耗能減震鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系初探

王春浩 陜吉祿

前言

近年來相繼在汶川、海地、智利、日本等地發(fā)生的大地震，無不說明當(dāng)前全球正處于地震多發(fā)活躍期，中國(guó)處于太平洋與歐亞板塊交界處，屬于發(fā)生大地震頻繁區(qū)域，而建筑災(zāi)害則成為地震災(zāi)害中最具破壞和殺傷力的災(zāi)害。在當(dāng)今地震預(yù)報(bào)難以取得突破的背景之下，加強(qiáng)建筑抗震是根本!當(dāng)前我國(guó)現(xiàn)存建筑結(jié)構(gòu)主要包括磚混結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)以及少量的木結(jié)構(gòu)。而多次震害調(diào)查顯示，常見的幾種建筑結(jié)構(gòu)，抗震性能從低到高依次排序?yàn)椋和聊窘Y(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)、底框架結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)以其強(qiáng)度高、自重輕、延性好成為了抗震性能最優(yōu)良的建筑結(jié)構(gòu)形式，其在地震中的受損率遠(yuǎn)低于其它結(jié)構(gòu)形式[1]。2010年智利發(fā)生8.8級(jí)特大地震，其死亡人數(shù)僅有452名。距離震中僅90公里的便是智利第二大城市康塞普西翁市，盡管人口稠密，但造成的傷亡卻很少。其原因就是很多居民建筑都是鋼結(jié)構(gòu)，抗震能力很強(qiáng)。有關(guān)調(diào)查表明，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)住宅的比例不足5%，而發(fā)達(dá)國(guó)家一般都在40%以上，日本這一比例更是接近50%，這說明我國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)有很大的發(fā)展空間。

一、常見的鋼結(jié)構(gòu)體系種類及特點(diǎn)

目前國(guó)內(nèi)外常用的鋼結(jié)構(gòu)體系主要有：冷彎薄壁型鋼體系、框架體系、框架支撐體系、框架剪力墻體系、交錯(cuò)桁架體系。傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)體系各有優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍，但是在抗震性能方面，都存在不足之處。

1．鋼結(jié)構(gòu)體系種類及特點(diǎn)

（1）冷彎薄壁型鋼體系

構(gòu)件用薄鋼板冷彎成C形、Z形構(gòu)件，可單獨(dú)使用，也可組合使用，桿件間連接采用自攻螺釘。冷彎薄壁型鋼體系以冷彎薄壁型鋼作為基本承重桿件，是一種新型的輕鋼結(jié)構(gòu)建筑體系，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、重量輕，其重量是普通混凝土結(jié)構(gòu)的1/3左右，并能滿足大開間的需要，使用面積比鋼筋混凝土住宅提高10%-15%左右。該體系通常設(shè)計(jì)成密肋柱并用木質(zhì)板材蒙皮的板肋構(gòu)造，這種構(gòu)造整體性能好，不易被地震力所破壞。但這種體系節(jié)點(diǎn)剛性不易保證，抗側(cè)能力較差，一般只用于1～2層住宅或別墅。

（2） 框架體系

目前，這種體系在多層鋼結(jié)構(gòu)住宅中應(yīng)用最廣?？v橫向都設(shè)成鋼框架，門窗設(shè)置靈活，可提供較大的開間，便于用戶二次設(shè)計(jì)，滿足各種生活需求。該體系具有受力明確，平面布置靈活，便于大開間的設(shè)置，可充分滿足建筑布置要求的特點(diǎn)；同時(shí)制作安裝簡(jiǎn)單，施工速度較快。鋼框架考慮樓蓋的組合作用，運(yùn)用在低多層住宅中，一般都能滿足抗側(cè)要求。鋼框架體系主要由梁、柱構(gòu)件剛接而成，依靠梁、柱來承受豎向荷載和水平荷載。但是由于目前框架柱以H型鋼為主，弱軸方向梁柱連接的剛性難以保證，因此設(shè)計(jì)施工時(shí)須慎重處理。此種結(jié)構(gòu)體系側(cè)向剛度較小，抗震性能差，建筑成本較高。

（3）框架支撐體系

在風(fēng)載或地震作用較大區(qū)域，為提高體系的抗側(cè)剛度，增加軸交支撐或偏交支撐效果很好。這種體系為多重抗側(cè)體系，而且梁柱節(jié)點(diǎn)、柱腳節(jié)點(diǎn)可設(shè)計(jì)成鉸接、半剛接，施工構(gòu)造簡(jiǎn)單，基礎(chǔ)主要承受軸力，體形較小，因此成為人們青睞的對(duì)象。當(dāng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生層間變形時(shí)，支撐承受水平力，從而使體系獲得比純框架結(jié)構(gòu)大得多的抗側(cè)力剛度，減少建筑物的層間位移。該體系用鋼量相對(duì)較大，由于支撐桿件的存在往往影響墻體和門窗的布置。但此種結(jié)構(gòu)因體系延性小、耗能能力也小。地震荷載作用下，支撐中的受壓桿件容易發(fā)生壓屈失穩(wěn)，致使整個(gè)結(jié)構(gòu)體系承載力降低并產(chǎn)生較大側(cè)移。該體系主要是利用結(jié)構(gòu)主體耗能，最終將導(dǎo)致主要結(jié)構(gòu)桿件塑性變形過大，難以修復(fù)。

（4）框架剪力墻體系

包括鋼筋混凝土剪力墻和鋼板剪力墻兩種形式,一般用在低多層住宅中。此結(jié)構(gòu)體系中，框架為主要承重骨架，剪力墻為結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力體系。國(guó)外剪力墻多采用組合剪力墻，即在薄壁鋼板剪力墻兩側(cè)增加混凝土板，混凝土板防止鋼板的平面外屈曲，提高剪力墻的強(qiáng)度和耗能能力。此種體系中剪力墻屬于剛性結(jié)構(gòu)，而鋼框架屬于柔性結(jié)構(gòu)，在地震作用下，剪力墻承擔(dān)了絕大部分的水平力，有時(shí)高達(dá)90%，即使將鋼框架做得較強(qiáng)，也難以從根本上改變這種局面，這種體系的二道防線的抗震能力很弱。

（5）交錯(cuò)桁架體系

交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)體系的骨架由房屋外側(cè)的柱子和高度為層高、跨度等于房屋寬度的桁架組成。在相鄰柱上為上下層交錯(cuò)布置，樓板一端支承在桁架上弦桿，另一端支承在相鄰桁架的下弦桿。垂直荷載則由樓板傳到桁架的上下弦，再傳到外圍的柱子。該體系利用柱子、平面桁架和樓面板組成空間抗側(cè)力體系，具有平面布置靈活、樓板跨度小、結(jié)構(gòu)自重輕、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、高效的特點(diǎn)。該體系橫向可看成是支撐框架，縱向則可看成是無支撐框架，結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)可從橫向和縱向分別單獨(dú)對(duì)待。該結(jié)構(gòu)體系在強(qiáng)震作用下的抗震性能很差，由于腹桿較早出現(xiàn)非彈性變形導(dǎo)致桿件承載力及剛度突然減小。

綜上所述，不同的鋼結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)都存在一些問題，在強(qiáng)震作用下都體現(xiàn)出一定的弱點(diǎn)，而每一次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的調(diào)整，都以建筑成本的大幅加高為代價(jià)。越來越多的事實(shí)表明，在當(dāng)前地震災(zāi)害造成的人員傷亡顯著下降的背景下，所付出的經(jīng)濟(jì)代價(jià)卻令人震驚。例如，1989年美國(guó)加州洛馬普里埃塔M7.1級(jí)地震，死亡63人，經(jīng)濟(jì)損失為100億美元；1994年，加州北嶺M7.1級(jí)地震，死亡73人，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到200億美元；1995年，日本阪神M7.1級(jí)地震，傷亡5500多人，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的1000億美元，震后的基本恢復(fù)重建工作花費(fèi)2年，耗資近1000億美元；2010年我國(guó)青海玉樹M7.1級(jí)地震，死亡2698人，失蹤270人，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1000億美元[2]。與此相比，我國(guó)1976年唐山M7.8級(jí)大地震的經(jīng)濟(jì)損失僅為50億美元。

2.淺析鋼結(jié)構(gòu)耗能減震設(shè)計(jì)[3]

傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)體系是通過加強(qiáng)結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度以滿足抗震要求的，但結(jié)構(gòu)越強(qiáng)剛度越大，地震作用也越大。這對(duì)于高層、超高層鋼結(jié)構(gòu)，會(huì)造成嚴(yán)重的制約。而耗能減震抗震設(shè)計(jì)則是把鋼結(jié)構(gòu)的某些非承重構(gòu)件設(shè)計(jì)成耗能構(gòu)件，或在鋼結(jié)構(gòu)的某些部位 (節(jié)點(diǎn)或聯(lián)結(jié))安裝耗能裝置。在風(fēng)荷載或輕微地震時(shí)，這些耗能裝置仍處于彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)具有足夠的側(cè)向剛度以滿足正常使用要求。在強(qiáng)地震發(fā)生時(shí)，隨著結(jié)構(gòu)受力和變形的增大，這些耗能裝置將率先進(jìn)人非彈性變形狀態(tài)，即耗能狀態(tài)，產(chǎn)生較大的阻尼，大量消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，保護(hù)主體結(jié)構(gòu)在強(qiáng)地震中免遭破壞。

在傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，由于鋼結(jié)構(gòu)本身阻尼比很小，依靠結(jié)構(gòu)阻尼耗散的地震能量非常有限。為了終止地震反應(yīng)，只能依靠主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大量的塑性變形來吸收地震能量，但是這樣必然導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破環(huán)，甚至倒塌。而在鋼結(jié)構(gòu)耗能減震抗震設(shè)計(jì)中，通常將阻尼器與支撐串聯(lián)組成耗能裝置。在地震作用下耗能裝置率先進(jìn)入工作狀態(tài)，大量消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震能量。這樣既可以保護(hù)主體結(jié)構(gòu)免遭破壞，又可以迅速衰減地震反應(yīng)，確保結(jié)構(gòu)的安全。基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法要求結(jié)構(gòu)在不同的地震風(fēng)險(xiǎn)水平下滿足不同的性能水平要求，而耗能減震鋼結(jié)構(gòu)通過改變耗能裝置的參數(shù)和數(shù)量可以方便的控制結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)不同的性能目標(biāo)。因此將基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法和耗能減震技術(shù)相結(jié)合，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

鋼結(jié)構(gòu)耗能減震設(shè)計(jì)形式與鋼框架-中心支撐形式基本相同，但其支撐構(gòu)件并非中心支撐而是耗能支撐，耗能支撐與主體結(jié)構(gòu)之間一般通過螺栓或焊縫連接。該耗能體系一般可在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主體上實(shí)現(xiàn)。比如在傳統(tǒng)的鋼框架體系上去掉填充墻，將耗能裝置安裝在結(jié)構(gòu)當(dāng)中；將鋼框架-中心支撐體系的中心支撐換成耗能支撐；鋼結(jié)構(gòu)耗能減震設(shè)計(jì)不適合采用鋼框架-偏心支撐的形式，原因就是該體系主要是利用主體結(jié)構(gòu)來耗能的，其主梁在強(qiáng)烈地震作用后一般會(huì)產(chǎn)生較大的塑性變形而難以修復(fù)；而對(duì)于鋼框架-剪力墻體系，可以將剪力墻去掉，換成耗能支撐；對(duì)于交錯(cuò)桁架體系，則可將耗能支撐直接交錯(cuò)布置在桁架上即可。

3.鋼結(jié)構(gòu)耗能減震設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)

（1） 安全性

由于耗能減震設(shè)計(jì)模式設(shè)有非承重耗能構(gòu)件或耗能裝置，因而具有很大的耗能能力，在地震中能率先進(jìn)入耗能工作狀態(tài)，消耗地震能量及衰減結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，保護(hù)主體結(jié)構(gòu)和構(gòu)件免遭損壞，從而確保結(jié)構(gòu)在強(qiáng)地震中的安全性，而且震后易于修復(fù)或更換，使建筑結(jié)構(gòu)物迅速恢復(fù)使用。

（2） 經(jīng)濟(jì)性

傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)體系主要通過加強(qiáng)結(jié)構(gòu)、加大斷面等途徑提高建筑的 “硬性抵抗”結(jié)構(gòu)抗震性能，使結(jié)構(gòu)的造價(jià)明顯提高。鋼結(jié)構(gòu)減震體系是通過 “柔性消能”來減少結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，可以減小構(gòu)件斷面，而其抗震性能反而提高。

（3）技術(shù)合理性

耗能構(gòu)件或裝置屬 “非結(jié)構(gòu)構(gòu)件”，即非承重構(gòu)件，其功能僅是在結(jié)構(gòu)變形過程中發(fā)揮耗能作用，對(duì)結(jié)構(gòu)的承載力和安全性不構(gòu)成任何影響或威脅。所以，耗能減震結(jié)構(gòu)體系在技術(shù)上安全可行。

汶川地震、玉樹地震及歷次地震震害均證明，鋼結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。當(dāng)前，大眾也認(rèn)識(shí)到了居住建筑安全的重要性，因此從設(shè)計(jì)規(guī)范上盡快出臺(tái)耗能減震鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，使耗能減震鋼結(jié)構(gòu)能進(jìn)入一個(gè)快速、良性發(fā)展階段。

[1]李國(guó)強(qiáng)等.從汶川地震災(zāi)害看鋼結(jié)構(gòu)在地震區(qū)的應(yīng)用.建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展,2008.

[2]張愛蓮等.從玉樹地震看鋼結(jié)構(gòu)在震區(qū)的發(fā)展.科技風(fēng)，2010（9）

[3]趙風(fēng)華.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理.北京:高等教育出版社，2005