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門(mén)式剛架輕型房屋鋼結構抗震問(wèn)題淺談

作者:蔡益燕    
時(shí)間:2011-08-05 16:07:08 [收藏]
對門(mén)式剛架輕鋼房屋的抗震設計,提出幾點(diǎn)思考和判別淺議。對帶夾層的輕型鋼結構房屋,探討了可能采用的抗震設計方法。
    關(guān)鍵詞:
    門(mén)式剛架輕型房屋鋼結構的受力性能有很多特點(diǎn),對它的抗震設計應如何對待,《建筑抗震設計規范》GB50011-2010未作規定,設計人員和學(xué)者表示關(guān)切,個(gè)別讀者曾認為沒(méi)有規定,問(wèn)題很大,影響了結構的安全。本文對此作初步探討,意在拋磚引玉。
    在MBMA《低層房屋建筑體系手冊》1996中提到,“金屬房屋建筑體系因為自重輕,設計一般不受地震力控制。過(guò)去的震害調查表明,金屬房屋體系的性能比其它結構形式好得多“。因為采用這種建筑體系的項目,其與埸地土壤剖面有關(guān)的設計數據往往不全,按ASCE 7-95的第D類(lèi)?ài)兀▌傂酝寥溃┻M(jìn)行地震力計算”。
    影響輕鋼房屋抗震設計的有利因素較多:
    1)屋面結構自重很輕,即使在強震下產(chǎn)生的地震作用也是較小的。
    2)結構位移不受?chē)o結構限制,柱頂的位移限值為柱高的1/60。
    3)實(shí)測柱頂位移總是比計算值小很多。因為面板的蒙皮作用和結構的空間作用都未考慮;MBMA手冊和國內的課題研究都確認此事實(shí)。國內課題研究表明,實(shí)測位移只有計算值的一半左右。
    4)結構有極好的延性,梁柱構件采用的端板連接是半剛性的,剛架橫梁有較好的耗能能力。
    5)汶川大地震后,鋼結構專(zhuān)業(yè)人員在震害波及地區作了全面考察,也未見(jiàn)這種房屋倒塌。
    6)MBMA抗震導則規定,R=3時(shí)不需作抗震計算,R是與結構延性有關(guān)的系數??拐鹪O計規范(2010)規定,0.15g以下不需作抗震計算。
    7)美國MBMA出版了《金屬房屋體系抗震設計導則》,我們查閱有關(guān)資料,發(fā)現抗震設計時(shí)的柱頂位移限值建議取柱高的1/80,這個(gè)數值還達不到設計位移限值,看來(lái)二階分析的意義也不大。CECS102規定不考慮風(fēng)荷載和地震同時(shí)作用,但對最小設計風(fēng)壓應有規定。在考慮風(fēng)荷載最小允許值時(shí),美國ASCE7-05規定主要抗風(fēng)結構的風(fēng)荷載不得小于0.48 kN/m2(10lb/ft2),構件和面板在任一方向的風(fēng)載也應滿(mǎn)足此值。規定設計最小風(fēng)壓也有利于減少這種結構的風(fēng)災。地震作用是重力荷載代表值引起的,分析時(shí),剛架地震作用應分別作用于剛架兩端而不是完全作用在一端。對于符合抗震設計要求的結構,傳遞風(fēng)力的縱向構件,包括剛性系桿、檁條兼作的系桿等及其連接,也應檢驗是否滿(mǎn)足抗震設計要求,抗震要考慮地震作用來(lái)自各個(gè)方向。在構造設計方面,柱間支撐、支撐連接、柱腳設計和夾層設計等部位應該是重點(diǎn),應采取加強的構造措施。對于地震控制的桿件,其截面的板件寬厚比限值和長(cháng)系比限值宜適當調整,但不宜統一規定限值,宜根據具體情況適當處理,以免不必要地增加結構用鋼量。
    目前我國只有因雪災和風(fēng)災引起嚴重破壞或倒塌的例子,以及因施工不當引起倒塌的例子,還沒(méi)有因震害造成倒塌的實(shí)例。MBMA規定的金屬房屋體系,其自重和荷載均大于我國規定。對我國常用跨度的門(mén)式剛架輕鋼房屋,抗震設計至少不是迫切問(wèn)題。但少數門(mén)式剛架的跨度和構件截面較大,我國已經(jīng)有72米跨的機庫和糧庫采用這種結構體系,對于這類(lèi)大型重要建筑,構件和結構自重較大,考慮抗震安全應該是必要的,應采取必要的重要性系數。MBMA的抗震設計導則重點(diǎn),似乎放在帶夾層房屋的抗震設計。
    抗震規范-2010版的9.2節列入了單層鋼結構廠(chǎng)房, 在條文說(shuō)明中指出,:“單層鋼結構廠(chǎng)房在地震中破壞較輕,但也有損壞或坍塌的.因此,單層鋼結構廠(chǎng)房進(jìn)行抗震設防是必要的。本次修訂仍不包括輕型鋼結構廠(chǎng)房。”也就是說(shuō),新抗規它的抗震未提出規定。
    關(guān)于是否需要抗震,我個(gè)人認為,可提供幾點(diǎn)判別:
    1)抗震規范-2010將7度0.15g及以上列為強震,低于0.15g可以放寬。為了和抗規協(xié)調,7度0.15g及以上還是要進(jìn)行抗震設計的。
    2)陳紹蕃老師作為抗震規范-2001編制組的顧問(wèn),曾對廠(chǎng)房鋼結構的抗震提過(guò)如下意見(jiàn):廠(chǎng)房鋼結構的特點(diǎn)是,有的受地震控制有的不受地震控制,當不受地震控制時(shí),可不考慮抗震。此建議對門(mén)式剛架是適用的。
    3)修訂中的國家標準《鋼結構設計規范》列入了抗震設計內容,廠(chǎng)房結構組的修訂草案建議,鋼結構廠(chǎng)房采用輕型屋面和墻面時(shí),地震作用效應不大,建用二倍多遇地震組合進(jìn)行一階分析,取代二階分析等抗震驗算,并采取適當的抗震構造措施。此建議可供門(mén)式剛架輕型鋼結構房屋設計參考。
    4)對于大跨度重要設施,宜考慮抗震要求。
    關(guān)于夾層設計,由自重引起的內力當然必需考慮。在抗震方面,首先應確定是否要考慮抗震。輕質(zhì)材料樓板和木樓蓋不需考慮抗震,混凝土樓板要考慮抗震。選用什么方法?美國抗震導則提供兩個(gè)辦法:
    一考慮夾層引起的扭矩,對房屋進(jìn)行結構整體分析;
    —或將夾層用防震縫隔開(kāi),使主體結構在地震時(shí)不受夾層的影響??拐鹨幏兑幎?,對砼結構防震縫寬50~70mm,對鋼結構未提出具體規定。
    第一種方法計算太繁,缺乏實(shí)用性。第二種方法理論上容易,但做起來(lái)不容易。
    有專(zhuān)家建議,可在夾層周邊兩個(gè)方向設置較強支撐,使夾層產(chǎn)生的地震力可由其周邊支撐承受。至于夾層在房屋結構中引起的地震力,因為設計不考慮地震作用和最大風(fēng)荷載同時(shí)出現,可予忽略。此法最簡(jiǎn)便,也可考慮。
     
                               參考文獻
    [1]MBMA,Metal Building Systems Manual,2002
    [2]MBMA Seismic Design Guide for Metal Building Systems,based on the 2000 IBC,
    By Backman/ Drake/ Johnson/ Murray,
    [3]《Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures》ASCE 7-05

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