高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程的重大地震災(zāi)害分析

高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程的重大地震災(zāi)害分析

0我國(guó)高層鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀jgj9-98年完成了《民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱“高鋼規(guī)程”），并于1987年完成。由于中國(guó)缺乏項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，該條例在專家的初步審查后進(jìn)行了多次修訂，并于1998年公布。從98版編制到目前進(jìn)行首次修訂,已經(jīng)過(guò)去10多年,在此期間,1994—1995年美國(guó)和日本先后發(fā)生了北嶺大地震和神戶大地震,這兩次地震都對(duì)鋼框架造成嚴(yán)重破壞。震后,兩國(guó)都開(kāi)展了大規(guī)模研究并出臺(tái)了相應(yīng)新規(guī)定,給建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)以強(qiáng)力推動(dòng),也促進(jìn)了我國(guó)高層鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的發(fā)展。2008年的汶川大地震,造成了人民生命財(cái)產(chǎn)的重大損失。由于該區(qū)鋼結(jié)構(gòu)不多,沒(méi)有高層鋼結(jié)構(gòu),少數(shù)廠房和公共建筑鋼結(jié)構(gòu)雖有破壞,但破壞僅出現(xiàn)在支撐,沒(méi)有造成房屋倒塌。雖然對(duì)《高鋼規(guī)程》沒(méi)有提出重大的改進(jìn)意見(jiàn),但對(duì)房屋抗震設(shè)計(jì)總體要求有所提升,也推動(dòng)了鋼結(jié)構(gòu)在某些方面的加強(qiáng)。例如,對(duì)鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)的框架剪力分擔(dān)率提出了改進(jìn)建議,較原規(guī)定有所提高。1梁柱連接在設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用及發(fā)展(1)1994年和1995年美國(guó)、日本發(fā)生的鋼結(jié)構(gòu)震害,主要是框架梁柱連接焊接孔的斷裂。焊接孔是為梁翼緣全熔透焊縫通過(guò)而設(shè)置的,美國(guó)稱為通過(guò)孔(accesshole),日本稱為扇形切角,本文用我國(guó)習(xí)用名稱。該孔與梁柱連接處存在應(yīng)力集中,首先表現(xiàn)在襯板與柱的界面存在的實(shí)際人工縫,成為引發(fā)裂縫的源頭;其次孔端與構(gòu)件的夾角較大引起垂直于板邊的應(yīng)力分量,地震時(shí)極易引發(fā)裂縫。參考日本1996年對(duì)該構(gòu)造的修改建議,GB50011—2001《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中結(jié)合我國(guó)情況,對(duì)框架梁的上翼緣規(guī)定了用復(fù)合圓弧形的焊接孔型,下翼緣用角焊縫封閉襯板邊緣。美國(guó)近年將梁翼緣與柱、梁腹板與柱、剪力板與柱、框架柱拼接這四條連接焊縫規(guī)定為關(guān)鍵性焊縫。日本對(duì)梁與柱連接焊縫要求采用氣體保護(hù)焊,并對(duì)梁下翼緣焊接孔孔形作了相應(yīng)修改,對(duì)梁上翼緣連接再次強(qiáng)調(diào)可采用無(wú)焊接孔工法,這些建議結(jié)合我國(guó)情況已適當(dāng)采用,將有助于減少焊接孔應(yīng)力集中和焊縫質(zhì)量問(wèn)題引起的破壞。(2)我國(guó)框架梁柱連接節(jié)點(diǎn)主要采用柱貫通型,在梁翼緣的對(duì)應(yīng)位置設(shè)加勁肋(連續(xù)板)或內(nèi)隔板,內(nèi)隔板采用電渣焊。由于對(duì)采用電渣焊時(shí)的箱形柱壁板最小厚度未作規(guī)定,有些工程在柱壁板厚度為14mm或小于14mm時(shí)也采用電渣焊,不但給制作帶來(lái)困難,對(duì)結(jié)構(gòu)受力也極為不利。日本除電渣焊的內(nèi)隔板外,還廣泛采用冷成型柱和梁貫通型連接。梁貫通型連接制作較費(fèi)工,我國(guó)冷成型柱專業(yè)化生產(chǎn)廠很少(過(guò)去也未將此種柱列入技術(shù)規(guī)程),在這方面和日本目前的差距較大。規(guī)程修訂稿規(guī)定內(nèi)隔板采用電渣焊時(shí)厚度今后不得小于16mm,并列入梁貫通型連接的構(gòu)造要求,也提出小截面箱形柱時(shí)的實(shí)用構(gòu)造方法,將對(duì)此種連接的應(yīng)用起推動(dòng)作用,使設(shè)計(jì)更趨合理。(3)美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)強(qiáng)震區(qū)的框架梁柱連接,目前已普遍采用考慮塑性鉸從柱面外移的連接形式,不同國(guó)家采用的形式不盡相同。我國(guó)規(guī)程修訂稿對(duì)強(qiáng)震區(qū)鋼框架,推薦采用翼緣加寬、蓋板式、翼緣板式等形式,也列入了骨式(dog-bone)連接,供設(shè)計(jì)人員選用。國(guó)內(nèi)不同單位的試驗(yàn)表明,這些連接形式對(duì)減輕或避免在地震作用下的梁柱連接損壞有明顯作用,今后在高烈度地區(qū)將推廣應(yīng)用。(4)梁柱連接的設(shè)計(jì)原則是“強(qiáng)連接,弱構(gòu)件”,即連接的最大承載力大于構(gòu)件的全截面屈服承載力,保證結(jié)構(gòu)大震時(shí)不倒。國(guó)外最早將連接系數(shù)稱為安全系數(shù),我國(guó)第一版《高鋼規(guī)程》也參照此理念做出了規(guī)定。但連接系數(shù)的影響因素很多,包括鋼材類別、屈服強(qiáng)度、超強(qiáng)系數(shù)、應(yīng)變硬化系數(shù)、連接類別(焊接、螺栓連接)、連接的部位、對(duì)塑性發(fā)展的要求等,連接系數(shù)提高了實(shí)施困難,都降低了安全性。國(guó)外目前對(duì)連接系數(shù)規(guī)定細(xì)化,對(duì)不同條件分別采用不同數(shù)值的規(guī)定,但在表達(dá)上又盡量簡(jiǎn)化,日本新規(guī)定在這方面成效明顯?？傮w上,連接系數(shù)對(duì)梁柱連接要求最高,對(duì)支撐連接、構(gòu)件拼接等相對(duì)要低些;隨鋼材冶煉方法的改進(jìn)和強(qiáng)度的增高而降低(與超強(qiáng)系數(shù)降低有關(guān));高強(qiáng)螺栓連接的連接系數(shù)高于焊縫連接(因螺栓的強(qiáng)屈比較低)。我國(guó)過(guò)去對(duì)連接系數(shù),除偏于籠統(tǒng)外,還對(duì)梁柱連接要求過(guò)高,使得梁的承載能力不能充分發(fā)揮,這次修訂對(duì)此也作了相應(yīng)修改。(5)美國(guó)日本對(duì)高強(qiáng)螺栓群連接計(jì)算的破壞模式,在震后都進(jìn)行了重要補(bǔ)充。過(guò)去只考慮螺栓受剪和板件承壓兩種破壞模式,這實(shí)際上僅是單個(gè)螺栓連接的破壞模式。對(duì)于螺栓群連接破壞,有更多的破壞模式。這次修訂,補(bǔ)充整塊剪壞(blockshear)的模式,包括板邊撕脫、連接中部的板件撕脫和單列螺栓沿中心線擠穿等。在GB50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中涉及板邊撕脫破壞形式,但對(duì)其它兩種形式未提及。在《高鋼規(guī)程》修訂稿中列入了這些破壞模式及其簡(jiǎn)化計(jì)算方法,將使我國(guó)高強(qiáng)螺栓連接的設(shè)計(jì)更符合實(shí)際情況,也更加安全。(6)日本對(duì)鋼框架梁、柱連接的計(jì)算方法進(jìn)行了深入研究,作了較大改進(jìn),解決了國(guó)際上長(zhǎng)期未能解決的梁腹板與箱形柱壁板連接的受彎計(jì)算難題。鋼框架的梁、柱連接設(shè)計(jì)中,沿用彎矩由翼緣連接承受和剪力由腹板連接承受的所謂常規(guī)設(shè)計(jì)法,但翼緣連接不能承受全部彎矩時(shí),受彎連接難以定量計(jì)算。梁腹板連接之所以不能受彎,工形柱時(shí)是可以的,但箱形柱時(shí)由于壁板平面外變形無(wú)法承受彎矩,當(dāng)梁翼緣連接抗彎能力不足時(shí)只能依靠腹板連接的構(gòu)造措施解決,或者多用螺栓,或者添加焊縫。研究表明:在彎矩作用下橫隔板附近的柱壁板在一定高度范圍內(nèi)可以承受彎矩,在此基礎(chǔ)上可以將梁腹板的連接劃分為受彎區(qū)和受剪區(qū),使箱形柱腹板連接的受彎計(jì)算得到妥善解決,圓管柱時(shí)也可用類似思路解決。試驗(yàn)研究表明:按該法進(jìn)行連接設(shè)計(jì)是偏于安全的。這項(xiàng)研究提供的合理的計(jì)算方法,可確保連接安全,對(duì)各國(guó)有普遍參考價(jià)值。2無(wú)粘結(jié)支撐設(shè)計(jì)我國(guó)自主研發(fā)的高層建筑用鋼板,已在一系列大型鋼結(jié)構(gòu)工程中采用,鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能優(yōu)越,能滿足抗震的各項(xiàng)指標(biāo)。根據(jù)對(duì)其樣品的可靠度分析,Q345GJ鋼材的抗力分項(xiàng)系數(shù)高于同型號(hào)普通低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的系數(shù),較好地解決了我國(guó)建筑鋼材國(guó)產(chǎn)化的問(wèn)題?？拐鹨?guī)范修訂稿對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的阻尼比作了較大修改,結(jié)合工程應(yīng)用的實(shí)際情況,提出高度50m以下時(shí)取0.04,50～200m時(shí)取0.03,大于200m時(shí)取0.02的規(guī)定。對(duì)于鋼框架結(jié)構(gòu)的層間位移角限值,專家建議將現(xiàn)在的1/300改為1/250,有利于更好利用鋼結(jié)構(gòu)延性和節(jié)約鋼材。現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)JGJ99—98曾參考1988美國(guó)加州規(guī)范擬定,其中規(guī)定自振周期大于0.7s的結(jié)構(gòu),彈性階段的層間位移角限值可取1/250,高層鋼結(jié)構(gòu)符合此要求,這次修訂取得了一致意見(jiàn)。美國(guó)ANSI/AISC341對(duì)中心支撐的內(nèi)力增大系數(shù)作了修改。單斜桿支撐和交叉支撐系數(shù)取1.3,早在97年的規(guī)定中未列出;人字和V形支撐的系數(shù)1.5,97年規(guī)定即已指出,支撐承載力不是單純由受壓支撐控制,而是由受壓和受拉支撐的豎向分量的合力控制的,ANSI/AISC341-05新標(biāo)準(zhǔn)中已將該系數(shù)取消,《高鋼規(guī)程》修訂稿作了相應(yīng)修改。在延性支撐和墻板方面,對(duì)鋼板剪力墻的設(shè)計(jì)規(guī)定作了更新,可望更好地推廣應(yīng)用;補(bǔ)充了輕型帶縫鋼板剪力墻的設(shè)計(jì)規(guī)定,可在多層鋼結(jié)構(gòu)住宅中采用;將內(nèi)置鋼板支撐剪力墻板更新為無(wú)粘結(jié)內(nèi)置鋼板支撐剪力墻,在專題研究的基礎(chǔ)上重新擬定了設(shè)計(jì)規(guī)定。這些墻板可按等效支撐或等效板組合用于框架結(jié)構(gòu)中,進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析。國(guó)外近年興起的無(wú)粘結(jié)支撐研究和應(yīng)用熱潮,對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)抗震性能的提高,作出了重大貢獻(xiàn)。該支撐將采用低屈服點(diǎn)鋼材或低碳鋼制成的中心支撐置于剛性套管內(nèi),支撐與套管間僅有很小間隙,在二者的界面上設(shè)置無(wú)粘結(jié)材料。由于套管的約束作用,使支撐不發(fā)生整體屈曲,只能出現(xiàn)軸向拉伸和壓縮變形。通過(guò)軸向變形耗散能量,因此除用作抗震支撐外,還可用作耗能減振設(shè)計(jì)中的耗能元件。這種支撐由日本首創(chuàng),在美國(guó)、加拿大、臺(tái)灣、印度等地獲得推廣應(yīng)用。它避免了中心支撐屈曲致使承載力降低問(wèn)題,極大提高了支撐框架的安全性。在我國(guó)已用于少量多高層建筑,國(guó)內(nèi)除鋼套管外也有采用鋼筋混凝土套管,后者顯示了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。修訂中的我國(guó)抗震規(guī)范和《高鋼規(guī)程》均將其列入。日本對(duì)柱腳設(shè)計(jì)提出新規(guī)定,指出箱型柱柱腳埋深不得小于鋼柱截面高度的2.5倍,圓管柱的柱腳不得小于柱外徑的3.0倍。另外,明確提出外包式柱腳的抵抗彎矩由外包層中的主筋拉力和受壓區(qū)混凝土所受壓力提供,而不是通過(guò)栓釘受剪提供抵抗矩。除邊角柱外,不強(qiáng)調(diào)栓釘在中間柱的受力作用。3災(zāi)難場(chǎng)所的鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、延性好、抗震性能優(yōu)越、自重輕等一系列優(yōu)點(diǎn),據(jù)親臨汶川震災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的同行專家介紹,災(zāi)區(qū)各地未發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)房屋倒塌事例,相反,鋼結(jié)構(gòu)房屋都成了當(dāng)?shù)氐目拐鸱罏?zāi)避難場(chǎng)所,說(shuō)明鋼結(jié)構(gòu)有良好的抗震性能。國(guó)外在強(qiáng)震區(qū)的高層建筑主要采用鋼結(jié)構(gòu)。我國(guó)鋼材產(chǎn)量去年即已突破5億噸,