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我國高層鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的現(xiàn)狀jgj9-98年完成了《民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（以下簡稱“高鋼規(guī)程”），并于1987年完成。由于中國缺乏項目經(jīng)驗，該條例在專家的初步審查后進行了多次修訂，并于1998年公布。從98版編制到目前進行首次修訂,已經(jīng)過去10多年,在此期間,1994—1995年美國和日本先后發(fā)生了北嶺大地震和神戶大地震,這兩次地震都對鋼框架造成嚴重破壞。震后,兩國都開展了大規(guī)模研究并出臺了相應(yīng)新規(guī)定,給建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計以強力推動,也促進了我國高層鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的發(fā)展。2008年的汶川大地震,造成了人民生命財產(chǎn)的重大損失。由于該區(qū)鋼結(jié)構(gòu)不多,沒有高層鋼結(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,沒有造成房屋倒塌。雖然對《高鋼規(guī)程》沒有提出重大的改進意見,但對房屋抗震設(shè)計總體要求有所提升,也推動了鋼結(jié)構(gòu)在某些方面的加強。例如,對鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)的框架剪力分擔率提出了改進建議,較原規(guī)定有所提高。1梁柱連接在設(shè)計方面的應(yīng)用及發(fā)展(1)1994年和1995年美國、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而設(shè)置的,美國稱為通過孔(accesshole),日本稱為扇形切角,本文用我國習(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,地震時極易引發(fā)裂縫。參考日本1996年對該構(gòu)造的修改建議,GB50011—2001《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中結(jié)合我國情況,對框架梁的上翼緣規(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。日本對梁與柱連接焊縫要求采用氣體保護焊,并對梁下翼緣焊接孔孔形作了相應(yīng)修改,對梁上翼緣連接再次強調(diào)可采用無焊接孔工法,這些建議結(jié)合我國情況已適當采用,將有助于減少焊接孔應(yīng)力集中和焊縫質(zhì)量問題引起的破壞。(2)我國框架梁柱連接節(jié)點主要采用柱貫通型,在梁翼緣的對應(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。由于對采用電渣焊時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時也采用電渣焊,不但給制作帶來困難,對結(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工,我國冷成型柱專業(yè)化生產(chǎn)廠很少(過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的實用構(gòu)造方法,將對此種連接的應(yīng)用起推動作用,使設(shè)計更趨合理。(3)美國、日本等發(fā)達國家對強震區(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,不同國家采用的形式不盡相同。我國規(guī)程修訂稿對強震區(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)計人員選用。國內(nèi)不同單位的試驗表明,這些連接形式對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)計原則是“強連接,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)大震時不倒。國外最早將連接系數(shù)稱為安全系數(shù),我國第一版《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、屈服強度、超強系數(shù)、應(yīng)變硬化系數(shù)、連接類別(焊接、螺栓連接)、連接的部位、對塑性發(fā)展的要求等,連接系數(shù)提高了實施困難,都降低了安全性。國外目前對連接系數(shù)規(guī)定細化,對不同條件分別采用不同數(shù)值的規(guī)定,但在表達上又盡量簡化,日本新規(guī)定在這方面成效明顯。總體上,連接系數(shù)對梁柱連接要求最高,對支撐連接、構(gòu)件拼接等相對要低些;隨鋼材冶煉方法的改進和強度的增高而降低(與超強系數(shù)降低有關(guān));高強螺栓連接的連接系數(shù)高于焊縫連接(因螺栓的強屈比較低)。我國過去對連接系數(shù),除偏于籠統(tǒng)外,還對梁柱連接要求過高,使得梁的承載能力不能充分發(fā)揮,這次修訂對此也作了相應(yīng)修改。(5)美國日本對高強螺栓群連接計算的破壞模式,在震后都進行了重要補充。過去只考慮螺栓受剪和板件承壓兩種破壞模式,這實際上僅是單個螺栓連接的破壞模式。對于螺栓群連接破壞,有更多的破壞模式。這次修訂,補充整塊剪壞(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)計規(guī)范》中涉及板邊撕脫破壞形式,但對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化計算方法,將使我國高強螺栓連接的設(shè)計更符合實際情況,也更加安全。(6)日本對鋼框架梁、柱連接的計算方法進行了深入研究,作了較大改進,解決了國際上長期未能解決的梁腹板與箱形柱壁板連接的受彎計算難題。鋼框架的梁、柱連接設(shè)計中,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)計法,但翼緣連接不能承受全部彎矩時,受彎連接難以定量計算。梁腹板連接之所以不能受彎,工形柱時是可以的,但箱形柱時由于壁板平面外變形無法承受彎矩,當梁翼緣連接抗彎能力不足時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算得到妥善解決,圓管柱時也可用類似思路解決。試驗研究表明:按該法進行連接設(shè)計是偏于安全的。這項研究提供的合理的計算方法,可確保連接安全,對各國有普遍參考價值。2無粘結(jié)支撐設(shè)計我國自主研發(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,能滿足抗震的各項指標。根據(jù)對其樣品的可靠度分析,Q345GJ鋼材的抗力分項系數(shù)高于同型號普通低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的系數(shù),較好地解決了我國建筑鋼材國產(chǎn)化的問題?？拐鹨?guī)范修訂稿對高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計采用的阻尼比作了較大修改,結(jié)合工程應(yīng)用的實際情況,提出高度50m以下時取0.04,50～200m時取0.03,大于200m時取0.02的規(guī)定。對于鋼框架結(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?，F(xiàn)行標準JGJ99—98曾參考1988美國加州規(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。美國ANSI/AISC341對中心支撐的內(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新標準中已將該系數(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,對鋼板剪力墻的設(shè)計規(guī)定作了更新,可望更好地推廣應(yīng)用;補充了輕型帶縫鋼板剪力墻的設(shè)計規(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,進行結(jié)構(gòu)整體分析。國外近年興起的無粘結(jié)支撐研究和應(yīng)用熱潮,對高層鋼結(jié)構(gòu)抗震性能的提高,作出了重大貢獻。該支撐將采用低屈服點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)計中的耗能元件。這種支撐由日本首創(chuàng),在美國、加拿大、臺灣、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題,極大提高了支撐框架的安全性。在我國已用于少量多高層建筑,國內(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)濟效益。修訂中的我國抗震規(guī)范和《高鋼規(guī)程》均將其列入。日本對柱腳設(shè)計提出新規(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,而不是通過栓釘受剪提供抵抗矩。除邊角柱外,不強調(diào)栓釘在中間柱的受力作用。3災(zāi)難場所的鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)具有強度高、延性好、抗震性能優(yōu)越、自重輕等一系列優(yōu)點,據(jù)親臨汶川震災(zāi)現(xiàn)場的同行專家介紹,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?shù)氐目拐鸱罏?zāi)避難場所,說明鋼結(jié)構(gòu)有良好的抗震性能。國外在強震區(qū)的高層建筑主要采用鋼結(jié)構(gòu)。我國鋼材產(chǎn)量去年即已突破5億噸,