高層鋼結構抗震設計對鋼材性能的要求

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中國建筑標準設計研究院:郁銀泉總工程師
 
郁銀泉：我是今天下午的最后一個報告，希望大家再堅持一下。我今天的報告題目是：高層鋼結構抗震設計對鋼材性能的要求。

“512”地震我們大家都知道，我們很多的鋼筋混凝土結構往往沒有達到我們的基準，所以這些要引起我們的重視，鋼結構也存在一定的要求，怎么樣才可以達到一定的基準，所以對鋼材有一定的要求。我們需要一些抗震性能好的鋼材。何為抗震性能好的鋼材？是我們規(guī)范里所提出的，下面給大家做一些介紹。

我想這些方法概述地在這里簡單地過一下，因為我們知道國家設計的方法是小震彈性的設計方法，可是對小震彈性的設計方法的話，很多專家提出異議，我們的抗震結構不應該說是抗小震，超烈度的地震怎么樣抗呢，我們現(xiàn)有的設計方法是彈性小震，這是現(xiàn)有規(guī)范的方法，這就是彈性反應譜的放大系數(shù)和來源。

這一條是反應譜，我們設計的方法總結起來叫三水準、兩階段的設計方法。所謂的三水準大家都知道，在這里就不再重復說了。兩階段的話，所說的兩階段實際上很多房子都是要一階段，小震下的截面抗震驗算和大震下的結構變形驗算。這是對于特殊建筑的要求。

我們的房子不能那樣設計，我們要抗中震，我們要在中震的規(guī)范基礎上進行抗震設計，這是我們的理由之一。第二個理由，我們不要用彈性設計的另外一個理由，在一定的塑性變形下，對我們的結構安全和鋼結構的房子根本沒有大的影響。第三個理由，塑性變形的話大家應該都看了，上面很多房子都是這樣設計的，塑性變形會降低我們的結構剛度，從而進一步減輕我們的地震峰谷。這是我們規(guī)范里面給出的水平地震影響的最大值，這個大家都很清楚。

這個數(shù)值的意思是說我們的小震多于地震影響系數(shù)跟地震的影響系數(shù)相差是非常大的，所以我們的房子設計一定要進入彈塑性階段。并且你看一下這兩個限值，從鋼結構中可以看出來差了6倍，所以說彈性位移角限值是非常之大的。

支撐鋼架，特別是梁要產(chǎn)生比較大的能量來避開建筑物的倒塌，這就是所說的“梁鉸”機制，要確?？拐鹦阅?，所以在這里也提出了我們要選抗震性能好的鋼材，這個是梁鉸機制，這是我們希望的梁鉸機制。

鋼結構抗震設計要提到一些性能要求，這些大家都比較清楚，以后規(guī)范里可能出現(xiàn)的是屈服強度，有明顯的屈服強度，我們現(xiàn)在有4條，其中前面的1、2、3條是我們對鋼框架的要求，第4條是連接的時候需要焊接，這是對焊接時候的要求，這個四條基本要求是抗震用材的四項基本要求，一般性都是要滿足的。并且在我們非抗震設計規(guī)范里面我們GB50017在塑性設計中也提了三項要求，它提了三項要求，這是源遠而來的規(guī)范抄下來的，一個是最大的變形應變。

美國鋼結構協(xié)會有規(guī)程，就是AISC，高強鋼的規(guī)定經(jīng)歷了不斷的修改，我在這里沒有列出來，但是大家回去以后可以看到，它沒有提幾項要求，可是它把柱子、梁，選的鋼材都做了規(guī)避，實際上大家還可以看到，鋼結構設計規(guī)劃里沒提這些要求，可是做相對計算的時候提出了這些要求，它的安全系數(shù)1.7，在抗拉強度的時候安全系數(shù)是2.5，實際上1.7到2.5，不到0.7，提出了相應的要求，很多規(guī)范里都隱含在里面。

剛才說的美國的這些規(guī)定實際上就是發(fā)揮性能、耗能，因此一般大家都知道材料的高強化屈強比要增大，延伸力要降低，這是我們材料、高強跟年限要求的一個矛盾。

這里面我還列舉了日本高性能的抗震鋼材，這里面設置了這么幾項。我們現(xiàn)在普通的鋼材給出的都是屈服點的下線，實際上真正拿到的鋼材它的屈服點非常之大，甚至可能差到2百兆大，2百多兆都有，可是日本的在120兆，并且還規(guī)定加大焊鋼量，這些應該要保證焊接鋼材的性能，日本也有高強的鋼材，叫SA440鋼材，它也規(guī)定了幾項要求，所以日本的抗震性能多數(shù)是有這些要求的。我們的建筑結構用鋼板在里面應該說參照了日本的SN系列鋼，也做了規(guī)定，這些鋼材的性能相對來說是比較好的。

所以說對于大家在選用GJ鋼時候大家要注意，我們現(xiàn)在有一個規(guī)范把這個性能列在里面了，可是這不是所有的GJ鋼都可以，GJ鋼是一種比較好的，等同于日本SNC的鋼材，它跟普通的SN系列鋼，它與通用的碳素鋼，低合金鋼的主要差異是規(guī)定：屈強比，屈服強度波動范圍，降低了P、S含量。同時GJ鋼還有良好的伸長率，所以GJ鋼有好的延性，是理想的抗震鋼材。

我總結一下，我們要達到屈服機制，要達到要求的抗震性能，要保證設計要求的抗震性能，保證變形能力，我們對鋼材的性能提出了這么多的要求。第一個是控制屈服點，就是說要把上下限制的范圍縮小，要“低屈強”，還有一個是要保證截面的尺寸，因為我們現(xiàn)在的鋼板、型材是有偏差的，所以大家選擇材料的時候要注意，要保證鋼材的韌性，在支撐連接的部位要保證。

在這里要重點地說一下鋼材屈強比的重要性。這個比可以通過這個圖來顯示出來，假如說它的屈強比越低，它的塑料區(qū)域的發(fā)展將會增大，構件的耗能能力也將會增強。

這里還有舉一些例子，連接梁。沒有一定屈強比的保證，我們一定要保證相對的屈強比。

這個是歐美規(guī)范對屈強比的一些規(guī)定。這個羅列了不僅是建筑規(guī)范，還有橋梁的，還有管線鋼的，實際上面真正要求的是0.84，德國要求更嚴格，控制的是0.81，這些規(guī)范對我們有一定的借鑒意義。

第四個要跟大家說一下，早上也有人說過，我們國家現(xiàn)在有很多部門都在開發(fā)鋼材，那這些怎么樣應用到建筑里面來呢，對我們建筑工程師提出了相關的要求。所以我的理解是要在建筑里用屈強比比較高的鋼材，這樣就需要發(fā)展我們新的抗震結構，我這里叫控制震害結構。

在北嶺地震和阪神地震后，發(fā)現(xiàn)特殊抗彎框架坡壞了。主要破壞是梁端與柱焊接區(qū)的脆性破壞。這樣，依靠SMRF吸取和消耗大部分輸入能量的概念，導致了結構的嚴重破壞。所以國際趨勢是發(fā)展控制震害的結構(DCS)。這個就是DCS結構的原理。DCS結構模型是依靠支撐耗能。用了所謂的能量消耗系統(tǒng)，左側是一個全部的結構，分立出來了以后是一個新的鋼的結構系統(tǒng)，另外一個是能量消耗系統(tǒng)。

這里所說的能量消耗系統(tǒng)的話，我這里舉了一個簡單的例子，在日本叫UBB，我這里有兩張圖，一個是純粹的鋼框架，這個后面加了UBB的簡支，它的耗能能力非常強大，加了這個東西以后，我的鋼框架處于相對的彈性狀態(tài)，這樣可以放松對鋼鐵屈強比延性的要求，這樣的鋼材使用應該有非常廣闊的前景，所以我們要大力發(fā)展DCS結構。

通過上面那些介紹跟敘述，我在這里就得出兩個結論，這個結論是一家之言，按現(xiàn)有的抗震設計方法，按強柱弱梁要求來耗能抵抗地震，對構件鋼材的要求應遵循上面所述的四項要求。其中屈強比不應大于0.85，我在這里著重提出來。第二，在今后發(fā)展了抗震方法，如DCS設計法，鋼框架梁柱子再生大震時還處于彈性狀態(tài)，那么對鋼框架中的梁柱可以放松要求，采用屈強比的鋼材是有可能的。

好的，我的報告就到這里。謝謝大家！