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民用建筑中高层钢构造抗震设计目前,钢构造普遍应用于各种类型的民用建筑中,在高层及超高层建筑中的应用则更为广泛同混凝土构造相比,钢构造具有韧性好、强度与重量比高的优点,具有优越的抗震性能;但是,如果钢构造房屋在构造设计、材料选用、施工制作和维护上出现问题则其优良的钢材特性将得不到充分的发挥,在地震作用下同样会造成构造的局面破坏或整体倒塌
一、高层建筑发展概括80年代,是我国高层建筑在设计计算及施工技术各方面迅速发展的阶段各大中城市普遍兴建高度在100m左右或100m以上的以钢筋为主的建筑,建筑层数和高度不断增加,功能和类型越来越复杂,构造体系日趋多样化比较有代表性的高层建筑有##锦江饭店,它是一座现代化的高级宾馆,总高
153.52m,全部采用框架一芯墙全钢构造体系,发展中心大厦43层高
165.3m,加上天线的高度共
185.3m,这是我国第一幢大型高层钢构造建筑进入90年代我国高层建筑的设计与施工技术进入了新的阶段不仅构造体系及建筑材料出现多样化而且在高度上长幅很大有一个飞跃—于1995年6月封顶的地王大厦,81层高,
385.95m为钢构造,它居目前世界建筑的第四位
二、高层钢构造震害现象及其原因分析钢构造被认为具有卓越的抗震性能,在历次的地震中,钢构造房屋的震害要小于钢筋混凝土构造房屋很少发生整体破坏或倒塌现象尽管如此,由于焊接、连接、冷加工等工艺技术以及外部环境的影响,钢材材料的优点将受到影响特别是因设计、施工以及维护不当,就很可能造成构造的破坏根据钢构造在历次地震中的破坏形态,可能破坏形式分为以下几类
1、构造倒塌构造倒塌是地震中构造破坏最严重的形式造成构造倒塌的主要原因是构造薄弱层的形成,而薄弱层的形成是由于构造楼层屈服强度系数和抗变4刚度沿高度分布不均匀造成的这就要求在设计过程中应尽量防止上述不利因素的出现
2、节点破坏节点破坏是地震中发生最多的一种破坏形式副性连接的构造构件一般采用钾接或焊接形式连接如果在节点的设计和施工中,构造及焊缝存在缺陷,节点区就可能出现应力集中、受力小均的现象,在地震中很容易出现连接破坏梁柱节点可能出现的破坏现象主要表现为钾接断裂,焊接部位位脱,加劲板断型、屈曲,腹板断裂、屈曲等
3、构件破坏在以往所有地震中,多高层建筑钢构造构件破坏的主要形式有支撑的破坏与失稳以及梁柱局部破坏两种1支撑的破坏与失稳当地震强度较大时,支撑承受反复拉压的轴向力作用,一旦压力超出支撑的屈曲临界力时,就会出现破坏或失稳2梁柱局部破坏对于框架柱,主要有翼缘屈曲、翼缝撕裂,甚至框架柱会出现水平裂缝或断裂破坏对于框架梁,主要有翼缘屈曲、腹板屈曲和开裂、扭转屈曲等破坏形态
4、根底锚固破坏钢构件与根底的锚固破坏主要表现为柱脚处的地脚螺栓脱开、混凝土破碎导致锚固失效、连接板断裂等,这种破坏形式曾发生多起,根据对上述钢构造房屋震害特征的分析可知,尽管钢构造抗震性能较好,但在历次的地震中,也会出现不同程度的震害究其原因,元素是和构造设计、构造构造、施工质量、材料质量、日常维护等有关,为了预防以上震害的出现,减轻震害带来的损失,多高层钢构造房屋抗震设计必须严格遵循有关规程开展
三、抗震设计基本要求
1、钢构造房屋构造类型常见的钢构造房屋的构造体系有框架构造、框架一支援构造、框架一抗震墙板构造、简体构造以及巨型框架构造等钢构造房屋的抗震性能的优劣取决于构造的选型,开展实际工程设计时,需要综合考虑多种因素开展方案的优化,在优化过程中确定其适宜的构造体系
2、钢构造房屋构造布置原则钢构造房屋的构造体系和构造布置的选择关系到构造的安全性、适用性和经济性和其他类型的建筑构造一样,多高层钢构造房屋应尽量采用规则的建筑方案当构造体型复杂、平立面特别不规则时,可按实际需要在适当部位设置防震续,从而形成多个较规则的抗侧力构造单元由于钢构造可耐受的构造变形大于混凝土构造,一般来说,不宜设抗震缝,必须设置时,抗震缝宽应不小于相应钢筋混凝土构造房屋的
1.5倍
3、钢构造房屋适用的最大高度和高宽比根据构造总体高度和抗震设防烈度确定构造类型和最大适用高度构造的高宽比是影响构造整体稳定性和抗震性能的重要参数,它对构造刚度、侧移和振动形式有直接影响高度比指房屋总高度与平面较小宽度之比高宽比值较大时,一方面使构造产生较大的水平位移及P一A效应,还由于倾覆力矩使柱产生很大的轴向力因此,需要对钢构造房屋的最大高宽比制定限值,不宜大于合理的限值,超过时应开展专门研究,采取必要的抗震措施抗震设计的一般方法钢材基本属于各向同性的均质材料,且质轻高强、延性好,是一种很适合于建筑抗震构造的材料,在地震作用下,高层钢构造房屋由于钢材材质均匀,强度易于保证,所以构造的可靠性大;轻质高强的特点使得钢构造房屋的自重轻,从而所受地震作用减小;良好的延性使构造在很大的变形下仍不致倒塌,从而保证构造在地震作用下的安全性但是,钢构造房屋如果设计和制造不当,在地震作用下,可能发生构件的失稳和材料的脆性破坏或连接破坏,使钢材的性能得不到充分发挥,造成灾难性后果因此高层钢构造房屋的抗震设计就显得非常重要和必要
1、建筑场地在选择建筑场地时,应根据工程需要,掌握地震活动情况和工程地质的有关资料,对建筑场地做出综合评价宜选择对建筑抗震有利的地段,如开阔平坦的坚硬场地土或密实均匀的干硬场地土等地段,避开对建筑抗震不利的地段,如软弱场地土、易液化土、条状突出的山嘴、高耸孤立的山丘,非岩质的陡坡、采空区、河岸和边坡边缘等地段
2、地基和根底为了防止建筑物不均匀沉降而导致构造产生裂隙、甚至倾斜,使构造构件过早进入塑性区,同一构造单元不应设置在性质截然不同的地基土上,不宜部分采用天然地基,部分采用桩基;地基有软弱粘性土、可液化土或严重不均匀土层时,应加强根底的整体性和刚性
3、平面和立面布置为了防止地震时建筑发生扭转和应力集中或塑性变形集中而形成薄弱环节,建筑平面、立面布置宜规则、对称,质量分布和刚度变化宜均匀但不设置抗震缝时,应采用与实际情况相符合的计算模型,设置抗震缝时,应将建筑物分割成规则的构造单元我国《抗震规范》对高层钢构造房屋的最大适用高度和钢构造房屋的最大高宽比都有规定
1、构造体系应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径;应有多道抗震设防防线,防止因部分构造或构件失效而导致整个体系丧失抗震能力或丧失对重力的承载能力;应具备必要的承载能力,良好的变形能力和耗能能力;应具有合理的刚度分布和承载力分布,防止因局部削弱或突变而形成薄弱部位,产生过大的应力集中或塑性变形集中,对可能出现的薄弱部位,应采取措施提高其承载能力
2、在抗震构造体系中,应使构造构件和连接部位具有良好的延性,防止脆性破坏,提高抗震构造的整体变形能力因此,钢构造构件应合理控制尺寸,防止局部失稳或整体失稳,如对梁翼缘和腹板的宽厚比和高厚比都作了明确规定此外,还应加强各构件之间的连接,以保证构造的整体性,抗震支承系统应保证地震作用时构造的稳定
3、对于女儿墙、围护墙、雨篷、封墙等非构造构件,应使其与主体构造有可靠地连接和锚固,防止地震时倒塌伤人,产生附加震害;围护墙、隔墙等与主体构造的连接,应防止设置不当而导致主体构造破坏;应防止吊顶塌落及悬吊较重的装饰物坠落,不可防止时应采取可靠措施
4、建筑物在强震作用下的表现,既是对抗震设计的检验,也是对施工质量的检验施工质量的好坏,直接影响钢构造房屋的抗震能力因此,抗震构造对材料和施工质量的特别要求,应在设计文件上注明建筑物的施工要特别注意符合图纸上合理的抗震要求,注意材料选择,确保施工质量随着人们对地震的不断认识,为防止出现严重的地震的严重灾害,造成财产损失和生命伤亡人们对高层钢构造房屋的抗震要求不断提高本文说明了设计人员开展高层钢构造房屋抗震设计时,应首先从概念设计着手,制定比较合理的设计方案等,确保房屋抗震设防目标的实现钢构造各种流程应注意的事项AH
(1)制作钢构造制作包括放样、号料、切割、校正等诸多环节高强度螺栓处理后的摩擦面,抗滑移系数应符合设计要求制作质量检验合格后开展除锈和涂装一般安装焊缝处留出3050mm暂不涂装〜
(2)焊接焊工必须经考试合格并取得合格证书,且必须在其考试合格项目及其认可范围内施焊焊缝施焊后须在工艺规定的焊缝及部位打上焊工钢印焊接材料与母材应匹配,全焊透的
一、二级焊缝应采用超声波探伤开展内部缺陷检验,超声波探伤不能对缺陷作出判断时,采用射线探伤施工单位首次采用的钢材、焊接材料、焊接方法等,开展焊接工艺评定
(3)运输运输钢构件时,要根据钢构件的长度和重量选用车辆钢构件在车辆上的支点、两端伸出的长度及绑扎方法均应保证构件不产生变形、不损伤涂层
(4)安装钢构造安装要按施工组织设计开展,安装程序须保证构造的稳定性和不导致永久性变形安装柱时,每节柱的定位轴线须从地面控制轴线直接引上钢构造的柱、梁、屋架等主要构件安装就位后,须立即开展校正、固定由工厂处理的构件摩擦面,安装前须复验抗滑移系数,合格后方可安装
(5)防火与防锈:1)钢构造防火性能较差当温度到达55(TC时,钢材的屈服强度大约降至正常温度时屈服强度的
0.7,构造即到达它的强度设计值而可能发生破坏设计时应根据有关防火规范的规定,使建筑构造能满足相应防火标准的要求在防火标准要求的时间内,应使钢构造的温度不超过临界温度,以保证构造正常承载能力2)外露的钢构造可能会受到大气,特别是被污染的大气的严重腐蚀,最普通的是生锈这就必须对构件的表面开展防腐蚀处理,以保证钢构造的正常使用防腐处理的方法根据构件表面条件及使用寿命的要求决定。