多層鋼結(jié)構(gòu)房屋抗震設計淺析

關(guān)鍵字：多層；鋼結(jié)構(gòu)；抗震；結(jié)構(gòu)體系；破壞形式

　　1 前言

　　鋼結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)點，便于運輸、抗震性能高、施工周期短、延展性好、施工速度快等，而且與傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)的強度、韌性高，節(jié)能環(huán)保，特別是鋼結(jié)構(gòu)具有良好的延展性可以衰減地震波，減少地震時地震波的影響，因此在工業(yè)化生產(chǎn)中鋼結(jié)構(gòu)廣泛應用于多層房屋建筑中。但是，如果多層鋼結(jié)構(gòu)房屋在材料選用、設計以及施工維護和制作上稍有不妥，就難以發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)自身所具有的優(yōu)越性，在地震作用下就難以減輕地震對房屋的破壞性。如今，鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)普遍應用于各種類型的民用建筑、工業(yè)建筑中，如果不合理正確應用鋼結(jié)構(gòu)，會造成建筑物結(jié)構(gòu)局部破壞甚至整體倒塌等更嚴重的后果。

　　基于鋼結(jié)構(gòu)建筑的突出優(yōu)點，美國、韓國等國的鋼結(jié)構(gòu)建筑已占到總量的50％左右。日本是多地震的國家，鋼結(jié)構(gòu)建筑在日本的占有率更是達到了65％左右，據(jù)日本阪神地震后資料顯示，鋼結(jié)構(gòu)建筑在地震中的受損率遠低于混凝土結(jié)構(gòu)建筑。無獨有偶，四川汶川地震，同樣是鋼結(jié)構(gòu)建筑的綿陽體育館受到損壞極小，成為了安置災民的主要地點。

　　2 多層鋼結(jié)構(gòu)房屋抗震結(jié)構(gòu)體系

　　鋼結(jié)構(gòu)房屋的結(jié)構(gòu)類型直接影響著多層鋼結(jié)構(gòu)房屋的抗震性能，因此在進行實際工程設計時，必須綜合考慮幾種因素，對方案進行優(yōu)化設計，然后在優(yōu)化過程中確定最適合本房屋的結(jié)構(gòu)體系。多層鋼結(jié)構(gòu)體系有純鋼框架體系、鋼框架剪力墻體系、鋼框架支撐體系等，它們各有特點，在鋼結(jié)構(gòu)建筑領域中被廣泛的應用。

　　3 鋼結(jié)構(gòu)的破壞形式

　　多層鋼結(jié)構(gòu)房屋具有很多優(yōu)點，它受到震害的影響要比混凝土結(jié)構(gòu)的房屋要小很多，但設計和施工的要求卻同樣重要，如果連接、冷加工、焊接不合理，后期維護不當以及受到外部環(huán)境、工藝技術(shù)的不良影響，很可能會造成鋼結(jié)構(gòu)的破壞。根據(jù)多層鋼結(jié)構(gòu)房屋在歷次地震中的破壞形式可以歸納為以下幾類。

　　1、框架節(jié)點區(qū)的梁柱焊接連接破壞：豎向支撐的整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)，柱腳焊縫破壞及錨栓失效。

　　2、構(gòu)件的破壞：翼緣的屈曲、拼接處的裂縫、節(jié)點焊縫處裂縫引起的柱翼緣層狀撕裂、框架柱的脆性斷裂、腹板屈曲和截面扭轉(zhuǎn)屈曲。

　　3、構(gòu)件的局部屈曲破壞：框架梁或柱的局部屈曲是因為梁或柱在地震作用下反復受彎，以及構(gòu)件的截面尺寸和局部構(gòu)造如細長比、板件寬厚比設計不合理造成的，柱的水平斷裂是因為地震造成的傾覆拉力較大、動應變速率較高、材性變脆引起的。

　　4、支撐的破壞：支撐構(gòu)件為鋼結(jié)構(gòu)提供了較大的側(cè)向剛度，當?shù)卣饛姸容^大時，承受的軸向力（反復拉壓）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)鋼結(jié)構(gòu)的破壞或失穩(wěn)。

　　5、節(jié)點破壞：由于節(jié)點傳力集中、施工難度大、構(gòu)造復雜，容易造成應力集中、強度不均衡現(xiàn)象，再加上可能出現(xiàn)的構(gòu)造缺陷、焊縫缺陷，就更容易出現(xiàn)節(jié)點破壞。節(jié)點域的破壞形式比較復雜，主要有加勁板的屈曲和開裂、加勁板焊縫出現(xiàn)裂縫、腹板的屈曲和裂縫。

　　4 設計的一般規(guī)定

　　盡管多層鋼結(jié)構(gòu)房屋的抗震性能較好，但是在強烈地震的作用下，也會出現(xiàn)不同程度的損害。在地震作用下，建筑物的破壞過程和破壞機理十分復雜，所以需要對多層鋼結(jié)構(gòu)房屋進行嚴密的抗震設計，從而減輕地震災害帶來的損失。

　　1、多層鋼結(jié)構(gòu)房屋結(jié)構(gòu)布置的一般原則。多層鋼結(jié)構(gòu)房屋的結(jié)構(gòu)布置和結(jié)構(gòu)體系的選擇關(guān)系到整個建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性、適用性以及安全性。這和其他類型的建筑結(jié)構(gòu)是一樣，多層鋼結(jié)構(gòu)房屋應該盡量采用規(guī)則的建筑方案，當平立面不規(guī)則和結(jié)構(gòu)體型復雜時，可以根據(jù)實際情況在適當部位設置抗震縫，從而形成多個規(guī)則的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)單元。當混凝土和鋼結(jié)構(gòu)并用時，由于混凝土結(jié)構(gòu)的變形小于鋼結(jié)構(gòu)，一般來說是不宜設抗震縫，如果是必須設置時，就應該將建筑物分割成規(guī)則的結(jié)構(gòu)單元。

　　2、鋼結(jié)構(gòu)平面的布置應該遵循對稱、規(guī)則和簡單的原則，使結(jié)構(gòu)能具有良好的整體性。這樣可以防止在遭遇地震的情況下多層鋼結(jié)構(gòu)房屋由于應力集中和發(fā)生鋼結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)、突變或者因局部削弱和塑性變形使得應力集中在薄弱部位，破壞鋼結(jié)構(gòu)。為了有效地減小扭轉(zhuǎn)作用對建筑物的影響，還應該使各層的質(zhì)心和剛心盡可能處于同一豎直線上。另外，還需要注意多層鋼結(jié)構(gòu)房屋的樓蓋應該采用非組合樓板或者是壓型鋼板現(xiàn)澆混凝土組合樓板。有效地提高多層鋼結(jié)構(gòu)的房屋的穩(wěn)定性，增加結(jié)構(gòu)下部整體性以及增強其抗傾覆能力，減小沉降，提升整個多層房屋的抗震性能。

　　3、多層鋼結(jié)構(gòu)房屋適用的高寬比和最大高度。房屋總高度與平面較小寬度之比就是高寬比。在抗震結(jié)構(gòu)體系中，最大適用高度和結(jié)構(gòu)類型是根據(jù)抗震設防烈度和結(jié)構(gòu)總體高度確定的。影響鋼結(jié)構(gòu)抗震性能和整體穩(wěn)定性重要參數(shù)是鋼結(jié)構(gòu)的高寬比，它直接影響著鋼結(jié)構(gòu)的側(cè)移、振動形式以及結(jié)構(gòu)剛度。如果要使鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的水平位移，就增大高寬比值，并且傾覆力矩使支撐柱產(chǎn)生很大的軸向力。因此，鋼結(jié)構(gòu)房屋的最大高寬比必須要限定，使其保持在一個合理范圍內(nèi)，超過時應該進行專項研究，采取必要的抗震措施。

　　4、在多層鋼結(jié)構(gòu)房屋抗震設計中必須體現(xiàn)強柱弱梁的原則，因為這樣可以有效地避免了在地震作用下支撐柱先進入塑性區(qū)破壞鋼結(jié)構(gòu)導致整個房屋的倒塌。這就要求我們通過不同構(gòu)件的內(nèi)力設計值或者調(diào)整剛結(jié)構(gòu)中不同部位受到的地震效應，使整體框架和鋼結(jié)構(gòu)具有消耗地震能量和較大的內(nèi)力重分布能力。

　　5、多層鋼結(jié)構(gòu)房屋的設計應遵照專門設計規(guī)程“高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程”進行，應嚴格要求合理的結(jié)構(gòu)布置與結(jié)構(gòu)體系的選用，以及合理的技術(shù)經(jīng)濟性能。鋼結(jié)構(gòu)的抗震設計應進行兩階段設計：第一階段按多遇地震計算地震作用設計；第二階段按罕遇地震作用設計，并分別驗算其位移限值及層間側(cè)移延性比等限值的要求。

　　5 結(jié)束語

　　隨著近幾年來自然災害的頻發(fā)，尤其是不斷地發(fā)生地震災害。為了盡可能的減小地震造成的經(jīng)濟損失以及人員傷亡，多層鋼結(jié)構(gòu)房屋的抗震性能的要求就更高了。我國的多層鋼結(jié)構(gòu)房屋抗震的技術(shù)與發(fā)達國家的水平還有一定的差距，我們應該積極努力的學習國外的多層鋼結(jié)構(gòu)知識，借鑒國外在多層鋼結(jié)構(gòu)上運用的經(jīng)驗，對多層鋼結(jié)構(gòu)房屋的抗震進行優(yōu)化設計，從設計理念入手對多層鋼結(jié)構(gòu)房屋結(jié)構(gòu)抗震的具體要求，制定科學合理的設計方案，從而確保實現(xiàn)多層鋼結(jié)構(gòu)房屋的抗震設計目標。

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