淺談鋼結(jié)構(gòu)抗震的存在問題和改進(jìn)

■章 源 ■湖南中鐵五新鋼模有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100

我國(guó)位于環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，地震斷裂帶十分活躍。雖然我國(guó)近幾十年來在監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)和震后救援工作上已取得突破進(jìn)展，但抗震建筑的設(shè)計(jì)和修建相較于發(fā)達(dá)國(guó)家仍存在較大差異。鋼結(jié)構(gòu)由于其自身優(yōu)越性能，已廣泛應(yīng)用到建筑之中，因此加強(qiáng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)抗震結(jié)構(gòu)體系的認(rèn)識(shí)，對(duì)防震抗震工作的實(shí)施有著決定性作用。

1 鋼結(jié)構(gòu)抗震結(jié)構(gòu)體系

1.1 鋼框架結(jié)構(gòu)

框架結(jié)構(gòu)體系包含兩部分，由房屋縱向和橫向的框架結(jié)構(gòu)和抵抗側(cè)向力的構(gòu)件構(gòu)成。純框架結(jié)構(gòu)體系由于構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工周期短，已成為一種廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)體系。純框架結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較小，當(dāng)建筑樓層較高時(shí)，只能通過加大梁和柱的截面來提高抗側(cè)移剛度，而這容易產(chǎn)生失穩(wěn)性破壞，因此通常適用于30 層以下的建筑。框架——支撐框架結(jié)構(gòu)中支撐桁架部分起到類似剪力墻的作用，其中支撐桁架中支撐構(gòu)件僅承受拉、壓軸向力，由于桿件的軸向變形剛度比桿件的剪彎剛度大得多，因此大大提高了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度。

1.2 鋼框架—抗剪結(jié)構(gòu)

鋼框架—抗剪結(jié)構(gòu)體系在純框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)強(qiáng)化了抗側(cè)移功能，以此提高側(cè)向剛度，用以滿足超過30 層的高層建筑在風(fēng)負(fù)載或地震中的使用需求。由于框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系中存在剪力墻剛度較大的現(xiàn)象，因此當(dāng)受到強(qiáng)地震荷載時(shí)容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，進(jìn)而引發(fā)脆性破壞。帶縫剪力墻的出現(xiàn)便很好地解決了這一難題。帶縫剪力墻通過鋼筋混泥土墻板中的豎縫設(shè)置，利用豎縫中兩塊重疊的石棉纖維板在地震表現(xiàn)出的塑性狀態(tài)，達(dá)到吸收大量的能量，確保建筑承載力的目的。

1.3 巨型結(jié)構(gòu)

巨型鋼結(jié)構(gòu)是為了滿足特殊功能或綜合功能而產(chǎn)生的一種建筑，實(shí)踐證明其具有良好的建筑適應(yīng)性和潛在的高效結(jié)構(gòu)性能。巨型結(jié)構(gòu)在抗推剛度上表現(xiàn)出其他結(jié)構(gòu)難以比擬的優(yōu)勢(shì)，以德國(guó)法蘭克福商業(yè)銀行大樓為例，這座1997 年建成的超高層建筑體現(xiàn)了巨型鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)精髓。該建筑的“巨型柱”是以三角形頂點(diǎn)的三個(gè)獨(dú)立框筒構(gòu)成，“巨型梁”則是通過八層樓高的鋼框架相連接構(gòu)成，最終“巨型柱”和“巨型梁”構(gòu)成了一個(gè)完整的巨型筒體系，其極好的整體效應(yīng)決定了其極佳的抗震效能。巨型結(jié)構(gòu)體系也可與其他常規(guī)體系進(jìn)行組合運(yùn)用，經(jīng)實(shí)踐證明已表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)男阅軆?yōu)越性。

1.4 筒體結(jié)構(gòu)

筒體結(jié)構(gòu)同樣是一種應(yīng)用于超高層建筑的結(jié)構(gòu)體系。簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)有單筒和束筒之分，其主要區(qū)別在于閉合體的多少，由于兩者的腹板框架都需要承擔(dān)絕大部分剪力而翼緣框架承擔(dān)絕大部分彎矩，因此無論是單筒還是束筒都有可能存在剪力滯后的問題。針對(duì)這一情況應(yīng)從根據(jù)設(shè)置剪力墻式內(nèi)筒、采用密排框架柱和各層樓蓋處的深梁剛接的外筒、其他豎向構(gòu)件來承受主要豎向荷載等不同的受力特點(diǎn)來具體分析，來提高結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)移剛度和抗扭性能。

2 鋼結(jié)構(gòu)破壞部位

2.1 節(jié)點(diǎn)連接的破壞

節(jié)點(diǎn)連接對(duì)于抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義，建筑中的鋼結(jié)構(gòu)都是由豎桿、水平桿、斜桿用焊縫或螺栓拼裝成抗側(cè)力的框架和框架支撐結(jié)構(gòu)。這些由桿件組成的框架結(jié)構(gòu)之所以能承受豎向荷載和水平荷載靠的是桿件之間的節(jié)點(diǎn)將其連接為一個(gè)非機(jī)動(dòng)構(gòu)架。因此一旦節(jié)點(diǎn)連接發(fā)生破壞便會(huì)影響整個(gè)框架結(jié)構(gòu)的承載能力。通過對(duì)1994 年的美國(guó)北嶺地震和1995 年的日本阪神地震中的建筑受損情況進(jìn)行分析，節(jié)點(diǎn)破壞原因與梁受壓翼板傳來的壓力和拉力使柱腹板翹曲和焊縫斷裂有關(guān)。

2.2 構(gòu)件的破壞

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件中其脆性破壞主要是失穩(wěn)和脆性斷裂，因此避免鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的脆性破壞是鋼結(jié)構(gòu)抗震結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。例如，在1995年的阪神地震當(dāng)中，當(dāng)時(shí)一棟位于蘆屋市的住宅小區(qū)內(nèi)共有57 根鋼柱發(fā)生了斷裂現(xiàn)象，其中14 層以下的樓層大多出現(xiàn)箱形截面柱斷裂，并且斷口呈水平的形狀，可判斷都是由脆性破壞造成。通過對(duì)保存的記錄資料分析可作如下推斷。第一，鋼柱的斷裂多發(fā)生在拼接焊縫附近，可能由于拼接焊縫區(qū)域?qū)儆阡撝谋∪醪课?第二，箱形截面柱的壁厚達(dá)50mm，可能由于焊接過熱造成的鋼材延展性降低;第三，地震發(fā)生時(shí)正是日本嚴(yán)冬，低溫是鋼材脆性增加的隱患因素之一。

3 鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的要求

3.1 選擇對(duì)建筑抗震有利的場(chǎng)地和地基

場(chǎng)地選擇上應(yīng)盡量避開對(duì)建筑抗震不利的地段，選擇有利于抗震的場(chǎng)地。通常來說抗震危險(xiǎn)地段多指地質(zhì)情況復(fù)雜區(qū)域，常因地震的能量釋放進(jìn)而引發(fā)崩塌、滑坡、泥石流等二次災(zāi)害。因此，在選擇高層抗震建設(shè)用地時(shí)應(yīng)盡力避開不利地段，選擇具有較大“平均剪切波速”的堅(jiān)硬場(chǎng)地上，從而減輕地震對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的損害。

3.2 合理選擇結(jié)構(gòu)類型

鋼結(jié)構(gòu)抗震結(jié)構(gòu)體系涉及內(nèi)容較多，因此在施工時(shí)應(yīng)根據(jù)建筑的層高、場(chǎng)地、地基、基礎(chǔ)、材料并結(jié)合經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件綜合比較確定。

3.3 建立多道抗震防線

多道抗震防線設(shè)計(jì)應(yīng)該貫穿于鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)的始終，當(dāng)建筑物處在地震荷載作用下時(shí)，較大的抗推剛度的結(jié)構(gòu)能夠滿足當(dāng)前變形方面的要求，并利用贅余桿件的屈服和彈塑性變形來消耗盡可能多的地震輸入能量;而當(dāng)遭遇更高地震烈度，建筑物面臨的承載力驟然增加時(shí)，利用贅余桿件的破壞和退出工作，以此來吸收和耗散地震能量，最終確保結(jié)構(gòu)從一種穩(wěn)定體系過度到仍然穩(wěn)定的另一種體系。

4 結(jié)束語

通過上文的分析不難看出，隨著人們對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震要求的不斷提高，如何進(jìn)一步完善現(xiàn)有的鋼結(jié)構(gòu)抗震結(jié)構(gòu)體系，并根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，改進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計(jì)方法，已經(jīng)成為了當(dāng)前工作的重要內(nèi)容。而通過本文對(duì)鋼結(jié)構(gòu)抗震結(jié)構(gòu)體系的探討，進(jìn)一步加強(qiáng)了對(duì)其的認(rèn)識(shí)，有利于促進(jìn)我國(guó)建筑抗震的設(shè)計(jì)與發(fā)展。

［1］牛彬彬，陳石，殷少雄.關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)抗震存在的問題及建議［J］.中國(guó)建材科技，2015，02:289 -290.

［2］陳影.略談鋼結(jié)構(gòu)防腐工作心得體會(huì)［J］.科技風(fēng)，2015，07:11.

［3］郭小政，陶錢貴.淺談鋼結(jié)構(gòu)抗震［J］.科技與企業(yè)，2015，04:136 +138.

［4］李宗翱.淺談砌體結(jié)構(gòu)抗震方法［J］.科技致富向?qū)В?015，05:114+197.