一種新型的鋼結構減震體系

楊 波 崔思廣

隨著科學技術的發展和經濟水平的提高,建筑形式也在發生日新月異的變化。日本、美國、瑞典等一些發達國家非常重視鋼結構技術的發展,建造了大量的鋼結構建筑。我國鋼結構的發展也正處于起步階段,有蓄勢待發之態。

傳統鋼結構具有強度高、自重輕、結構占用面積小、外形美觀等一系列優點,但是仍然存在許多不足之處。我國是地震災害嚴重的國家,據統計,全球每年大約發生500萬次地震,其中1%為有感地震。我國位于環太平洋地震帶和地中海地震帶的交匯處,每年全世界的大陸地震有1/3發生在中國。基于此,本文在鋼結構的基礎上,引入耗能減震的思想,將減震器安裝在主體結構中,耗散大部分地震能量,從而保護主體結構安全。

1 傳統鋼結構體系及存在的問題

現有的鋼結構體系有:鋼框架體系、鋼框架—鋼支撐體系、鋼框架—剪力墻體系、交錯桁架體系。傳統鋼結構體系各有優缺點及適用范圍,但是在抗震性能方面,都存在不足之處。

鋼框架體系側向剛度較小,屬于單一抗側力體系,抗震性能差。在高烈度區,由于地震作用的增加,往往因剛度不足,為控制層間位移需加大構件的截面尺寸,所需用鋼量大,建筑成本較高。

鋼框架—中心支撐體系延性小、耗能能力小。在強震作用下,支撐中的受壓桿件易受壓屈曲,導致整個結構體系的承載力下降,并引起較大的側向變形。鋼框架—偏心支撐體系是利用主體結構來耗能,強震過后,主梁將產生較大的塑性變形,難以修復。

鋼框架—剪力墻體系中剪力墻屬于剛性結構,而鋼框架屬于柔性結構,在地震作用下,剪力墻承擔了很大的水平力。對于鋼框架—核心筒體系,混凝土筒體承擔了約90%的水平力,即使將鋼框架做得較強,也難以從根本上改變這種局面。在單一材料的雙重抗側力體系中,周邊框架要求至少能承擔25%的水平力,而在鋼框架—混凝土核心筒結構中卻無法做到,也就是說,這種體系的二道防線的抗震能力很弱。

交錯桁架與中心支撐的鋼框架較相似,在大的地震力作用下,結構的抗震性能很差,腹桿構件提前屈曲或較早出現非彈性變形,造成承載力和剛度突然減小。1985年墨西哥地震,高層住宅群中的一幢23層和一幢10層的鋼結構倒塌,它們都采用的是交錯桁架結構[1]。

2 鋼結構減震體系

2.1 耗能減震裝置

20世紀70年代末以來,隨著結構耗能減震理論和技術的不斷發展和成熟,通過安裝在結構上的耗能減震裝置,改變傳統結構利用自身儲存和耗散地震能量的“消極被動”抗震方法,采用由減震裝置與結構共同承受地震作用的“積極主動”抗震對策[2-4]。根據耗能機制的不同,技術成熟應用最多的阻尼器主要有摩擦阻尼器、金屬阻尼器、粘彈性阻尼器和粘滯阻尼器,如圖1,圖2所示。

2.2 鋼結構減震體系

鋼結構減震是指在鋼結構的某些部位設置耗能裝置,通過耗能裝置產生摩擦、彎曲(或剪切、扭轉)、彈塑(或粘彈)性滯回變形來耗散或吸收地震輸入結構中的能量,以減小主體結構的地震反應,從而避免結構產生破壞或倒塌,達到減震抗震的目的,見圖3。

在小震和設計風荷載作用下,耗能部件處于彈性狀態,主要給主體結構提供足夠的剛度,結構滿足正常使用的要求;在中震、大震及強震作用下,耗能裝置率先進入耗能狀態,產生較大的阻尼,大量耗散輸入結構中的能量,迅速衰減結構的動力反應,而主體結構不出現明顯非彈性,從而確保結構在強震或強風中的安全性和正常使用。

鋼結構減震的形式與鋼框架—中心支撐形式相同,只是支撐構件是耗能支撐而非中心支撐。這種體系形式很容易在傳統的鋼結構基礎上實現。對于鋼框架體系,可以去掉填充墻,將耗能裝置安裝在結構當中;對于鋼框架—中心支撐,可將中心支撐換成耗能支撐;鋼結構減震不適合采用鋼框架—偏心支撐的形式,這是因為這種體系是利用主體結構來耗能,強震過后,主梁將產生較大的塑性變形,難以修復;對于鋼框架—剪力墻體系,可以將剪力墻去掉,換成耗能支撐;同樣,對于交錯桁架體系,可以將耗能支撐交錯布置在桁架上,如圖4所示。

2.3 鋼結構減震住宅體系的優越性

1)安全性。鋼結構減震體系由于設有非承重耗能構件或耗能裝置,它們具有很大的耗能能力,在地震中能率先進入耗能工作狀態,消耗地震能量及衰減結構的地震反應,保護主體結構和構件免遭損壞,從而確保結構在強地震中的安全性,而且震后易于修復或更換,使建筑結構物迅速恢復使用。2)經濟性。傳統鋼結構體系采用“硬抗”地震的途徑,通過加強結構、加大斷面等途徑提高結構抗震性能,使結構的造價明顯提高。鋼結構減震體系是通過“柔性消能”來減少結構地震反應,可以減小構件斷面,而其抗震性能反而提高。3)技術合理性。傳統鋼結構體系是通過加強結構側向剛度以滿足抗震要求的,但結構越強剛度越大,地震作用也越大。這對于高層、超高層鋼結構,會造成嚴重的制約。而鋼結構減震體系在發生地震時,是耗能構件或耗能裝置率先工作,消耗大量的地震能量,主體結構只需要承受小部分能量。耗能構件或裝置屬“非結構構件”,即非承重構件,其功能僅是在結構變形過程中發揮耗能作用,對結構的承載力和安全性不構成任何影響或威脅。所以,耗能減震結構體系在技術上安全可行。

3 結語

鋼結構具有傳統建筑結構無可比擬的優越性和廣闊的發展前景,是未來建筑的發展趨勢。基于目前我國對鋼結構抗震性能研究的不足,以及歷次震害中出現鋼結構房屋失效破壞等現象,研究鋼結構減震體系具有重要的理論意義和工程實踐價值。

[1]張躍峰.低層居住建筑中的輕鋼龍骨體系[J].鋼結構,2001(10):2.

[2]劉 季,周 云.結構抗震控制的研究與應用狀況(上)——基礎隔震與耗能減震技術[J].哈爾濱建筑大學學報,1995,28(4):1-10.

[3]劉 季,周 云.結構抗震控制的研究與應用狀況(下)——主動控制、混合控制及半主動控制[J].哈爾濱建筑大學學報,1995,28(5):1-6.

[4]周福霖.工程結構減震控制[M].北京:地震出版社,1997.

[5]陳 銘,何麗麗,鞏偉平.淺談鋼結構穩定性設計[J].山西建筑,2008,34(5):118-119.