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【摘 要】介绍了多层钢结构住宅的一些抗震构造措施的要求和做法。研究工作使设计及施工人员提高认识,为推广应用钢结构住宅体系提供依据。
【关键词】钢结构住宅;设计;抗震构造
Seismic confinement In the design of multi-storey steel residential buildings
Wang Qing-qiang1,Ma Le-quan2
(1.The First Construction Project Ltd .Com Linyi City Linyi Shandong 276000;2. The Sixth Construction Project Ltd .ComOf Tianyuan Construction Group Linyi City Linyi Shandong 276000)
【Abstract】This article introduced the seismic confinement in the design of multi-storey steel residential buildings. The work can enhance understanding of designer and constructer , at the mean time ,it provided a base for promoting the application of steel residential buildings.
【Key words】Steel residential buildings; Design; Seismic confinement
1. 引言
钢结构住宅是一种环保型绿色住宅建筑体系,它易于实现工业化生产、标准化制作,且与之相配套的墙体材料可以采用节能、环保的新型材料,钢结构住宅体系将大大促进住宅产业化的快速发展。同时,钢结构住宅具有轻质高强、抗震性好、基础造价低、施工周期短、质量易保证、商品化程度高、外形美观、适用性广、建筑布局灵活合理、增加有效使用面积、提高建筑使用功能等优点,既有很高的技术、经济和社会综合效益[1]。
在多层钢结构住宅的设计中,存在很多问题亟待研究和解决。本文从实际使用角度出发,依据相关规范、规程以及文献资料,简要介绍了多层钢结构住宅的一些抗震构造要求和做法。虽然部分概念简单易懂,但其重要性不容忽视,以此在钢结构住宅的推广应用过程中给予设计及施工人员参考与帮助。
2. 多层钢结构住宅设计中的抗震构造措施
2.1 长细比的要求。
2.1.1 框架柱的长细比。
框架柱的长细比关系到结构的整体稳定和弯曲变形能力。研究发现,由于几何非线性的影响,柱的轴压比与长细比越大,弯曲变形能力越小[2](见图1、图2)。
图1 柱的变形能力与轴压比的关系 图2 柱的变形能力与长细比的关系
柱的轴压比与长细比越大,弯曲变形能力越小,此外,长细比与构件的滞回性能有很大关系。因此,为了保障结构的抗震性能,需要对柱的长细比进行限制。《建筑抗震设计规范》GB 50011-2001规定,不超过12层的钢结构房屋框架柱的长细比,6～8度时不应大于 ,9度时不应大于 ,因此多层钢结构住宅框架柱的长细比应满足该要求[3]。
2.1.2 框架-支撑结构的支撑杆件的长细比。
除采用特殊减震措施或利用摩擦耗能者外,结构抗震性能的优劣取决于它吸收和耗散能量的能力[4]。框架-支撑结构的支撑杆件的长细比同样与结构的刚度、滞回环的图形关系密切。为使支撑杆件最低具有一定的耗能性能,中心支撑杆件的长细比不宜大于表1中的限值。
2.2 宽厚比的要求。
为了防止梁柱翼缘、腹板的过早屈曲,以及在出现大塑性变形时能保持其承载力,腹板和翼缘的板件宽厚比应不超过表2中的限值。
框架梁柱板件宽厚比的规定,是以结构符合强柱弱梁为前提,考虑柱仅在后期出现少量塑性,不需要很高的转动能力。
2.3 梁柱构件的侧向支承要求。
按抗震设计的框架梁,在梁可能出现塑性铰处(通常距柱轴线1/8~1/10梁跨处),梁上下翼缘均应设置侧向隅撑(图3)以保证构件能全面发挥其承载力[5]。
图3 框架梁侧向隅撑构造
2.4 梁与柱的连接构造。
梁与柱的连接构造,应符合下列要求:
(1)梁与柱的连接宜采用柱贯通型。
(2)柱在两个互相垂直的方向都与梁刚接时,宜采用箱形截面。当仅在一个方向刚接时,宜采用工字形截面,并将柱腹板置于刚接框架平面内。
(3)梁翼缘与柱翼缘应采用全熔透坡口焊缝。
(4)柱在梁翼缘对应位置设置横向加劲肋,且加劲肋厚度不应小于梁翼缘厚度。
(5)当梁翼缘的塑性截面模量小于梁全截面塑性截面模量的70%时,梁腹板与柱的连接螺栓不得少于二列;当计算仅需一列时,仍应布置二列,且此时螺栓总数不得少于计算值的1.5倍。
为了防止框架梁柱连接处发生脆性断裂,应严格控制焊接工艺操作,重要的部位由技术等级高的工人施焊,减少梁柱连接的焊接缺陷;8度乙类建筑和9度时,应检验梁翼缘处全焊透坡口焊缝V形切口的冲击韧性,其冲击韧性在-20℃时不低于27J;适当加大梁腹板下部的割槽口(位于垫板上面,用于梁下翼缘与柱翼缘的施焊),以便与工人操作,提高焊缝质量。
在多层钢结构住宅的梁柱刚性连接抗震设计可根据实际情况采用传统连接构造形式或将梁塑性铰自柱面外移的连接改进形式。改进措施可归为两大类:在离开柱面某处将梁截面加强(如图4),或者将柱面处的梁截面减弱(如图5)。
图4 梁柱连接的加强构造图5 “犬骨式”的连接构造
2.5 梁柱连接的节点域。
Krawinkler 等[6](1975)所作的研究显示,节点域屈服可以稳定地大量耗能;同时,为了防止在非弹性剪切大变形早期出现局部屈曲,应验算节点域的稳定性。当节点域的体积不满足要求时,应采取加厚节点域或贴焊补强板的措施。补强板的厚度及其焊缝应按传递补强板所分担剪力的要求设计。
2.6 中心支撑端部构造。
中心支撑端部不能与梁翼缘和柱翼缘靠的太近,应使节点板在大震时产生平面外屈曲,从而减轻对支撑的破坏。其具体构造要求为:支撑端部至节点板嵌固点在沿支撑杆件方向的距离(由节点板与框架构件焊缝的起点垂直于支撑杆轴线的直线至支撑端部的距离),不应小于节点板厚度的2倍(如图6)。
图6 中心支撑端部节点板的构造要求
3. 结语
钢结构住宅将会具有很广阔的发展前景,多层钢结构住宅是钢结构住宅产业化推广的重要组成部分,也是今后多层住宅发展的主要方向。因此,处理好多层钢结构住宅关键性的技术问题,必将会带来很大的社会、经济意义。
参考文献
[1] 徐伟良,何余良.多高层钢结构住宅的建筑技术与工程应用[J].建筑技术,2009年7月:582-585.
[2] 李国强,李卒,苏小卒.建筑结构抗震设计[M].北京:中国建筑工业出版社.2008年2月:199.
[3] GB 50011-2001,建筑抗震设计规范[S].
[4] 陈绍蕃.钢结构设计原理[M]北京:科学出版社.2009年3月:415.
[5] 《钢结构设计手册》编辑委员会.钢结构设计手册(下册)[M] .北京:中国建筑工业出版社.2004年8月:139～140.
[6] Krawinkler, H., Bertero, V.V., and Popov, E.P., “Shear Behavior of Steel Frame Joints,” J. Struct. Div. , Vol. 101,ST11, pp2317-2338. ASCE, 1975.9. Seismic Design of Steel Structures 461.
[文章编号]1006-7619(2010)04-14-307
[作者简介]王钦强(1979-),男,硕士研究生。
【关键词】钢结构住宅;设计;抗震构造
Seismic confinement In the design of multi-storey steel residential buildings
Wang Qing-qiang1,Ma Le-quan2
(1.The First Construction Project Ltd .Com Linyi City Linyi Shandong 276000;2. The Sixth Construction Project Ltd .ComOf Tianyuan Construction Group Linyi City Linyi Shandong 276000)
【Abstract】This article introduced the seismic confinement in the design of multi-storey steel residential buildings. The work can enhance understanding of designer and constructer , at the mean time ,it provided a base for promoting the application of steel residential buildings.
【Key words】Steel residential buildings; Design; Seismic confinement
1. 引言
钢结构住宅是一种环保型绿色住宅建筑体系,它易于实现工业化生产、标准化制作,且与之相配套的墙体材料可以采用节能、环保的新型材料,钢结构住宅体系将大大促进住宅产业化的快速发展。同时,钢结构住宅具有轻质高强、抗震性好、基础造价低、施工周期短、质量易保证、商品化程度高、外形美观、适用性广、建筑布局灵活合理、增加有效使用面积、提高建筑使用功能等优点,既有很高的技术、经济和社会综合效益[1]。
在多层钢结构住宅的设计中,存在很多问题亟待研究和解决。本文从实际使用角度出发,依据相关规范、规程以及文献资料,简要介绍了多层钢结构住宅的一些抗震构造要求和做法。虽然部分概念简单易懂,但其重要性不容忽视,以此在钢结构住宅的推广应用过程中给予设计及施工人员参考与帮助。
2. 多层钢结构住宅设计中的抗震构造措施
2.1 长细比的要求。
2.1.1 框架柱的长细比。
框架柱的长细比关系到结构的整体稳定和弯曲变形能力。研究发现,由于几何非线性的影响,柱的轴压比与长细比越大,弯曲变形能力越小[2](见图1、图2)。
图1 柱的变形能力与轴压比的关系 图2 柱的变形能力与长细比的关系
柱的轴压比与长细比越大,弯曲变形能力越小,此外,长细比与构件的滞回性能有很大关系。因此,为了保障结构的抗震性能,需要对柱的长细比进行限制。《建筑抗震设计规范》GB 50011-2001规定,不超过12层的钢结构房屋框架柱的长细比,6～8度时不应大于 ,9度时不应大于 ,因此多层钢结构住宅框架柱的长细比应满足该要求[3]。
2.1.2 框架-支撑结构的支撑杆件的长细比。
除采用特殊减震措施或利用摩擦耗能者外,结构抗震性能的优劣取决于它吸收和耗散能量的能力[4]。框架-支撑结构的支撑杆件的长细比同样与结构的刚度、滞回环的图形关系密切。为使支撑杆件最低具有一定的耗能性能,中心支撑杆件的长细比不宜大于表1中的限值。
2.2 宽厚比的要求。
为了防止梁柱翼缘、腹板的过早屈曲,以及在出现大塑性变形时能保持其承载力,腹板和翼缘的板件宽厚比应不超过表2中的限值。
框架梁柱板件宽厚比的规定,是以结构符合强柱弱梁为前提,考虑柱仅在后期出现少量塑性,不需要很高的转动能力。
2.3 梁柱构件的侧向支承要求。
按抗震设计的框架梁,在梁可能出现塑性铰处(通常距柱轴线1/8~1/10梁跨处),梁上下翼缘均应设置侧向隅撑(图3)以保证构件能全面发挥其承载力[5]。
图3 框架梁侧向隅撑构造
2.4 梁与柱的连接构造。
梁与柱的连接构造,应符合下列要求:
(1)梁与柱的连接宜采用柱贯通型。
(2)柱在两个互相垂直的方向都与梁刚接时,宜采用箱形截面。当仅在一个方向刚接时,宜采用工字形截面,并将柱腹板置于刚接框架平面内。
(3)梁翼缘与柱翼缘应采用全熔透坡口焊缝。
(4)柱在梁翼缘对应位置设置横向加劲肋,且加劲肋厚度不应小于梁翼缘厚度。
(5)当梁翼缘的塑性截面模量小于梁全截面塑性截面模量的70%时,梁腹板与柱的连接螺栓不得少于二列;当计算仅需一列时,仍应布置二列,且此时螺栓总数不得少于计算值的1.5倍。
为了防止框架梁柱连接处发生脆性断裂,应严格控制焊接工艺操作,重要的部位由技术等级高的工人施焊,减少梁柱连接的焊接缺陷;8度乙类建筑和9度时,应检验梁翼缘处全焊透坡口焊缝V形切口的冲击韧性,其冲击韧性在-20℃时不低于27J;适当加大梁腹板下部的割槽口(位于垫板上面,用于梁下翼缘与柱翼缘的施焊),以便与工人操作,提高焊缝质量。
在多层钢结构住宅的梁柱刚性连接抗震设计可根据实际情况采用传统连接构造形式或将梁塑性铰自柱面外移的连接改进形式。改进措施可归为两大类:在离开柱面某处将梁截面加强(如图4),或者将柱面处的梁截面减弱(如图5)。
图4 梁柱连接的加强构造图5 “犬骨式”的连接构造
2.5 梁柱连接的节点域。
Krawinkler 等[6](1975)所作的研究显示,节点域屈服可以稳定地大量耗能;同时,为了防止在非弹性剪切大变形早期出现局部屈曲,应验算节点域的稳定性。当节点域的体积不满足要求时,应采取加厚节点域或贴焊补强板的措施。补强板的厚度及其焊缝应按传递补强板所分担剪力的要求设计。
2.6 中心支撑端部构造。
中心支撑端部不能与梁翼缘和柱翼缘靠的太近,应使节点板在大震时产生平面外屈曲,从而减轻对支撑的破坏。其具体构造要求为:支撑端部至节点板嵌固点在沿支撑杆件方向的距离(由节点板与框架构件焊缝的起点垂直于支撑杆轴线的直线至支撑端部的距离),不应小于节点板厚度的2倍(如图6)。
图6 中心支撑端部节点板的构造要求
3. 结语
钢结构住宅将会具有很广阔的发展前景,多层钢结构住宅是钢结构住宅产业化推广的重要组成部分,也是今后多层住宅发展的主要方向。因此,处理好多层钢结构住宅关键性的技术问题,必将会带来很大的社会、经济意义。
参考文献
[1] 徐伟良,何余良.多高层钢结构住宅的建筑技术与工程应用[J].建筑技术,2009年7月:582-585.
[2] 李国强,李卒,苏小卒.建筑结构抗震设计[M].北京:中国建筑工业出版社.2008年2月:199.
[3] GB 50011-2001,建筑抗震设计规范[S].
[4] 陈绍蕃.钢结构设计原理[M]北京:科学出版社.2009年3月:415.
[5] 《钢结构设计手册》编辑委员会.钢结构设计手册(下册)[M] .北京:中国建筑工业出版社.2004年8月:139～140.
[6] Krawinkler, H., Bertero, V.V., and Popov, E.P., “Shear Behavior of Steel Frame Joints,” J. Struct. Div. , Vol. 101,ST11, pp2317-2338. ASCE, 1975.9. Seismic Design of Steel Structures 461.
[文章编号]1006-7619(2010)04-14-307
[作者简介]王钦强(1979-),男,硕士研究生。