高性能钢结构若干重要概念及实现方法

 摘要:

介绍了高性能钢结构若干重要概念,指出高性能钢结构应满足承载性好、承灾性好和施工性好要求。而承载性好的钢结构应在确定的条件下具有较好的使用功能和较大的承载能力;承灾性好的钢结构应在罕遇的大地震下不发生整体结构倒塌,以及在可能发生的火灾、爆炸作用下产生的结构局部破坏不会引起结构的连续性倒塌;而施工性好的钢结构应便于制作与安装,减少施工工期与成本。还提出了高性能钢结构相关重要概念的实现方法,指出高承载性钢结构可以从采用高强结构钢材料、高承载结构构件和高效结构体系3个方面加以实现;另将传统钢结构地震下易屈服的构件(部件)替换为消能-承载双功能构件是提高钢结构抗震性能的有效方法,而加强结构的整体性(包括保证楼板的整体性和刚度、保证梁柱连接的强度和转动能力、加强角柱和边柱等),可以大大提高钢结构抵抗火灾、爆炸、撞击等偶然作用下抗连续性倒塌的能力;此外通过采用轧制型钢构件、现场螺栓连接可提高钢结构的施工性,并可通过抗侧结构与承重结构分离的方式提高钢结构现场螺栓连接的可实现性。

关键词:高性能;钢结构;承载性;承灾性;施工性;概念;实现方法

在1999年第2届钢结构进展国际会议上(The 2nd International Conference on Advances in Steel Structures,Hong Kong, China),美国里海大学LU教授[1]做了一个有关高性能钢结构的大会主题报告“High-Performance Steel Structures:Recent Research”。这个报告介绍的重点是采用高性能钢材的钢结构,提出高性能钢应具有强度高、延性和韧性大、可焊性和可加工性好的特性。然而,钢材强度越高,通常其延性和可焊性变得越差,因此制作强度、延性、可焊性和可加工性均好的钢材是一个极大的挑战,会增加钢材生产成本。由于工程上使用的钢结构用钢量大,仅通过采用成本较高的高性能钢做成高性能钢结构不应是工程结构追求的目标。

工程结构一般是整体结构发挥功能作用,而整体结构的性能不仅与结构材料有关,还与结构构件形式和结构体系有关。因此提高结构性能不能仅限于采用高性能结构材料,而应从整体结构性能的角度,考虑高性能钢结构问题。

1 高性能钢结构的一些重要概念

1.1 结构的功能需求

工程结构是工程设施(建筑、桥梁、隧道、地下工程等)的骨架,其主要功能是维持工程设施在预定设计使用期内的完整性,使工程设施能正常运行。

一般工程结构应具有以下功能[2-3]:

1)正常使用功能:结构在设计使用期内经常出现的荷载(永久荷载、楼面荷载、风荷载等)作用下产生的变形、振动等,不应影响结构的正常使用;

2)承载安全功能:结构在设计使用期内会出现但出现概率较小的荷载(概率较小的永久荷载、活荷载、地震等)的作用下,在结构连接、节点、构件中产生的内力不应超过其极限承载力,对整体结构的作用不应超过其极限承载力;

3)承灾安全功能:结构在设计使用期不一定出现、而一旦出现对结构性能影响很大的灾害(罕遇地震、火灾、爆炸等)作用下,结构应保持完整、不倒塌。

1.2 高性能结构的要求

对于高性能结构,应具有高安全性能、高使用性能、高施工性能、高环保性能、高维护性能、高耐久性能等特征[4],对于高性能钢结构应至少满足以下重要要求[5-8]:

1)承载性好:在同样的条件下,结构具有更好的使用功能和更大的承载能力;或在满足同样的正常使用功能和承载安全功能的条件下,使用的结构材料较少或结构的成本更低;

2)承灾性好:在罕遇的大地震下整体结构不倒塌,在可能发生的火灾、爆炸或撞击作用下产生的结构局部破坏不会引起结构的连续性倒塌,且灾后结构中产生的破坏能方便修复,使结构快速恢复使用;

3)施工性好:结构应便于制作与安装,施工工期短,施工成本低。

2 高承载性钢结构的实现方法

高承载性钢结构可以从结构材料、结构构件和结构体系3个方面加以实现。

2.1 采用高强度钢材料

目前我国有从Q235到Q960强度等级的结构钢材标准[9-11]。然而我国钢结构仍以采用Q235和Q345钢材为主[12],如采用更高强度的钢材,在同样的荷载作用下对于相同的结构构件,可以减小构件截面,从而减少用钢量。例如对于受相同压力的钢柱,采用Q460钢与采用Q235钢相比,钢材强度提高了约50%,可以减小钢柱的截面。但截面减小后,柱的长细比增大,柱的稳定承载力会减小,因此对于受压钢构件若用Q460钢替换Q235钢,虽然构件截面或用钢量的节省要小于强度增大的比例,但仍能节省可观的用钢量。而对于受拉钢构件,由于没有稳定问题,采用高强钢可取得更好的节材效益。

国家体育场(鸟巢)为跨度超过300m的大跨度钢结构,设计时采用Q345钢,构件的最大钢板厚度需要220mm;而采用Q460钢,构件的最大钢板厚度仅为110mm[13](图1)。尽管Q460钢比Q345钢的强度只提高约33%,但构件截面减小后结构的自重减轻,继而可进一步减小结构构件的内力,因此使构件的用钢量减小50%左右。可见,对于自重内力效应敏感的结构,采用高强钢可以取得非常好的节材效益。

2.2 采用高承载构件形式

采用不同的构件形式,对于同样的荷载作用,承载力将不同。例如,对于简支梁,在具有同样的承载力条件下,波纹腹板远比平腹板的抗剪稳定性好,在保证相同抗剪稳定性的条件下,波纹腹板比平腹板薄,因此波纹腹板工字形钢梁的用钢量要小于平腹板工字形钢梁的用钢量[14];如采用钢桁架梁可以利用上、下弦杆抵抗弯矩,其腹杆的用钢量比波纹腹板钢梁的实腹截面用钢量又可以更小。因此在同样的用钢量条件下,波纹腹板工字形钢梁承载力要大于平腹板工字形钢梁的承载力[14],而钢桁架梁的承载力又将大于波纹腹板工字形钢梁的承载力(图2)。

纽约世贸大楼的楼面梁跨度达18.3m[14],如采用实腹梁用钢量大,因而实际工程采用了桁架梁(图3)。烟台机场屋盖梁的跨度达55m,采用了波纹腹板工字形钢梁,与平腹板工字形钢梁相比用钢量节省15%[15](图4)。

2.3 采用高效结构体系

结构体系对整体结构的承载性能影响很大。刚接框架结构抵抗侧力靠梁柱的抗弯性能,而支撑框架结构抗侧力主要靠支撑抗轴力性能,而钢构件的轴向刚度和承载力远大于钢构件的弯曲刚度和承载力。因此在用钢量相同的条件下,支撑框架的抗侧刚度和承载力要远大于刚接框架的抗侧刚度和承载力(图5)。

混凝土剪力墙或核心筒的抗侧刚度和承载力也非常大。在钢框架中设置混凝土核心筒构成钢框架-混凝土芯筒混合结构,可以大大提高纯钢结构的刚度和承载力(图6)。这种钢-混凝土混合结构用于100~200m的高层建筑,可以减少结构用钢量和成本30%左右[16-17]。

美国纽约帝国大厦高度为381m,采用钢框架-支撑结构体系,用钢量为206kg·m-2 ;而纽约世贸大楼高度为412m,采用框筒结构体系,用钢量为186.6kg·m-2(图7)。可见,尽管世贸大楼比帝国大厦高,但采用了抗侧力效率更高的框筒结构体系,用钢量更少[18]。

3 高承灾性钢结构的实现方法

3.1 结构承受静力和动力的方法

3.1.1 静力和动力的区别

结构在设计使用期内会遭受静力和动力的作用(图8)。静力作用随时间(大于结构基本周期10倍的范围内)基本保持恒定,例如结构的自重、承受的人员、设备的重量、土压力等;而动力作用随时间(小于结构基本周期的范围内)发生变化,例如冲击、地震等,动力将引起结构振动,产生惯性力和动能。由于风的脉动周期较长,因此对于周期较小的低矮建筑、小跨度桥等工程结构产生的动力振动效应较小,而对于周期较大的高层建筑、大跨度桥等工程结构产生的动力振动效应较大。

3.1.2 结构抵抗静力和动力的方式

对于静力,结构只能以承载方式抵抗,即整体结构及所有结构构件的承载力需大于静力作用和在构件中产生的内力。但对于动力,结构可以采用承载和消能两种方式抵抗[19](图9)。采用承载方式抵抗动力,要求结构或抵抗动力构件的承载力大于动力产生的作用力或作用效应;而采用消能方式抵抗动力,则要求结构或抵抗动力构件的消能能力大于动力产生的动能。

地震是工程结构设计时需考虑的重要动力作用,但地震的随机性很大,对于出现概率较大的小震,可以采用承载方式抵抗;而对于出现概率很小的大震,如采用承载方式抵抗,结构的设计地震作用会非常大,所需结构构件截面和材料用量会很大因而不经济,因此抵抗大震更有效的方式是消能方式。

3.1.3 结构的消能方法

结构可以通过自身构件屈服产生塑性变形消能,也可以额外附加专门装置(阻尼器)消能。

图10给出了钢结构和混凝土结构在地震反复作用下屈服后进入塑性变形状态以后的典型力-位移滞回曲线,滞回曲线包围的面积就是结构的消能[20]。显然,由于钢结构滞回曲线饱满、比混凝土结构的消能能力强,故在同样的地震条件,即同样的地震能量消耗需求下,钢结构的地震位移反应要比混凝土结构的地震位移反应小,因此钢结构的抗震性能比混凝土结构的抗震性能好。

结构屈服发生塑性变形虽然消耗了地震能量,但也造成了结构损伤。而采用额外设置附加专门消能装置(阻尼器)的方法可以消耗地震的部分能量,减小主体结构消耗地震能量的需求,从而减小结构地震反应达到减轻地震对结构造成损伤的目的[20](图11)。

消能装置或阻尼器主要有两种类型,一种是位移型阻尼器,另一种是速度型阻尼器[21](图12)。一般位移型阻尼器采用金属材料制成,通过塑性变形消能;而速度型阻尼器采用黏稠材料,通过在这种材料中的相对运动产生阻尼,阻尼力与运动速度成比例(一般为非线性比例),从而消耗能量。

但传统金属位移型或黏稠材料速度型阻尼器有以下不足:

1)额外设置的消能阻尼器在平时闲置;

2)消能能力不强,阻尼力最大为百吨级。

为克服传统阻尼器的不足,可采用消能-承载双功能构件[22](图13)。这种构件是利用金属阻尼器的原理,通过特殊设计,使传统承载钢构件同时具备金属阻尼器的性能。由于消能-承载双功能构件是利用钢构件的承载力,使其屈服转化成塑性阻尼力,可使阻尼力很容易达千吨甚至万吨级,从而大大提高了结构的消能能力和抗震性能。

3.2 提高钢结构抗震性能的方法

3.2.1 提高钢框架结构抗震性能的方法

刚接框架是钢结构常用的一种结构形式,但刚接框架梁柱节点在地震中容易破坏[23](图14),其原因是梁柱刚性节点一般需焊接,节点的塑性转动变形能力不强,难以满足消耗大震时在结构中产生的能力消耗需求。

为解决刚性梁柱节点在地震下易破坏的问题,可以采用端板式半刚性梁柱节点形式[24](图15)。这种节点可以通过设计控制节点仅端板屈服,而梁端端板由于发生的是弯曲变形,塑性变形能力很强,因此可使节点的转动能力很大(超过0.06rad),满足结构1/20层高以上的层间侧移变形需求[25]。可见,端板式半刚性梁柱节点中的端板,实际上可看作是一种消能-承载双功能构件(部件)。

3.2.2 提高钢框架-支撑结构抗震性能的方法

地震下支撑框架结构中的支撑在地震反复作用下易发生受压屈曲破坏(图16),而支撑一旦屈曲其承载力和刚度将迅速衰减,对结构抗震十分不利。为解决普通钢支撑易屈曲破坏的问题,可以采用屈曲约束支撑[26](图17)。屈曲约束支撑因在支撑外围设有套管约束其屈曲,因此即使在压力作用下也不会屈曲只会屈服,且通过采用合适的钢材和构造,屈曲约束支撑可具有很好的塑性变形和消能能力。可见,屈曲约束支撑实际上是一种消能-承载双功能构件[27],在小震作用下可以像普通支撑一样承载,而在大震作用下可以像金属阻尼器一样消能减震。

在结构中设置支撑有时会妨碍建筑功能,例如通道、门窗等,此时可以设置消能-承载双功能钢板墙[27-29](图18)。设置消能-承载双功能钢板墙可使钢框架承受小震的抗侧承载力和刚度以及抵御大震的消能能力大大提高[30],而结构延性仍很好(图19)。

3.2.3 提高钢-混凝土混合结构抗震性能的方法

钢框架-混凝土芯筒混合结构(图6)抵抗地震侧力作用以芯筒为主,芯筒因需开门洞通常实际为联肢剪力墙结构。而传统混凝土连梁(reinforced concrete link beams,简称RCLB)延性差,地震下易破坏,消能能力不强[31](图20)。为克服混凝土连梁的缺点,在联肢墙中可以采用钢连梁(steel link beams,简称SLB)(图21),而钢连梁实际上也是一种消能-承载双功能构件[32]。由于普通钢连梁在小震下承载不消能,还可以额外设置一个金属阻尼器,与普通钢连梁复合构成双阶屈服钢连梁[33](图22),这样小震下金属阻尼器消能减震,而大(中)震下普通钢连梁消能减震。

3.2.4 高强钢在抗震钢结构中的应用方法

随着钢材强度的提高,钢材的延性(塑性变形能力)将降低(图27),钢材很难做到强度很高且延性也很好。因此,高强钢用于抗震结构时,可通过设计用于在地震下不发生屈服(或屈服后发生塑性变形很小)的结构部位或构件[12](图28)。

3.2.5 提高钢结构抗震可恢复性的方法

结构抗震可恢复性是指地震后结构不需修复或可方便快速修复使结构功能恢复的特性[35],如地震下结构即使不倒塌,但会发生很大的震后残余变形(图29),或主要承重结构构件有严重破坏,则结构很难修复而不能继续使用,因而这种结构不具有可恢复性。

为保证结构的可恢复性,可采用下列方法:

1)应避免主要承重结构竖向构件(承重柱、承重墙等)发生严重破坏,而主要采用消能-承载钢支撑、消能-承载钢板墙,或框架梁、联肢墙连梁等抵抗地震作用抗震;

2)应采取措施,减小结构震后残余变形。

消能摇摆柱(墙)用于结构抗震的方式如图32所示,设计目标为[37]:1)小震下,消能摇摆柱(墙)和主体结构保持弹性;2)中震下,消能摇摆柱(墙)中的消能部件屈服消能减震,而主体结构保持弹性;3)大震下,消能摇摆柱(墙)和主体结构均屈服,但不倒塌。由于消能摇摆柱(墙)具有很大的平面内刚度,通过摇摆可使主体结构沿竖向的层间变形均匀,从而防止主体结构薄弱层的产生。

为证明消能摇摆柱(墙)对提高框架结构可恢复性的有效性,进行了消能摇摆柱框架与普通框架结构模型的拟动力对比试验[37](图33)。按照抗侧刚度和承载力相同的原则设计两个对比试验模型,除其中一个模型采用消能摇摆柱外,两个模型其他部分的结构材料相同,构件几何尺寸基本一致。试验表明在相同的大震条件下,采用消能摇摆柱的框架与普通框架相比,最大层间位移减小40%,残余层间变形减小90%(图34)。可见,消能摇摆柱(墙)可使主体结构的可恢复性大大提高。

3.3 提高钢结构抗火、抗爆性能的方法

3.3.1 火灾和爆炸作用

火灾是建筑中最常发生的灾害。建筑中一旦发生火灾,温度将迅速升高(图35),一般10min内温度将达到600℃以上,30min内温度会超过800℃。而钢材强度随温度升高会降低(图36),钢材温度为600℃时的强度,仅为常温时强度的30%左右,因此火灾下钢结构的承载力会大幅降低,会承受不了其上的荷载而破坏[39](图37)。

爆炸在建筑中也会发生,有意外事故爆炸(如煤气泄漏)和人为爆炸(恐怖行为)。爆炸会产生很大的冲击作用[40](图38),这种冲击作用虽然持续时间很短(毫秒级),但压力值很大(kPa~MPa级),会造成结构构件的严重破坏(图39)。

3.3.2 提高结构构件抗火和抗爆炸能力的方法

火灾和爆炸对结构的直接影响往往是局部的,针对可能直接受火和爆炸作用的结构构件采取相关措施,可提高其抗火和抗爆能力。

火灾温度虽然很高,但可以采用防火涂料和防火板包裹钢构件[39](图40),阻隔火的热量向钢构件的传播,延缓火灾下钢构件的升温速度,延长钢构件的耐火时间,达到具有足够时间来进行人员疏散和灭火救援的目的。

爆炸作用是一种持续时间很短的冲击作用,采用承载方式抵抗爆炸的最大冲击力是不经济和不必要的,应采用消能方式抵消冲击作用的冲量,因此对于受爆炸作用的构件,最有效的抵抗方式是采用延性好的材料和构件形式[7]。

3.3.3 提高整体结构抗连续性倒塌的方法

火灾和爆炸作用对结构造成的直接破坏尽管是局部的,但结构部分构件破坏后,其原来承受的荷载要分散到其他构件来承担,如果其他构件不能承受这种增加的荷载,就会引起其他构件相继破坏,这种破坏如果连续发生,最终会造成整体结构的连续性倒塌[41]。1995年美国俄克拉荷马城Murrah Federal建筑因爆炸造成结构连续性倒塌(图41),导致167人死亡,592人受伤。

提高整体结构抗连续性倒塌能力的最有效方法是加强结构的整体性,从而可以利用以下3个有用的效应。

1)梁的悬链线效应

两端受轴向约束的梁,随着挠度的增大会产生一种类似于悬索的悬链线效应[42]来承受梁上的横向荷载(图42)。即约束梁首先是利用梁的弯曲机制承载,但随着梁挠度增大,梁的两端有向内缩的趋势,但这种内缩由于受到梁两端的约束使梁产生轴向拉力,梁挠度越大梁中拉力也越大,而梁拉力在竖向(梁横向)上的分量可承受梁上荷载,这种效应即为悬链线效应[43-44]。梁的这种悬链线机制承载有可能比弯曲机制承载大几倍。

框架结构可以利用梁的悬链线效应抵抗由于火灾或爆炸造成的少量柱破坏而导致的连续性倒塌[45](图43)。但是,框架梁的悬链线效应要能充分发挥作用需满足以下条件[46]:一是梁两端需有足够的轴向约束;二是梁柱节点需有足够的转动能力,以使梁能产生悬链线效应所需的足够大的挠度。

对于框架中间跨内的柱失效情况,虽然梁的跨度增大一倍(假定梁的跨度均相等),但失效跨梁两端会受到同一平面未失效跨的框架约束(图43),以及不在失效跨同一平面的未失效结构通过楼板平面内的刚度提高的约束(一般结构是三维和有楼板的),因此失效跨梁两端会有很大的轴向约束。但如果框架边跨内柱失效,失效跨外侧的梁端,主要由边柱的抗弯刚度提供梁的轴向刚度,因此边柱抗弯刚度宜设计得稍大些。

2)框架的空腹效应

两层以上框架结构的边柱(特别是角柱)如果发生破坏,可以利用空腹效应抵抗连续性倒塌(图44)。空腹效应可以理解为旋转90°的框架承受竖向荷载的一种效应,显然,要充分发挥框架空腹效应的作用,梁柱节点需有足够的转动刚度成为抗弯框架。

3)楼板的薄膜效应

板的薄膜效应类似于梁的悬链线效应,是利用板在大挠度下板内张力的竖向分量承受板上荷载的一种效应(图45)。楼板内一般布置有钢筋网,这种钢筋网随着楼板挠度的增大也会产生薄膜效应[47-48](图46),显然,可以利用这种楼板的薄膜效应抵抗框架结构的连续性倒塌[49](图47)。

为使楼板内的薄膜效应充分发挥作用,楼板内的钢筋网应连续布置,对于四边支承的楼板(内柱失效情况),板四周的混凝土会自然形成一个压力环承受板中间部位钢筋网中的拉力(图46f));对于三边支承的楼板(边柱失效情况),如果边柱不靠近角柱,可以依靠失效柱相邻跨的楼板平面内刚度对失效柱跨楼板内钢筋网的薄膜效应拉力提供支承,但如果失效边柱靠近角柱,楼板的薄膜效应拉力在角柱这一边,则主要靠角柱的抗弯刚度来支承;而对于两边支承的楼板(角柱失效情况),则不能形成楼板薄膜效应,只能利用框架的空腹效应抵抗连续性倒塌。

从以上讨论可知,为使框架梁的悬链线效应、框架的空腹效应和楼板的薄膜效应充分发挥作用,提高整体结构抗连续性倒塌的能力,应保证结构的整体性,包括保证楼板的整体性和刚度、保证梁柱连接的强度和转动能力、加强角柱和边柱。

4 高施工性钢结构的实现方法

4.1 提高钢结构制作效率的方式

钢结构施工分工厂制造和现场安装两个阶段。钢结构构件一般均在工厂制作,为提高钢结构构件的制作效率,降低制造成本,可采用以下方式:

1)钢结构设计尽量采用轧制型钢,少采用钢板焊接构件,减小钢构件制作工作量;

2)一个钢结构工程采用的型钢规格、钢板厚度、钢材等级应尽可能归并,在合理用钢量的条件下减少钢材种类,以便批量采购,降低成本,提高生产效率;

3)采用自动化制造设备、信息化管理手段,提升制造智能化水平(图48),提高钢构件制作精度和效率,减低成本。

4.2 提高钢结构现场安装效率的方式

钢结构的现场安装连接方式主要有焊接和螺栓连接两种形式(图49)。

钢结构现场焊接的优点是省材料,对钢结构制造和安装的精度要求低;而缺点是对工人的技术要求高,工作量大,人工成本高,施工质量受环境影响大,质量保障难度大,且对钢结构的防腐涂装影响大,钢结构易生锈(图50)。

而钢结构现场采用螺栓连接可克服焊接的缺点,可采用工具施工,对工人的技术要求低,工作量小,施工速度快,效率高,人工成本较低,且对钢结构的防腐涂装影响小,钢结构不易生锈(图50);但缺点是材料用量大,材料成本较高,另对钢结构制造和安装的精度要求高。

随着我国人工成本的进一步提高,钢结构现场螺栓连接的总成本优势将逐渐凸显,且随着钢结构制造和安装技术水平的提高,采用螺栓连接较易满足对钢结构制造和安装的高精度要求。因此,为提高钢结构现场安装的效率,应优先采用螺栓连接。

4.3 钢结构现场螺栓连接的实现方法

钢结构现场梁柱连接节点数量多,而梁柱刚性连接一般需焊接,而螺栓连接多用于梁柱铰接或半刚性连接[18](图51)。对于闭口箱形截面柱,梁柱也可以采用单向螺栓连接[50](图52)。

然而,框架结构如采用梁柱铰接则不能提供抗侧刚度,框架结构如采用半刚性连接提供的抗侧刚度也较小,且结构设计计算较麻烦。解决这一问题可采用整体结构体系抗侧结构与承重结构分离的方法(图53),在整体结构中专门设计抗侧结构体系承受地震和风等侧向力,而整体结构的其他部分为承重结构,由于不承受侧力,因此梁柱节点无需采用刚性连接。

采用整体结构体系抗侧结构与承重结构分离的设计方法,应注意保证结构楼板的整体性和楼板平面内较大刚度,通过楼板将整体结构承受的侧向力传递到抗侧结构部分。如果结构需抗震,则整体结构中的抗侧结构体系宜采用消能-承载双功能构件来抵抗地震作用。

如承重结构采用半刚性梁柱连接,可以偏安全地忽略其承受的侧向力。仅考虑半刚接框架承受重力,除可以简化半刚接框架的设计外,与铰接框架和刚接框架相比,在相同重力作用下,半刚接框架梁端的弯矩比刚接框架梁小,而跨中弯矩比铰接框架梁小(图54)。还可以考虑跨中正弯矩由钢-混凝土组合梁承受、而梁端负弯矩仅由钢梁承受的特点,调整半刚接框架梁跨中弯矩与梁端弯矩绝对值的比值,优化半刚接框架的设计,与传统刚接框架相比,可节省用钢量10%以上[25]。

5 结 论

本文介绍了高性能钢结构的若干重要概念及实现方法,可以得出以下主要结论:

(1)高性能钢结构应至少满足承载性好、承灾性好和施工性好的要求。

(2)高承载性钢结构可以采用高强度结构钢材、高承载构件形式和高承载结构体系的方式实现。

(3)高承灾性钢结构应在罕遇地震下和可能发生的火灾或爆炸作用下保持完整、不倒塌,且产生的破坏能方便修复。

(4)结构抵抗地震作用的方式有承载方式和消能方式两种,对于出现概率较大的小震可以采用承载方式抵抗,而对于出现概率较小的大震应优先采用消能方式抵抗。

(5)高强钢用于抗震结构的有效方式是在地震下不发生屈服或屈服后发生塑性变形很小的结构部位或构件采用高强钢。

(6)对于地震下钢结构抗侧力的主要构件采用消能-承载双功能构件,可起到大震下消能减震作用,提高结构抗地震整体倒塌能力。

(7)在结构中采用消能摇摆柱(墙)可大大减小大震后的残余变形,提高主体结构的可恢复性。

(8)保证楼板的整体性和刚度、保证梁柱连接的强度和转动能力、加强角柱和边柱等,可以充分发挥框架梁的悬链线效应、框架的空腹效应和楼板的薄膜效应,大大提高结构抵抗火灾、爆炸等偶然作用下连续性倒塌的能力。

(9)可通过采用轧制型钢构件和现场螺栓连接提高钢结构的施工性。

(10)通过抗侧结构与承重结构分离的方式可提高钢结构现场螺栓连接的可实现性,即在整体结构中专门设计抗侧结构体系承受地震和风等侧向力,而整体结构的其他部分仅为不承受侧力的承重结构,可使梁柱节点较方便地采用螺栓铰接连接或螺栓半刚性连接形式。

 

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