有兩種,一種是剪切屈服型,另一種是彎曲屈服型。試驗和分析表明,剪切屈服型偏心梁段支撐框架的剛度和承載力較大,延性和耗能性能較好,抗震設(shè)計時,偏心梁段宜設(shè)計成剪切屈服型。
2)為保證在塑性變形過程中偏心梁段的腹板不發(fā)生局部屈曲,應(yīng)按下列規(guī)定在梁腹板兩側(cè)設(shè)置橫向加勁肋:
①梁在與偏心支撐連接處應(yīng)設(shè)加勁肋。
②在距消能梁段端部bf處,應(yīng)設(shè)加勁肋。bf為消能梁段翼緣寬度。
③偏心消能中部應(yīng)設(shè)加勁肋,加勁肋間距應(yīng)根據(jù)消能梁段長度確定。
1)偏心支撐框架的抗震設(shè)計應(yīng)保證罕遇地震下結(jié)構(gòu)的屈服發(fā)生在偏心梁段上,因而要求框架柱的承載力和支撐的承載力高于偏心梁段的承載力。偏心梁段的屈服形式有兩種,一種是剪切屈服型,另一種是彎曲屈服型。試驗和分析表明,剪切屈服型偏心梁段支撐框架的剛度和承載力較大,延性和耗能性能較好,抗震設(shè)計時,偏心梁段宜設(shè)計成剪切屈服型。
2)為保證在塑性變形過程中偏心梁段的腹板不發(fā)生局部屈曲,應(yīng)按下列規(guī)定在梁腹板兩側(cè)設(shè)置橫向加勁肋:
①梁在與偏心支撐連接處應(yīng)設(shè)加勁肋。
②在距消能梁段端部bf處,應(yīng)設(shè)加勁肋。bf為消能梁段翼緣寬度。
③偏心消能中部應(yīng)設(shè)加勁肋,加勁肋間距應(yīng)根據(jù)消能梁段長度確定。
鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)通常分為輕型鋼結(jié)構(gòu)、高層鋼結(jié)構(gòu)、住宅鋼結(jié)構(gòu)、空間鋼結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)五大子類,鋼結(jié)構(gòu)在各項工程建設(shè)中的應(yīng)用極為廣泛,如鋼橋、鋼廠房、鋼閘門、各種大型管道容器、高層建筑和塔軌機構(gòu)等。
鋼結(jié)構(gòu)工程優(yōu)點
抗震性:低層別墅的屋面大都為坡屋面,因此屋面結(jié)構(gòu)基本上采用的是由冷彎型鋼構(gòu)件做成的三角型屋架體系,輕鋼構(gòu)件在封完結(jié)構(gòu)性板材及石膏板之后,形成了非常堅固的“板肋結(jié)構(gòu)體系”,這種結(jié)構(gòu)體系有著更強的抗震及抵抗水平荷載的能力,適用于抗震烈度為八度以上的地區(qū)。
抗風(fēng)性:型鋼結(jié)構(gòu)建筑重量輕、強度高、整體剛性好、變形能力強。建筑物自重僅是磚混結(jié)構(gòu)的五分之一,可抵抗每秒七十米的颶風(fēng),使生命財產(chǎn)能得到有效的保護。
耐久性:輕鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)全部采用冷彎薄壁鋼構(gòu)件體系組成,鋼骨采用超級防腐高強冷軋鍍鋅板制造,有效避免鋼板在施工和使用過程中的銹蝕的影響,增加了輕鋼構(gòu)件的使用壽命。結(jié)構(gòu)壽命可達一百年。
保溫性:采用的保溫隔熱材料以玻纖棉為主,具有良好的保溫隔熱效果。用以外墻的保溫板,有效的避免墻體的“冷橋”現(xiàn)象,達到了更好的保溫效果。
隔音性:隔音效果是評估住宅的一個重要指標(biāo),輕鋼體系安裝的窗均采用中空玻璃,隔音效果好,隔音達四十分貝以上;由輕鋼龍骨、保溫材料石膏板組成的墻體,其隔音效果可高達六十分貝。
健康性:干作業(yè)施工,減少廢棄物對環(huán)境造成的污染,房屋鋼結(jié)構(gòu)材料可完全回收,其他配套材料也可大部分回收,符合當(dāng)前環(huán)保意識;所有材料為綠色建材,滿足生態(tài)環(huán)境要求,有利于健康。
舒適性:輕鋼墻體采用高效節(jié)能體系,具有呼吸功能,可調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣干濕度;屋頂具有通風(fēng)功能,可以使屋內(nèi)部上空形成流動的空氣間,保證屋頂內(nèi)部的通風(fēng)及散熱需求。
快捷:全部干作業(yè)施工,不受環(huán)境季節(jié)影響。
環(huán)保:材料可回收,真正做到綠色無污染。
節(jié)能:全部采用高效節(jié)能墻體,保溫、隔熱、隔音效果好,可達到50%的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。
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