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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!
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