一种新型的钢结构减震体系

2010-06-12崔思广

山西建筑 2010年8期

杨波崔思广

随着科学技术的发展和经济水平的提高,建筑形式也在发生日新月异的变化。日本、美国、瑞典等一些发达国家非常重视钢结构技术的发展,建造了大量的钢结构建筑。我国钢结构的发展也正处于起步阶段,有蓄势待发之态。

传统钢结构具有强度高、自重轻、结构占用面积小、外形美观等一系列优点,但是仍然存在许多不足之处。我国是地震灾害严重的国家,据统计,全球每年大约发生500万次地震,其中1%为有感地震。我国位于环太平洋地震带和地中海地震带的交汇处,每年全世界的大陆地震有1/3发生在中国。基于此,本文在钢结构的基础上,引入耗能减震的思想,将减震器安装在主体结构中,耗散大部分地震能量,从而保护主体结构安全。

1 传统钢结构体系及存在的问题

现有的钢结构体系有:钢框架体系、钢框架—钢支撑体系、钢框架—剪力墙体系、交错桁架体系。传统钢结构体系各有优缺点及适用范围,但是在抗震性能方面,都存在不足之处。

钢框架体系侧向刚度较小,属于单一抗侧力体系,抗震性能差。在高烈度区,由于地震作用的增加,往往因刚度不足,为控制层间位移需加大构件的截面尺寸,所需用钢量大,建筑成本较高。

钢框架—中心支撑体系延性小、耗能能力小。在强震作用下,支撑中的受压杆件易受压屈曲,导致整个结构体系的承载力下降,并引起较大的侧向变形。钢框架—偏心支撑体系是利用主体结构来耗能,强震过后,主梁将产生较大的塑性变形,难以修复。

钢框架—剪力墙体系中剪力墙属于刚性结构,而钢框架属于柔性结构,在地震作用下,剪力墙承担了很大的水平力。对于钢框架—核心筒体系,混凝土筒体承担了约90%的水平力,即使将钢框架做得较强,也难以从根本上改变这种局面。在单一材料的双重抗侧力体系中,周边框架要求至少能承担25%的水平力,而在钢框架—混凝土核心筒结构中却无法做到,也就是说,这种体系的二道防线的抗震能力很弱。

交错桁架与中心支撑的钢框架较相似,在大的地震力作用下,结构的抗震性能很差,腹杆构件提前屈曲或较早出现非弹性变形,造成承载力和刚度突然减小。1985年墨西哥地震,高层住宅群中的一幢23层和一幢10层的钢结构倒塌,它们都采用的是交错桁架结构[1]。

2 钢结构减震体系

2.1 耗能减震装置

20世纪70年代末以来,随着结构耗能减震理论和技术的不断发展和成熟,通过安装在结构上的耗能减震装置,改变传统结构利用自身储存和耗散地震能量的“消极被动”抗震方法,采用由减震装置与结构共同承受地震作用的“积极主动”抗震对策[2-4]。根据耗能机制的不同,技术成熟应用最多的阻尼器主要有摩擦阻尼器、金属阻尼器、粘弹性阻尼器和粘滞阻尼器,如图1,图2所示。

2.2 钢结构减震体系

钢结构减震是指在钢结构的某些部位设置耗能装置,通过耗能装置产生摩擦、弯曲(或剪切、扭转)、弹塑(或粘弹)性滞回变形来耗散或吸收地震输入结构中的能量,以减小主体结构的地震反应,从而避免结构产生破坏或倒塌,达到减震抗震的目的,见图3。

在小震和设计风荷载作用下,耗能部件处于弹性状态,主要给主体结构提供足够的刚度,结构满足正常使用的要求;在中震、大震及强震作用下,耗能装置率先进入耗能状态,产生较大的阻尼,大量耗散输入结构中的能量,迅速衰减结构的动力反应,而主体结构不出现明显非弹性,从而确保结构在强震或强风中的安全性和正常使用。

钢结构减震的形式与钢框架—中心支撑形式相同,只是支撑构件是耗能支撑而非中心支撑。这种体系形式很容易在传统的钢结构基础上实现。对于钢框架体系,可以去掉填充墙,将耗能装置安装在结构当中;对于钢框架—中心支撑,可将中心支撑换成耗能支撑;钢结构减震不适合采用钢框架—偏心支撑的形式,这是因为这种体系是利用主体结构来耗能,强震过后,主梁将产生较大的塑性变形,难以修复;对于钢框架—剪力墙体系,可以将剪力墙去掉,换成耗能支撑;同样,对于交错桁架体系,可以将耗能支撑交错布置在桁架上,如图4所示。

2.3 钢结构减震住宅体系的优越性

1)安全性。钢结构减震体系由于设有非承重耗能构件或耗能装置,它们具有很大的耗能能力,在地震中能率先进入耗能工作状态,消耗地震能量及衰减结构的地震反应,保护主体结构和构件免遭损坏,从而确保结构在强地震中的安全性,而且震后易于修复或更换,使建筑结构物迅速恢复使用。2)经济性。传统钢结构体系采用“硬抗”地震的途径,通过加强结构、加大断面等途径提高结构抗震性能,使结构的造价明显提高。钢结构减震体系是通过“柔性消能”来减少结构地震反应,可以减小构件断面,而其抗震性能反而提高。3)技术合理性。传统钢结构体系是通过加强结构侧向刚度以满足抗震要求的,但结构越强刚度越大,地震作用也越大。这对于高层、超高层钢结构,会造成严重的制约。而钢结构减震体系在发生地震时,是耗能构件或耗能装置率先工作,消耗大量的地震能量,主体结构只需要承受小部分能量。耗能构件或装置属“非结构构件”,即非承重构件,其功能仅是在结构变形过程中发挥耗能作用,对结构的承载力和安全性不构成任何影响或威胁。所以,耗能减震结构体系在技术上安全可行。