汶川地震与钢结构在地震区的应用

1、四川汶川地震 震后的映秀镇航拍 秀 水 镇 民 兴 中 学 砌体结构砌体结构 砌体结构砌体结构 土门镇中学 漩口中学某教学楼 钢筋混凝土框架钢筋混凝土框架 都江堰某公共建筑框架结都江堰某公共建筑框架结 构局部垮塌构局部垮塌 南坝镇南坝镇-强梁弱柱导致柱顶强梁弱柱导致柱顶 产生塑性铰产生塑性铰 钢筋混凝土框架钢筋混凝土框架 砖木结构砖木结构 土门镇麓棠村小学 砖木结构砖木结构 绵竹供星镇一农居 都江堰九洲体育馆都江堰九洲体育馆 o震害很轻，主要发生在维护结构震害很轻，主要发生在维护结构 江油体育馆（屋顶）江油体育馆（屋顶） 钢结构钢结构 钢结构抗震的优越性钢结构抗震的优越性 o 钢结构重量轻钢结

2、构重量轻 o 钢结构延性好钢结构延性好 o 钢结构滞回特性好钢结构滞回特性好 钢结构钢结构重量轻重量轻 强度强度： 钢材强度：钢材强度：Q235Q235Q420Q420 混凝土强度：混凝土强度：C20C20C60C60 钢材强度约是混凝土强度的钢材强度约是混凝土强度的8 8倍。倍。 密度密度： 钢材密度：钢材密度：7850kg/m37850kg/m3 混凝土密度：混凝土密度：2450kg/m32450kg/m3 钢材密度约是混凝土密度的钢材密度约是混凝土密度的3.23.2倍。倍。 钢结构钢结构重量轻重量轻 截面特性截面特性： 钢构件钢构件 混凝土构件混凝土构件 钢构件截面利用率高于混凝土构件钢

3、构件截面利用率高于混凝土构件 钢结构自重=（1/23/5）混凝土结构自重 钢结构地震作用相对小钢结构地震作用相对小 GF 钢结构钢结构重量轻重量轻 钢结构钢结构延性好延性好 应力应力 应变应变 伸长率伸长率2020 混凝土应力应变关系混凝土应力应变关系 抗压强度对应应变： 0.2% 钢结构钢结构延性好延性好 利用结构延性抵抗地震作用，钢结构利用结构延性抵抗地震作用，钢结构 的承载力可减小。的承载力可减小。 钢结构钢结构延性好延性好 12 1 Pe 弹性承载力要求弹性承载力要求 Py 弹塑性承载力要求弹塑性承载力要求 (mm) 604020406020 P(kN) 600 600 P P (a)

4、梁 (b)柱 (mm) -20-1010200 10 -10 P N (mm) 604020406020 P(kN) 600 600 P P (a)梁 (b)柱 (mm) -20-1010200 10 -10 P N V V V (d)节点域 （a）梁 几种钢构件的滞回曲线几种钢构件的滞回曲线 钢结构钢结构滞回特性好滞回特性好 几种典型的钢筋混凝土构件的滞回曲线几种典型的钢筋混凝土构件的滞回曲线 P 骨架曲线 (a)受弯构件 P o A (b)压弯构件 o M N P 骨架曲线 A (c)剪力墙 P P A 骨架曲线 结构地震输入能量的消耗结构地震输入能量的消耗 outin EE 结构滞回性能

5、越好，结构地震反应越小。结构滞回性能越好，结构地震反应越小。 V V V (d)节点域 哈哈 哈哈 dtmvEin 2 2 1 pyout uFE 钢结构钢结构滞回特性好滞回特性好 钢结构震害钢结构震害小小 总体来说，在同等场地、烈度条件下，钢结构房屋的总体来说，在同等场地、烈度条件下，钢结构房屋的 震害较钢筋混凝土结构房屋的震害要小震害较钢筋混凝土结构房屋的震害要小 19851985年墨西哥城年墨西哥城8.18.1级地震中不同建筑的破坏情况级地震中不同建筑的破坏情况 建造年份建造年份 钢结构钢结构钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构 倒塌倒塌 严重严重 破坏破坏 倒塌倒塌 严重严重 破坏破坏 195

6、7年以前年以前712716 19571976年年315123 1976年以后年以后0046 钢结构在地震区的应用钢结构在地震区的应用 o 日本日本 o 台湾地区台湾地区 日本结构形式比例日本结构形式比例 位于震中央位于震中央 的台中县雾峰的台中县雾峰 乡光复国中教乡光复国中教 室倒塌毁坏室倒塌毁坏 台湾集集大地震台湾集集大地震 19991999年年9 9月月2121日日 中寮国小(SRC) 台湾在集集地震后采用钢结构建造了许多学校台湾在集集地震后采用钢结构建造了许多学校 乾峰国小（钢结构） 乾峰国小-完工后 钢结构在地震中的破坏钢结构在地震中的破坏 o 梁柱节点连接破坏梁柱节点连接破坏 o 支

7、撑破坏支撑破坏 一、一、梁柱连接破坏梁柱连接破坏 图图 美国美国NorthridgeNorthridge地震地震 日本阪神地震日本阪神地震 地震下刚性连接节点脆性破坏地震下刚性连接节点脆性破坏 返回 二、二、支撑破坏支撑破坏 支撑压屈支撑压屈 新型抗震钢结构新型抗震钢结构 o 半刚性连接钢结构半刚性连接钢结构 o 屈曲约束支撑与屈曲约束组合墙屈曲约束支撑与屈曲约束组合墙 组合节点组合节点 连接（Connection） 节点（Joint）节点区（Nodal Zone） 柱节点域腹板 (Panel Zone) p b t p p p ep e e e b ememe p eph bh se se

8、sese 半刚性连接钢结构半刚性连接钢结构 p M + 铰接 半刚接半刚接 刚接 铰接 q 2 8 L Mp q 2 8 L L 8 2 q 刚接 qqq 均布荷载作用下不同端部约束梁的内力与组合梁承载力 pp MM 结构形式 梁尺寸 柱尺寸 钢材用钢量(kg) 比较 铰接钢框架 HN450 x200 x9x14 HW200 x200 x8x12 4938 1.04 刚接钢框架 HN400 x150 x8x13 HW250 x250 x9x14 4756 1.00 半刚性连接钢框架 HN400 x150 x8x13 HW200 x200 x8x12 4047 0.85 铰接组合框架 HN350

9、 x175x7x11 HW200 x200 x8x12 3794 0.80 刚接组合框架 HN300 x150 x6.5x9 HW250 x250 x9x14 3956 0.83 半刚性连接组合框架 HN300 x150 x6.5x9 HW200 x200 x8x12 3247 0.68 三层两跨框架的经济性比较 组合节点的试验模型组合节点的试验模型 试验装置图试验装置图 P 连接弯矩转角关系曲线连接弯矩转角关系曲线 -80-60-40-20020406080100 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 CJ3 Left Connection

10、M（kN.m） (mRad) -60-40-20020406080 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 CJ4 Right Connection M（kN.m） (mRad) a 0.06rad 规范要求：0.04rad 节点延性破坏节点延性破坏 l 普通支撑的缺点：由于支撑受压屈曲，支撑的滞回普通支撑的缺点：由于支撑受压屈曲，支撑的滞回 耗能性能较差耗能性能较差 支撑屈曲 支撑滞回曲线 屈曲约束支撑屈曲约束支撑 屈曲约束支撑屈曲约束支撑 屈曲约束支撑构件组成示意图 通过外加套通过外加套 筒，约束支撑筒，约束支撑 不发生屈曲。不发生屈曲。 屈

11、曲约束支撑的优点屈曲约束支撑的优点 屈曲约束支撑与普通支撑滞回 曲线的对比 l 滞回耗能性滞回耗能性 能优越能优越 l 小震下像普小震下像普 通支撑工作，通支撑工作， 大震下像耗能大震下像耗能 构件工作构件工作 1995年神户地震后，屈曲约束支撑结构在年神户地震后，屈曲约束支撑结构在 日本被大量使用。日本被大量使用。1994年北岭地震后，美国也年北岭地震后，美国也 开始接受这种结构。目前日本已有开始接受这种结构。目前日本已有400余栋建筑、余栋建筑、 台湾地区已在各种建筑采用了约台湾地区已在各种建筑采用了约1万根屈曲约束万根屈曲约束 支撑。支撑。 国内外应用情况国内外应用情况 新日铁开发的屈曲

12、约束支撑应用实例 （a）立面 （b）连接节点 国内外应用情况国内外应用情况 目前存在的问题目前存在的问题 1、产品标准问题、产品标准问题 国内尚无屈曲约束支撑产品标准。 2、产品国产化问题、产品国产化问题 目前在国内外工程中应用的屈曲约束 支撑主要为境外厂家产品。 TJI型屈曲约束支撑的设计与构造型屈曲约束支撑的设计与构造 TJI型屈曲约束支撑的技术特点型屈曲约束支撑的技术特点 1、组成形式 套筒与芯板之间无填充材料。 2、芯板用材 芯板用材可以选用国产低碳钢Q235/Q195和国产低屈 服点钢（fy225N/mm2）。 加载制度加载制度 加载制度 TJI型屈曲约束支撑试验型屈曲约束支撑试验

13、采用位移控制， 依次以1/300、1/200、 1/150、1/100、1/80 支撑长度（L）的变 形往复加载，每个 变形幅值循环加载3 次。 1/300 1/200 1/100 -1/300 -1/200 -1/100 L/L TJI型屈曲约束支撑性能试验型屈曲约束支撑性能试验 与国外屈曲约束支撑综合对比与国外屈曲约束支撑综合对比 1、性能相当性能相当 2 2、价格便宜、价格便宜1/21/2以上以上 3 3、供货周期缩短约一半、供货周期缩短约一半 日本新日铁支撑 TJI型(Q195)支撑 上海世博中心上海世博中心 TJI型屈曲约束支撑的应用型屈曲约束支撑的应用 屈曲约束钢板墙研究屈曲约束钢

14、板墙研究 钢板钢板 试件 组合板 高宽比2:1 组合板 高宽比3:1 组合板 高宽比4:1 纯钢板 高宽比3:1 钢板开椭圆孔，混凝 土板和钢板可以产生 相对位移，避免在大 位移时混凝土碎裂， 保证对钢板的屈曲约 束作用 试验架 带混凝土板的钢板 剪力墙 试验框架和反力架 刚加载就有屈曲最终屈曲情况 纯钢板墙试验纯钢板墙试验 捏拢现象严重 照片 试验前混凝土板试验前混凝土板试验结束后混凝土板试验结束后混凝土板 没有捏拢现象 弯曲杆 下板带 中板带 上板带 图1 典型开缝钢板剪力墙示意图 fig.1 Typical steel plate shear wall with slits t B s

15、高强螺栓 加劲肋 n m b l h 鱼尾板 柱 梁 弯曲杆的 宽厚比 b/t 高宽比 l/b 钢板钢板 开缝钢板组合墙 开缝钢板组合墙 b/t = 37.5 l/b = 3 b/t = 45 l/b = 3 我国抗震规范对采用钢结构不利我国抗震规范对采用钢结构不利 o 重视小震阶段设计重视小震阶段设计 o 轻视结构体系延性要求轻视结构体系延性要求 地震烈度的随机性地震烈度的随机性 我国现行建筑抗震设计规范（我国现行建筑抗震设计规范（2001） o采用采用“小震不坏、中震可修、大震不倒小震不坏、中震可修、大震不倒”的设的设 计原则计原则 o“小震不坏小震不坏”进行构件承载力与结构变形验进行构件

16、承载力与结构变形验 算算 o“中震可修中震可修”无定量要求无定量要求 o“大震不倒大震不倒”要求不高，执行不严要求不高，执行不严 o 计算小震地震作用所取计算小震地震作用所取阻尼比阻尼比 混凝土结构混凝土结构 1212层钢结构层钢结构 1212层钢结构层钢结构 05. 0 035. 0 02. 0 钢结构与混凝土结构地震作用比值 平均值 12层 1.126 1.0871.107 12层 1.319 1.2151.267 g TT 0 . 15 g TT g TT50 . 1 几点建议几点建议 o 抗震计算与设计的重点宜放在基本烈度或抗震计算与设计的重点宜放在基本烈度或 大震烈度上，而非小震烈度

17、大震烈度上，而非小震烈度 n美国美国大震大震(50年年2%)的的2/3 n欧洲欧洲中震中震50年年 10% n日本日本二阶段：中震弹性，大震延性二阶段：中震弹性，大震延性 各国抗震规范结构影响系数各国抗震规范结构影响系数(1/R)(1/R)相对值相对值 o 结构承载力验算基于基本烈度（中震可修）结构承载力验算基于基本烈度（中震可修） 12 1 Pe 弹性承载力要求弹性承载力要求 Py 弹塑性承载力要求弹塑性承载力要求 o 应强化各类建筑在大震下的防倒塌验算应强化各类建筑在大震下的防倒塌验算 与设计与设计。 谢谢！ 混凝土应力应变关系混凝土应力应变关系 抗压强度对应应变： 0.2% 钢结构钢结构延性好延性好 位于震中央位于震中央 的台中县雾峰的台中县雾峰 乡光复国中教乡光复国中教 室倒塌毁坏室倒塌毁坏 台湾集集大地震台湾集集大地震 19991999年年9 9月月2121日日 p M + 铰接 半刚接半刚接 刚接 铰接 q 2 8 L Mp q 2 8 L L 8 2 q 刚接 qqq 均布荷载作用下不同端部约束梁的内力与组合梁承载力 pp MM 新日铁开发的屈曲约束