淺談高層鋼結(jié)構(gòu)的地震倒塌控制

摘 要：盡管鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能較好，但是在地震作用下，當(dāng)結(jié)構(gòu)的層間位移較大的時(shí)候，也會(huì)引起結(jié)構(gòu)的破壞甚至倒塌。本文對(duì)目前高層鋼結(jié)構(gòu)地震倒塌控制進(jìn)行了簡(jiǎn)要的總結(jié)。

關(guān)鍵詞：高層鋼結(jié)構(gòu) 地震反應(yīng) 倒塌 失效準(zhǔn)則

中圖分類號(hào)：TU7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）05（c）-0063-01

地震是對(duì)人類生存環(huán)境破壞較嚴(yán)重的一種自然災(zāi)害。我國(guó)是地震發(fā)生較頻繁的國(guó)家，而且強(qiáng)震發(fā)生較多。地震荷載是隨機(jī)性的，當(dāng)發(fā)生強(qiáng)地震時(shí)，地震烈度往往超過當(dāng)?shù)氐目拐鹪O(shè)防烈度，結(jié)構(gòu)往往會(huì)遭到超過預(yù)計(jì)的破壞，甚至發(fā)生倒塌破壞，即便規(guī)范要求進(jìn)行抗震設(shè)防，也不一定能確保結(jié)構(gòu)安全。

自上世紀(jì)以來，里氏7.0級(jí)以上的大地震，我國(guó)就發(fā)生了七次，給我國(guó)造成了巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，并造成了嚴(yán)重的社會(huì)影響。1976年的唐山大地震，烈度達(dá)到Ⅺ度，唐山市的地面建筑基本上全部都塌，死亡24萬人，直接經(jīng)濟(jì)損失30多億元人民幣；1999年的臺(tái)灣南投7.6級(jí)地震，倒塌各種建筑9909棟，財(cái)產(chǎn)損失92億美元；2008年的汶川大地震，烈度達(dá)到Ⅺ度，遠(yuǎn)超過房屋抗震設(shè)防烈度，震中映秀鎮(zhèn)的地面建筑基本全部倒塌，北川縣城變成一片廢墟，死亡6.9萬人，財(cái)產(chǎn)損失8451億元人民幣。地震造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，主要來自建筑物的倒塌，因此，提高建筑的整體抗震能力，特別是提高建筑抗地震倒塌能力，具有重要的研究意義。

鋼材具有較強(qiáng)的塑性變形能力，鋼結(jié)構(gòu)被認(rèn)為具有良好的抗震性能。然而，在1994年的Northridge地震和1995年的Kobe地震中，鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，甚至倒塌。主要是因?yàn)椋饕且驗(yàn)榱褐g的抗彎焊縫連接大量發(fā)生脆性斷裂，節(jié)點(diǎn)的脆性破壞改變了鋼結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞模式，使其無法在合適的位置形成塑性鉸，發(fā)展塑性變形，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)外對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行了大量研究。

為改進(jìn)節(jié)點(diǎn)部位的延性，梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究主要基于“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的思想，通過加強(qiáng)連接的強(qiáng)度和削弱梁端截面[1]，使塑性鉸從柱面外移一段距離，出現(xiàn)在梁上。也可通過改進(jìn)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式，如去掉焊接墊板、嚴(yán)格焊接工藝要求，構(gòu)件部分替換等方法，減小節(jié)點(diǎn)區(qū)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，改善節(jié)點(diǎn)區(qū)的應(yīng)力分布，從而改善節(jié)點(diǎn)的抗震性能[2]。

另外，有研究[3～5]把剛性連接改為栓接半剛性連接，雖然半剛性連接使鋼框架具有較大的變形能力，但鋼框架的側(cè)向剛度也較低。

鋼結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞也促進(jìn)了新型結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展，比較典型的是多重抗震結(jié)構(gòu)體系，如具有二道防線的耗能支撐——鋼框架結(jié)構(gòu)體系，耗能支撐作為第一道抗震防線首先破壞，進(jìn)行耗能，保護(hù)起承重作用的主框架；使作為第二道抗震防線的主框架在設(shè)防大震作用下只發(fā)生輕微破壞[6，7]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)失效模式的控制主要集中在梁柱節(jié)點(diǎn)和新型結(jié)構(gòu)體系這兩方面。對(duì)于梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能的研究，僅局限于結(jié)構(gòu)的梁柱連接部位，雖然可以使結(jié)構(gòu)滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)原則，使塑性鉸出現(xiàn)在構(gòu)件上，但未考慮結(jié)構(gòu)體系的失效模式。對(duì)于新型結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展主要基于耗能減震的思想，在結(jié)構(gòu)的某一部位安裝特殊的耗能減振裝置，吸收本來由主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件消耗的地震輸入能量，以減輕結(jié)構(gòu)主體的損傷，是通過在主結(jié)構(gòu)上附加耗能元件來保護(hù)主結(jié)構(gòu)，未考慮主結(jié)構(gòu)的自身的失效模式。

對(duì)于多重抗震結(jié)構(gòu)體系，當(dāng)耗能構(gòu)件破壞后，結(jié)構(gòu)主體就起主要抗震作用，主結(jié)構(gòu)通過梁柱端部的彈塑性變形來消耗地震輸入能量，抗震設(shè)計(jì)只能保證結(jié)構(gòu)在預(yù)定的大震設(shè)防烈度下不倒，當(dāng)結(jié)構(gòu)遭到高于設(shè)防烈度大震的強(qiáng)地震作用時(shí)，結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件可能會(huì)受到嚴(yán)重?fù)p傷，直至結(jié)構(gòu)倒塌。

結(jié)構(gòu)的倒塌是由于承受重力荷載的主結(jié)構(gòu)失去豎向承重作用，梁柱節(jié)點(diǎn)和新型結(jié)構(gòu)體系都不能保證結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)超過預(yù)定設(shè)防烈度的強(qiáng)地震作用下不倒，結(jié)構(gòu)的倒塌由主結(jié)構(gòu)的損傷造成的，因此，在結(jié)構(gòu)滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”設(shè)計(jì)原則和具有多重抗震防線的基礎(chǔ)上，對(duì)主結(jié)構(gòu)的倒塌失效模式進(jìn)行控制，通過調(diào)整主結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面，使結(jié)構(gòu)體系更加合理，可在不太增加成本的情況下提升結(jié)構(gòu)的抗地震倒塌能力。

參考文獻(xiàn)

[1]Sean Wilkinson，Gordon Hurdman， Adrian Crowther.A moment resisting connection for earthquake resistant structures [J].Journal of Constructional Steel Research，2006，62：295-302.

[2]Duane K.Miller.Lessons learned from the Northridge earthquake[J].Engineering Structures，1998，20（4-6）：249-260.

[3]Egor Paul Popov，Tzong-Shuoh Yang and Shih-Po Chang.Design of steel MRF connections before and after 1994 Northridge earthquake [J].Engineering Structures，1998，20（12）：1030-1038.

[4]Alfredo Reyes-Salazar，Achintya Haldar.Nonlinear seismic response of steel structures with semi-rigid and composite connections [J].Journal of Constructional Steel Research，1999，51：37-59.

[5]M.Fathia，F(xiàn).Daneshjoob，R.E. Melchersc.A method for determining the behaviour factor of moment-resisting steel rames with semi-rigid connections [J].Engineering Structures， 2006，28：514-531.

[6]M.Bosco，P.P.Rossi.Seismic behaviour of eccentrically braced frames[J]. Engineering Structures，2009，31：664-674.

[7]Mehrdad Lotfollahi，M.M.Alinia.Effect of tension bracing on the collapse mechanism of steel moment frames[J]. Journal of Constructional Steel Research，2009，65：2027-2039.