高层民用建筑钢结构技术规程的重大地震灾害分析

高层民用建筑钢结构技术规程的重大地震灾害分析

0我国高层钢结构抗震设计的现状jgj9-98年完成了《民用建筑钢结构技术规程》（以下简称“高钢规程”），并于1987年完成。由于中国缺乏项目经验，该条例在专家的初步审查后进行了多次修订，并于1998年公布。从98版编制到目前进行首次修订,已经过去10多年,在此期间,1994—1995年美国和日本先后发生了北岭大地震和神户大地震,这两次地震都对钢框架造成严重破坏。震后,两国都开展了大规模研究并出台了相应新规定,给建筑钢结构抗震设计以强力推动,也促进了我国高层钢结构抗震设计的发展。2008年的汶川大地震,造成了人民生命财产的重大损失。由于该区钢结构不多,没有高层钢结构,少数厂房和公共建筑钢结构虽有破坏,但破坏仅出现在支撑,没有造成房屋倒塌。虽然对《高钢规程》没有提出重大的改进意见,但对房屋抗震设计总体要求有所提升,也推动了钢结构在某些方面的加强。例如,对钢框架-混凝土核心筒结构的框架剪力分担率提出了改进建议,较原规定有所提高。1梁柱连接在设计方面的应用及发展(1)1994年和1995年美国、日本发生的钢结构震害,主要是框架梁柱连接焊接孔的断裂。焊接孔是为梁翼缘全熔透焊缝通过而设置的,美国称为通过孔(accesshole),日本称为扇形切角,本文用我国习用名称。该孔与梁柱连接处存在应力集中,首先表现在衬板与柱的界面存在的实际人工缝,成为引发裂缝的源头;其次孔端与构件的夹角较大引起垂直于板边的应力分量,地震时极易引发裂缝。参考日本1996年对该构造的修改建议,GB50011—2001《建筑抗震设计规范》中结合我国情况,对框架梁的上翼缘规定了用复合圆弧形的焊接孔型,下翼缘用角焊缝封闭衬板边缘。美国近年将梁翼缘与柱、梁腹板与柱、剪力板与柱、框架柱拼接这四条连接焊缝规定为关键性焊缝。日本对梁与柱连接焊缝要求采用气体保护焊,并对梁下翼缘焊接孔孔形作了相应修改,对梁上翼缘连接再次强调可采用无焊接孔工法,这些建议结合我国情况已适当采用,将有助于减少焊接孔应力集中和焊缝质量问题引起的破坏。(2)我国框架梁柱连接节点主要采用柱贯通型,在梁翼缘的对应位置设加劲肋(连续板)或内隔板,内隔板采用电渣焊。由于对采用电渣焊时的箱形柱壁板最小厚度未作规定,有些工程在柱壁板厚度为14mm或小于14mm时也采用电渣焊,不但给制作带来困难,对结构受力也极为不利。日本除电渣焊的内隔板外,还广泛采用冷成型柱和梁贯通型连接。梁贯通型连接制作较费工,我国冷成型柱专业化生产厂很少(过去也未将此种柱列入技术规程),在这方面和日本目前的差距较大。规程修订稿规定内隔板采用电渣焊时厚度今后不得小于16mm,并列入梁贯通型连接的构造要求,也提出小截面箱形柱时的实用构造方法,将对此种连接的应用起推动作用,使设计更趋合理。(3)美国、日本等发达国家对强震区的框架梁柱连接,目前已普遍采用考虑塑性铰从柱面外移的连接形式,不同国家采用的形式不尽相同。我国规程修订稿对强震区钢框架,推荐采用翼缘加宽、盖板式、翼缘板式等形式,也列入了骨式(dog-bone)连接,供设计人员选用。国内不同单位的试验表明,这些连接形式对减轻或避免在地震作用下的梁柱连接损坏有明显作用,今后在高烈度地区将推广应用。(4)梁柱连接的设计原则是“强连接,弱构件”,即连接的最大承载力大于构件的全截面屈服承载力,保证结构大震时不倒。国外最早将连接系数称为安全系数,我国第一版《高钢规程》也参照此理念做出了规定。但连接系数的影响因素很多,包括钢材类别、屈服强度、超强系数、应变硬化系数、连接类别(焊接、螺栓连接)、连接的部位、对塑性发展的要求等,连接系数提高了实施困难,都降低了安全性。国外目前对连接系数规定细化,对不同条件分别采用不同数值的规定,但在表达上又尽量简化,日本新规定在这方面成效明显。总体上,连接系数对梁柱连接要求最高,对支撑连接、构件拼接等相对要低些;随钢材冶炼方法的改进和强度的增高而降低(与超强系数降低有关);高强螺栓连接的连接系数高于焊缝连接(因螺栓的强屈比较低)。我国过去对连接系数,除偏于笼统外,还对梁柱连接要求过高,使得梁的承载能力不能充分发挥,这次修订对此也作了相应修改。(5)美国日本对高强螺栓群连接计算的破坏模式,在震后都进行了重要补充。过去只考虑螺栓受剪和板件承压两种破坏模式,这实际上仅是单个螺栓连接的破坏模式。对于螺栓群连接破坏,有更多的破坏模式。这次修订,补充整块剪坏(blockshear)的模式,包括板边撕脱、连接中部的板件撕脱和单列螺栓沿中心线挤穿等。在GB50017—2003《钢结构设计规范》中涉及板边撕脱破坏形式,但对其它两种形式未提及。在《高钢规程》修订稿中列入了这些破坏模式及其简化计算方法,将使我国高强螺栓连接的设计更符合实际情况,也更加安全。(6)日本对钢框架梁、柱连接的计算方法进行了深入研究,作了较大改进,解决了国际上长期未能解决的梁腹板与箱形柱壁板连接的受弯计算难题。钢框架的梁、柱连接设计中,沿用弯矩由翼缘连接承受和剪力由腹板连接承受的所谓常规设计法,但翼缘连接不能承受全部弯矩时,受弯连接难以定量计算。梁腹板连接之所以不能受弯,工形柱时是可以的,但箱形柱时由于壁板平面外变形无法承受弯矩,当梁翼缘连接抗弯能力不足时只能依靠腹板连接的构造措施解决,或者多用螺栓,或者添加焊缝。研究表明:在弯矩作用下横隔板附近的柱壁板在一定高度范围内可以承受弯矩,在此基础上可以将梁腹板的连接划分为受弯区和受剪区,使箱形柱腹板连接的受弯计算得到妥善解决,圆管柱时也可用类似思路解决。试验研究表明:按该法进行连接设计是偏于安全的。这项研究提供的合理的计算方法,可确保连接安全,对各国有普遍参考价值。2无粘结支撑设计我国自主研发的高层建筑用钢板,已在一系列大型钢结构工程中采用,钢框架结构抗震性能优越,能满足抗震的各项指标。根据对其样品的可靠度分析,Q345GJ钢材的抗力分项系数高于同型号普通低合金高强度结构钢的系数,较好地解决了我国建筑钢材国产化的问题。抗震规范修订稿对高层钢结构设计采用的阻尼比作了较大修改,结合工程应用的实际情况,提出高度50m以下时取0.04,50～200m时取0.03,大于200m时取0.02的规定。对于钢框架结构的层间位移角限值,专家建议将现在的1/300改为1/250,有利于更好利用钢结构延性和节约钢材。现行标准JGJ99—98曾参考1988美国加州规范拟定,其中规定自振周期大于0.7s的结构,弹性阶段的层间位移角限值可取1/250,高层钢结构符合此要求,这次修订取得了一致意见。美国ANSI/AISC341对中心支撑的内力增大系数作了修改。单斜杆支撑和交叉支撑系数取1.3,早在97年的规定中未列出;人字和V形支撑的系数1.5,97年规定即已指出,支撑承载力不是单纯由受压支撑控制,而是由受压和受拉支撑的竖向分量的合力控制的,ANSI/AISC341-05新标准中已将该系数取消,《高钢规程》修订稿作了相应修改。在延性支撑和墙板方面,对钢板剪力墙的设计规定作了更新,可望更好地推广应用;补充了轻型带缝钢板剪力墙的设计规定,可在多层钢结构住宅中采用;将内置钢板支撑剪力墙板更新为无粘结内置钢板支撑剪力墙,在专题研究的基础上重新拟定了设计规定。这些墙板可按等效支撑或等效板组合用于框架结构中,进行结构整体分析。国外近年兴起的无粘结支撑研究和应用热潮,对高层钢结构抗震性能的提高,作出了重大贡献。该支撑将采用低屈服点钢材或低碳钢制成的中心支撑置于刚性套管内,支撑与套管间仅有很小间隙,在二者的界面上设置无粘结材料。由于套管的约束作用,使支撑不发生整体屈曲,只能出现轴向拉伸和压缩变形。通过轴向变形耗散能量,因此除用作抗震支撑外,还可用作耗能减振设计中的耗能元件。这种支撑由日本首创,在美国、加拿大、台湾、印度等地获得推广应用。它避免了中心支撑屈曲致使承载力降低问题,极大提高了支撑框架的安全性。在我国已用于少量多高层建筑,国内除钢套管外也有采用钢筋混凝土套管,后者显示了明显的经济效益。修订中的我国抗震规范和《高钢规程》均将其列入。日本对柱脚设计提出新规定,指出箱型柱柱脚埋深不得小于钢柱截面高度的2.5倍,圆管柱的柱脚不得小于柱外径的3.0倍。另外,明确提出外包式柱脚的抵抗弯矩由外包层中的主筋拉力和受压区混凝土所受压力提供,而不是通过栓钉受剪提供抵抗矩。除边角柱外,不强调栓钉在中间柱的受力作用。3灾难场所的钢结构钢结构具有强度高、延性好、抗震性能优越、自重轻等一系列优点,据亲临汶川震灾现场的同行专家介绍,灾区各地未发现钢结构房屋倒塌事例,相反,钢结构房屋都成了当地的抗震防灾避难场所,说明钢结构有良好的抗震性能。国外在强震区的高层建筑主要采用钢结构。我国钢材产量去年即已突破5亿吨,