高層鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)對(duì)鋼材性能的要求

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中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院:郁銀泉總工程師
 
郁銀泉：我是今天下午的最后一個(gè)報(bào)告，希望大家再堅(jiān)持一下。我今天的報(bào)告題目是：高層鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)對(duì)鋼材性能的要求。

“512”地震我們大家都知道，我們很多的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)往往沒有達(dá)到我們的基準(zhǔn)，所以這些要引起我們的重視，鋼結(jié)構(gòu)也存在一定的要求，怎么樣才可以達(dá)到一定的基準(zhǔn)，所以對(duì)鋼材有一定的要求。我們需要一些抗震性能好的鋼材。何為抗震性能好的鋼材？是我們規(guī)范里所提出的，下面給大家做一些介紹。

我想這些方法概述地在這里簡(jiǎn)單地過一下，因?yàn)槲覀冎绹?guó)家設(shè)計(jì)的方法是小震彈性的設(shè)計(jì)方法，可是對(duì)小震彈性的設(shè)計(jì)方法的話，很多專家提出異議，我們的抗震結(jié)構(gòu)不應(yīng)該說是抗小震，超烈度的地震怎么樣抗呢，我們現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法是彈性小震，這是現(xiàn)有規(guī)范的方法，這就是彈性反應(yīng)譜的放大系數(shù)和來源。

這一條是反應(yīng)譜，我們?cè)O(shè)計(jì)的方法總結(jié)起來叫三水準(zhǔn)、兩階段的設(shè)計(jì)方法。所謂的三水準(zhǔn)大家都知道，在這里就不再重復(fù)說了。兩階段的話，所說的兩階段實(shí)際上很多房子都是要一階段，小震下的截面抗震驗(yàn)算和大震下的結(jié)構(gòu)變形驗(yàn)算。這是對(duì)于特殊建筑的要求。

我們的房子不能那樣設(shè)計(jì)，我們要抗中震，我們要在中震的規(guī)范基礎(chǔ)上進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，這是我們的理由之一。第二個(gè)理由，我們不要用彈性設(shè)計(jì)的另外一個(gè)理由，在一定的塑性變形下，對(duì)我們的結(jié)構(gòu)安全和鋼結(jié)構(gòu)的房子根本沒有大的影響。第三個(gè)理由，塑性變形的話大家應(yīng)該都看了，上面很多房子都是這樣設(shè)計(jì)的，塑性變形會(huì)降低我們的結(jié)構(gòu)剛度，從而進(jìn)一步減輕我們的地震峰谷。這是我們規(guī)范里面給出的水平地震影響的最大值，這個(gè)大家都很清楚。

這個(gè)數(shù)值的意思是說我們的小震多于地震影響系數(shù)跟地震的影響系數(shù)相差是非常大的，所以我們的房子設(shè)計(jì)一定要進(jìn)入彈塑性階段。并且你看一下這兩個(gè)限值，從鋼結(jié)構(gòu)中可以看出來差了6倍，所以說彈性位移角限值是非常之大的。

支撐鋼架，特別是梁要產(chǎn)生比較大的能量來避開建筑物的倒塌，這就是所說的“梁鉸”機(jī)制，要確?？拐鹦阅?，所以在這里也提出了我們要選抗震性能好的鋼材，這個(gè)是梁鉸機(jī)制，這是我們希望的梁鉸機(jī)制。

鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要提到一些性能要求，這些大家都比較清楚，以后規(guī)范里可能出現(xiàn)的是屈服強(qiáng)度，有明顯的屈服強(qiáng)度，我們現(xiàn)在有4條，其中前面的1、2、3條是我們對(duì)鋼框架的要求，第4條是連接的時(shí)候需要焊接，這是對(duì)焊接時(shí)候的要求，這個(gè)四條基本要求是抗震用材的四項(xiàng)基本要求，一般性都是要滿足的。并且在我們非抗震設(shè)計(jì)規(guī)范里面我們GB50017在塑性設(shè)計(jì)中也提了三項(xiàng)要求，它提了三項(xiàng)要求，這是源遠(yuǎn)而來的規(guī)范抄下來的，一個(gè)是最大的變形應(yīng)變。

美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)有規(guī)程，就是AISC，高強(qiáng)鋼的規(guī)定經(jīng)歷了不斷的修改，我在這里沒有列出來，但是大家回去以后可以看到，它沒有提幾項(xiàng)要求，可是它把柱子、梁，選的鋼材都做了規(guī)避，實(shí)際上大家還可以看到，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)劃里沒提這些要求，可是做相對(duì)計(jì)算的時(shí)候提出了這些要求，它的安全系數(shù)1.7，在抗拉強(qiáng)度的時(shí)候安全系數(shù)是2.5，實(shí)際上1.7到2.5，不到0.7，提出了相應(yīng)的要求，很多規(guī)范里都隱含在里面。

剛才說的美國(guó)的這些規(guī)定實(shí)際上就是發(fā)揮性能、耗能，因此一般大家都知道材料的高強(qiáng)化屈強(qiáng)比要增大，延伸力要降低，這是我們材料、高強(qiáng)跟年限要求的一個(gè)矛盾。

這里面我還列舉了日本高性能的抗震鋼材，這里面設(shè)置了這么幾項(xiàng)。我們現(xiàn)在普通的鋼材給出的都是屈服點(diǎn)的下線，實(shí)際上真正拿到的鋼材它的屈服點(diǎn)非常之大，甚至可能差到2百兆大，2百多兆都有，可是日本的在120兆，并且還規(guī)定加大焊鋼量，這些應(yīng)該要保證焊接鋼材的性能，日本也有高強(qiáng)的鋼材，叫SA440鋼材，它也規(guī)定了幾項(xiàng)要求，所以日本的抗震性能多數(shù)是有這些要求的。我們的建筑結(jié)構(gòu)用鋼板在里面應(yīng)該說參照了日本的SN系列鋼，也做了規(guī)定，這些鋼材的性能相對(duì)來說是比較好的。

所以說對(duì)于大家在選用GJ鋼時(shí)候大家要注意，我們現(xiàn)在有一個(gè)規(guī)范把這個(gè)性能列在里面了，可是這不是所有的GJ鋼都可以，GJ鋼是一種比較好的，等同于日本SNC的鋼材，它跟普通的SN系列鋼，它與通用的碳素鋼，低合金鋼的主要差異是規(guī)定：屈強(qiáng)比，屈服強(qiáng)度波動(dòng)范圍，降低了P、S含量。同時(shí)GJ鋼還有良好的伸長(zhǎng)率，所以GJ鋼有好的延性，是理想的抗震鋼材。

我總結(jié)一下，我們要達(dá)到屈服機(jī)制，要達(dá)到要求的抗震性能，要保證設(shè)計(jì)要求的抗震性能，保證變形能力，我們對(duì)鋼材的性能提出了這么多的要求。第一個(gè)是控制屈服點(diǎn)，就是說要把上下限制的范圍縮小，要“低屈強(qiáng)”，還有一個(gè)是要保證截面的尺寸，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在的鋼板、型材是有偏差的，所以大家選擇材料的時(shí)候要注意，要保證鋼材的韌性，在支撐連接的部位要保證。

在這里要重點(diǎn)地說一下鋼材屈強(qiáng)比的重要性。這個(gè)比可以通過這個(gè)圖來顯示出來，假如說它的屈強(qiáng)比越低，它的塑料區(qū)域的發(fā)展將會(huì)增大，構(gòu)件的耗能能力也將會(huì)增強(qiáng)。

這里還有舉一些例子，連接梁。沒有一定屈強(qiáng)比的保證，我們一定要保證相對(duì)的屈強(qiáng)比。

這個(gè)是歐美規(guī)范對(duì)屈強(qiáng)比的一些規(guī)定。這個(gè)羅列了不僅是建筑規(guī)范，還有橋梁的，還有管線鋼的，實(shí)際上面真正要求的是0.84，德國(guó)要求更嚴(yán)格，控制的是0.81，這些規(guī)范對(duì)我們有一定的借鑒意義。

第四個(gè)要跟大家說一下，早上也有人說過，我們國(guó)家現(xiàn)在有很多部門都在開發(fā)鋼材，那這些怎么樣應(yīng)用到建筑里面來呢，對(duì)我們建筑工程師提出了相關(guān)的要求。所以我的理解是要在建筑里用屈強(qiáng)比比較高的鋼材，這樣就需要發(fā)展我們新的抗震結(jié)構(gòu)，我這里叫控制震害結(jié)構(gòu)。

在北嶺地震和阪神地震后，發(fā)現(xiàn)特殊抗彎框架坡壞了。主要破壞是梁端與柱焊接區(qū)的脆性破壞。這樣，依靠SMRF吸取和消耗大部分輸入能量的概念，導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞。所以國(guó)際趨勢(shì)是發(fā)展控制震害的結(jié)構(gòu)(DCS)。這個(gè)就是DCS結(jié)構(gòu)的原理。DCS結(jié)構(gòu)模型是依靠支撐耗能。用了所謂的能量消耗系統(tǒng)，左側(cè)是一個(gè)全部的結(jié)構(gòu)，分立出來了以后是一個(gè)新的鋼的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，另外一個(gè)是能量消耗系統(tǒng)。

這里所說的能量消耗系統(tǒng)的話，我這里舉了一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，在日本叫UBB，我這里有兩張圖，一個(gè)是純粹的鋼框架，這個(gè)后面加了UBB的簡(jiǎn)支，它的耗能能力非常強(qiáng)大，加了這個(gè)東西以后，我的鋼框架處于相對(duì)的彈性狀態(tài)，這樣可以放松對(duì)鋼鐵屈強(qiáng)比延性的要求，這樣的鋼材使用應(yīng)該有非常廣闊的前景，所以我們要大力發(fā)展DCS結(jié)構(gòu)。

通過上面那些介紹跟敘述，我在這里就得出兩個(gè)結(jié)論，這個(gè)結(jié)論是一家之言，按現(xiàn)有的抗震設(shè)計(jì)方法，按強(qiáng)柱弱梁要求來耗能抵抗地震，對(duì)構(gòu)件鋼材的要求應(yīng)遵循上面所述的四項(xiàng)要求。其中屈強(qiáng)比不應(yīng)大于0.85，我在這里著重提出來。第二，在今后發(fā)展了抗震方法，如DCS設(shè)計(jì)法，鋼框架梁柱子再生大震時(shí)還處于彈性狀態(tài)，那么對(duì)鋼框架中的梁柱可以放松要求，采用屈強(qiáng)比的鋼材是有可能的。

好的，我的報(bào)告就到這里。謝謝大家！