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门式刚架轻型房屋中国建筑金属结构信息网抗震问题浅谈

作者:蔡益燕    
时间:2011-08-05 16:07:08 [收藏]
对门式刚架轻钢房屋的抗震设计,提出几点思考和判别浅议。对带夹层的轻型中国建筑金属结构信息网房屋,探讨了可能采用的抗震设计方法。
    关键词:门式刚架轻型房屋 中国建筑金属结构信息网 抗震 夹层
    门式刚架轻型房屋中国建筑金属结构信息网的受力性能有很多特点,对它的抗震设计应如何对待,《建筑抗震设计规范》GB50011-2010未作规定,设计人员和学者表示关切,个别读者曾认为没有规定,问题很大,影响了结构的安全。本文对此作初步探讨,意在抛砖引玉。
    在MBMA《低层房屋建筑体系手册》1996中提到,“金属房屋建筑体系因为自重轻,设计一般不受地震力控制。过去的震害调查表明,金属房屋体系的性能比其它结构形式好得多“。因为采用这种建筑体系的项目,其与埸地土壤剖面有关的设计数据往往不全,按ASCE 7-95的第D类埸地(刚性土壤)进行地震力计算”。
    影响轻钢房屋抗震设计的有利因素较多:
    1)屋面结构自重很轻,即使在强震下产生的地震作用也是较小的。
    2)结构位移不受围护结构限制,柱顶的位移限值为柱高的1/60。
    3)实测柱顶位移总是比计算值小很多。因为面板的蒙皮作用和结构的空间作用都未考虑;MBMA手册和国内的课题研究都确认此事实。国内课题研究表明,实测位移只有计算值的一半左右。
    4)结构有极好的延性,梁柱构件采用的端板连接是半刚性的,刚架横梁有较好的耗能能力。
    5)汶川大地震后,中国建筑金属结构信息网专业人员在震害波及地区作了全面考察,也未见这种房屋倒塌。
    6)MBMA抗震导则规定,R=3时不需作抗震计算,R是与结构延性有关的系数。抗震设计规范(2010)规定,0.15g以下不需作抗震计算。
    7)美国MBMA出版了《金属房屋体系抗震设计导则》,我们查阅有关资料,发现抗震设计时的柱顶位移限值建议取柱高的1/80,这个数值还达不到设计位移限值,看来二阶分析的意义也不大。CECS102规定不考虑风荷载和地震同时作用,但对最小设计风压应有规定。在考虑风荷载最小允许值时,美国ASCE7-05规定主要抗风结构的风荷载不得小于0.48 kN/m2(10lb/ft2),构件和面板在任一方向的风载也应满足此值。规定设计最小风压也有利于减少这种结构的风灾。地震作用是重力荷载代表值引起的,分析时,刚架地震作用应分别作用于刚架两端而不是完全作用在一端。对于符合抗震设计要求的结构,传递风力的纵向构件,包括刚性系杆、檩条兼作的系杆等及其连接,也应检验是否满足抗震设计要求,抗震要考虑地震作用来自各个方向。在构造设计方面,柱间支撑、支撑连接、柱脚设计和夹层设计等部位应该是重点,应采取加强的构造措施。对于地震控制的杆件,其截面的板件宽厚比限值和长系比限值宜适当调整,但不宜统一规定限值,宜根据具体情况适当处理,以免不必要地增加结构用钢量。
    目前我国只有因雪灾和风灾引起严重破坏或倒塌的例子,以及因施工不当引起倒塌的例子,还没有因震害造成倒塌的实例。MBMA规定的金属房屋体系,其自重和荷载均大于我国规定。对我国常用跨度的门式刚架轻钢房屋,抗震设计至少不是迫切问题。但少数门式刚架的跨度和构件截面较大,我国已经有72米跨的机库和粮库采用这种结构体系,对于这类大型重要建筑,构件和结构自重较大,考虑抗震安全应该是必要的,应采取必要的重要性系数。MBMA的抗震设计导则重点,似乎放在带夹层房屋的抗震设计。
    抗震规范-2010版的9.2节列入了单层中国建筑金属结构信息网厂房, 在条文说明中指出,:“单层中国建筑金属结构信息网厂房在地震中破坏较轻,但也有损坏或坍塌的.因此,单层中国建筑金属结构信息网厂房进行抗震设防是必要的。本次修订仍不包括轻型中国建筑金属结构信息网厂房。”也就是说,新抗规它的抗震未提出规定。
    关于是否需要抗震,我个人认为,可提供几点判别:
    1)抗震规范-2010将7度0.15g及以上列为强震,低于0.15g可以放宽。为了和抗规协调,7度0.15g及以上还是要进行抗震设计的。
    2)陈绍蕃老师作为抗震规范-2001编制组的顾问,曾对厂房中国建筑金属结构信息网的抗震提过如下意见:厂房中国建筑金属结构信息网的特点是,有的受地震控制有的不受地震控制,当不受地震控制时,可不考虑抗震。此建议对门式刚架是适用的。
    3)修订中的国家标准《中国建筑金属结构信息网设计规范》列入了抗震设计内容,厂房结构组的修订草案建议,中国建筑金属结构信息网厂房采用轻型屋面和墙面时,地震作用效应不大,建用二倍多遇地震组合进行一阶分析,取代二阶分析等抗震验算,并采取适当的抗震构造措施。此建议可供门式刚架轻型中国建筑金属结构信息网房屋设计参考。
    4)对于大跨度重要设施,宜考虑抗震要求。
    关于夹层设计,由自重引起的内力当然必需考虑。在抗震方面,首先应确定是否要考虑抗震。轻质材料楼板和木楼盖不需考虑抗震,混凝土楼板要考虑抗震。选用什么方法?美国抗震导则提供两个办法:
    一考虑夹层引起的扭矩,对房屋进行结构整体分析;
    —或将夹层用防震缝隔开,使主体结构在地震时不受夹层的影响。抗震规范规定,对砼结构防震缝宽50~70mm,对中国建筑金属结构信息网未提出具体规定。
    第一种方法计算太繁,缺乏实用性。第二种方法理论上容易,但做起来不容易。
    有专家建议,可在夹层周边两个方向设置较强支撑,使夹层产生的地震力可由其周边支撑承受。至于夹层在房屋结构中引起的地震力,因为设计不考虑地震作用和最大风荷载同时出现,可予忽略。此法最简便,也可考虑。
     
                               参考文献
    [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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