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門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)抗震問(wèn)題淺談

作者:蔡益燕    
時(shí)間:2011-08-05 16:07:08 [收藏]
對(duì)門(mén)式剛架輕鋼房屋的抗震設(shè)計(jì),提出幾點(diǎn)思考和判別淺議。對(duì)帶夾層的輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋,探討了可能采用的抗震設(shè)計(jì)方法。
    關(guān)鍵詞:門(mén)式剛架輕型房屋 鋼結(jié)構(gòu) 抗震 夾層
    門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的受力性能有很多特點(diǎn),對(duì)它的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)如何對(duì)待,《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010未作規(guī)定,設(shè)計(jì)人員和學(xué)者表示關(guān)切,個(gè)別讀者曾認(rèn)為沒(méi)有規(guī)定,問(wèn)題很大,影響了結(jié)構(gòu)的安全。本文對(duì)此作初步探討,意在拋磚引玉。
    在MBMA《低層房屋建筑體系手冊(cè)》1996中提到,“金屬房屋建筑體系因?yàn)樽灾剌p,設(shè)計(jì)一般不受地震力控制。過(guò)去的震害調(diào)查表明,金屬房屋體系的性能比其它結(jié)構(gòu)形式好得多“。因?yàn)椴捎眠@種建筑體系的項(xiàng)目,其與埸地土壤剖面有關(guān)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)往往不全,按ASCE 7-95的第D類(lèi)?ài)兀▌傂酝寥溃┻M(jìn)行地震力計(jì)算”。
    影響輕鋼房屋抗震設(shè)計(jì)的有利因素較多:
    1)屋面結(jié)構(gòu)自重很輕,即使在強(qiáng)震下產(chǎn)生的地震作用也是較小的。
    2)結(jié)構(gòu)位移不受?chē)o(hù)結(jié)構(gòu)限制,柱頂?shù)奈灰葡拗禐橹叩?/60。
    3)實(shí)測(cè)柱頂位移總是比計(jì)算值小很多。因?yàn)槊姘宓拿善ぷ饔煤徒Y(jié)構(gòu)的空間作用都未考慮;MBMA手冊(cè)和國(guó)內(nèi)的課題研究都確認(rèn)此事實(shí)。國(guó)內(nèi)課題研究表明,實(shí)測(cè)位移只有計(jì)算值的一半左右。
    4)結(jié)構(gòu)有極好的延性,梁柱構(gòu)件采用的端板連接是半剛性的,剛架橫梁有較好的耗能能力。
    5)汶川大地震后,鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)人員在震害波及地區(qū)作了全面考察,也未見(jiàn)這種房屋倒塌。
    6)MBMA抗震導(dǎo)則規(guī)定,R=3時(shí)不需作抗震計(jì)算,R是與結(jié)構(gòu)延性有關(guān)的系數(shù)??拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范(2010)規(guī)定,0.15g以下不需作抗震計(jì)算。
    7)美國(guó)MBMA出版了《金屬房屋體系抗震設(shè)計(jì)導(dǎo)則》,我們查閱有關(guān)資料,發(fā)現(xiàn)抗震設(shè)計(jì)時(shí)的柱頂位移限值建議取柱高的1/80,這個(gè)數(shù)值還達(dá)不到設(shè)計(jì)位移限值,看來(lái)二階分析的意義也不大。CECS102規(guī)定不考慮風(fēng)荷載和地震同時(shí)作用,但對(duì)最小設(shè)計(jì)風(fēng)壓應(yīng)有規(guī)定。在考慮風(fēng)荷載最小允許值時(shí),美國(guó)ASCE7-05規(guī)定主要抗風(fēng)結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載不得小于0.48 kN/m2(10lb/ft2),構(gòu)件和面板在任一方向的風(fēng)載也應(yīng)滿足此值。規(guī)定設(shè)計(jì)最小風(fēng)壓也有利于減少這種結(jié)構(gòu)的風(fēng)災(zāi)。地震作用是重力荷載代表值引起的,分析時(shí),剛架地震作用應(yīng)分別作用于剛架兩端而不是完全作用在一端。對(duì)于符合抗震設(shè)計(jì)要求的結(jié)構(gòu),傳遞風(fēng)力的縱向構(gòu)件,包括剛性系桿、檁條兼作的系桿等及其連接,也應(yīng)檢驗(yàn)是否滿足抗震設(shè)計(jì)要求,抗震要考慮地震作用來(lái)自各個(gè)方向。在構(gòu)造設(shè)計(jì)方面,柱間支撐、支撐連接、柱腳設(shè)計(jì)和夾層設(shè)計(jì)等部位應(yīng)該是重點(diǎn),應(yīng)采取加強(qiáng)的構(gòu)造措施。對(duì)于地震控制的桿件,其截面的板件寬厚比限值和長(zhǎng)系比限值宜適當(dāng)調(diào)整,但不宜統(tǒng)一規(guī)定限值,宜根據(jù)具體情況適當(dāng)處理,以免不必要地增加結(jié)構(gòu)用鋼量。
    目前我國(guó)只有因雪災(zāi)和風(fēng)災(zāi)引起嚴(yán)重破壞或倒塌的例子,以及因施工不當(dāng)引起倒塌的例子,還沒(méi)有因震害造成倒塌的實(shí)例。MBMA規(guī)定的金屬房屋體系,其自重和荷載均大于我國(guó)規(guī)定。對(duì)我國(guó)常用跨度的門(mén)式剛架輕鋼房屋,抗震設(shè)計(jì)至少不是迫切問(wèn)題。但少數(shù)門(mén)式剛架的跨度和構(gòu)件截面較大,我國(guó)已經(jīng)有72米跨的機(jī)庫(kù)和糧庫(kù)采用這種結(jié)構(gòu)體系,對(duì)于這類(lèi)大型重要建筑,構(gòu)件和結(jié)構(gòu)自重較大,考慮抗震安全應(yīng)該是必要的,應(yīng)采取必要的重要性系數(shù)。MBMA的抗震設(shè)計(jì)導(dǎo)則重點(diǎn),似乎放在帶夾層房屋的抗震設(shè)計(jì)。
    抗震規(guī)范-2010版的9.2節(jié)列入了單層鋼結(jié)構(gòu)廠房, 在條文說(shuō)明中指出,:“單層鋼結(jié)構(gòu)廠房在地震中破壞較輕,但也有損壞或坍塌的.因此,單層鋼結(jié)構(gòu)廠房進(jìn)行抗震設(shè)防是必要的。本次修訂仍不包括輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房。”也就是說(shuō),新抗規(guī)它的抗震未提出規(guī)定。
    關(guān)于是否需要抗震,我個(gè)人認(rèn)為,可提供幾點(diǎn)判別:
    1)抗震規(guī)范-2010將7度0.15g及以上列為強(qiáng)震,低于0.15g可以放寬。為了和抗規(guī)協(xié)調(diào),7度0.15g及以上還是要進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的。
    2)陳紹蕃老師作為抗震規(guī)范-2001編制組的顧問(wèn),曾對(duì)廠房鋼結(jié)構(gòu)的抗震提過(guò)如下意見(jiàn):廠房鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是,有的受地震控制有的不受地震控制,當(dāng)不受地震控制時(shí),可不考慮抗震。此建議對(duì)門(mén)式剛架是適用的。
    3)修訂中的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》列入了抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容,廠房結(jié)構(gòu)組的修訂草案建議,鋼結(jié)構(gòu)廠房采用輕型屋面和墻面時(shí),地震作用效應(yīng)不大,建用二倍多遇地震組合進(jìn)行一階分析,取代二階分析等抗震驗(yàn)算,并采取適當(dāng)?shù)目拐饦?gòu)造措施。此建議可供門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計(jì)參考。
    4)對(duì)于大跨度重要設(shè)施,宜考慮抗震要求。
    關(guān)于夾層設(shè)計(jì),由自重引起的內(nèi)力當(dāng)然必需考慮。在抗震方面,首先應(yīng)確定是否要考慮抗震。輕質(zhì)材料樓板和木樓蓋不需考慮抗震,混凝土樓板要考慮抗震。選用什么方法?美國(guó)抗震導(dǎo)則提供兩個(gè)辦法:
    一考慮夾層引起的扭矩,對(duì)房屋進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析;
    —或?qū)A層用防震縫隔開(kāi),使主體結(jié)構(gòu)在地震時(shí)不受夾層的影響。抗震規(guī)范規(guī)定,對(duì)砼結(jié)構(gòu)防震縫寬50~70mm,對(duì)鋼結(jié)構(gòu)未提出具體規(guī)定。
    第一種方法計(jì)算太繁,缺乏實(shí)用性。第二種方法理論上容易,但做起來(lái)不容易。
    有專家建議,可在夾層周邊兩個(gè)方向設(shè)置較強(qiáng)支撐,使夾層產(chǎn)生的地震力可由其周邊支撐承受。至于夾層在房屋結(jié)構(gòu)中引起的地震力,因?yàn)樵O(shè)計(jì)不考慮地震作用和最大風(fēng)荷載同時(shí)出現(xiàn),可予忽略。此法最簡(jiǎn)便,也可考慮。
     
                               參考文獻(xiàn)
    [1]MBMA,Metal Building Systems Manual,2002
    [2]MBMA Seismic Design Guide for Metal Building Systems,based on the 2000 IBC,
    By Backman/ Drake/ Johnson/ Murray,
    [3]《Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures》ASCE 7-05
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