钢结构经济性能

钢结构经济性能（精选九篇）

钢结构经济性能 篇1

在建筑结构设计中, 不同方案的选择及不同建筑材料的选用对工程造价会有较大影响, 像基础类型选用、进深与开间的确定、层高与层数的确定、结构形式选择等都存在着技术经济分析问题。下面就主要结构部分进行举例说明:

基础:基础结构的造价与工程所在地的地质条件密切相关, 其工期约占整个建筑物主体工程的25%-30%, 造价约占总造价的10%-20%, 基础工程的重要性显而易见。所以设计时应重视地质勘察报告的交底工作, 选择合理的基础型式, 控制基础的截面尺寸与埋深。这对整座住宅楼工程造价的控制起到了积极作用。

柱网布局与柱子:柱网布局是确定柱子的行距 (跨度) 和间距 (每行柱子相邻两柱间的距离) 的依据。一般来讲, 柱网尺寸在6-12m之间, 柱距小则传力路线短, 上部结构节省材料, 但可能基础费用高, 因而柱网布局是否合理, 对工程的结构造价有很大的影响。此外, 柱子截面形状及大小的选择也对工程造价有着直接的影响。

梁:矩形截面梁是最普通的受弯构件, 在设计时常被使用, 但材料利用率很低。一是因为靠近中和轴的材料应力较低;二是梁的弯矩沿梁长是变化的。由于等截面梁大部分区段应力低, 材料得不到很好利用, 只有在轴心受力时, 材料利用率才可提高。因此, 设计时可采用平面桁架代替矩形梁, 平面桁架相当于掏空的梁, 将梁中多余的材料掏去, 这样既经济, 自重又可减轻。它还可发展为空间网架, 材料的利用率就能大幅提高。

多层民用建筑设计多采用钢筋砼结构和砖混结构, 很少采用钢结构, 钢结构在民用房屋的应用主要还集中在高层建筑上, 近年随着经济建设的发展, 钢结构在民用建筑上的应用越来越多, 随着钢结构在实际工程的应用经验和设计理论研究的日益广泛, 及钢结构生产厂家不断推出新的钢结构产品, 钢结构在多层民用建筑上的应用日渐增长, 例如组合楼盖在多层民用房屋楼盖中的应用, 在不降低结构安全指标的基础上, 即可降低梁高、板厚, 减轻结构自重和地震作用, 又可获得较大的建筑空间, 满足建筑使用的要求, 相对钢筋砼具有较高的经济价值。轧制H型钢的大量生产, 楼承板的多样化, 防腐涂料及防火涂料的成熟也为多层民用房屋钢结构的应用创造了广阔的空间, 多层钢结构相对钢筋砼结构有如下特点:

质量易控制:钢结构构件工厂加工, 节点螺栓连接, 生产自动化程度高, 精度有保证, 干作业, 质量易于控制, 钢筋砼结构现场浇注, 湿作业, 质量与技工水平有很大关系。

施工工期短:钢结构工厂化生产, 现场安装, 工序简单, 工作面大, 施工速度快, 钢筋砼结构要钢筋绑扎、支模、浇注、震捣、养护多道工序, 耗费人力物力, 施工周期长。

充分利用建筑空间:钢结构相对钢筋砼结构梁柱截面小, 可以降低层高, 增大有效使用面积, 结构布置灵活, 容易获得大空间, 能够悬挑较大跨度。

基础工程量减少地震作用弱:钢结构结构自重轻, 柔性好, 抗震有利, 基础受力减小, 基础截面降低, 基础工程量减少。

结构防腐、防火、建筑隔声、需做处理。

钢结构体系在降低造价方面也有特别之处, 不同的结构体系和平、立面布置对工程造价的影响较明显。在设计阶段只有根据建筑物的使用功能要求, 确定合理的平、立面布置和结构体系, 才能有效控制工程造价, 做到经济适用。列举如下:

根据有关资料测算分析, 对于多层建筑, 不同层数对土建工程造价的影响为10%-25%;不同层高对土建工程造价的影响为1.5%-12%。

门式刚架轻钢结构厂房设计, 同样存在经济跨度和刚架最优间距。在工艺要求允许的情况下, 尽量选择小跨度的门式刚架较为经济。一般情况下, 门式刚架的最优间距为6m-9m, 当设有大吨位吊车时, 经济柱距一般为7m-9m, 不宜超过9m, 超过9m时, 屋面檩条、吊车梁与墙架体系的用钢量也会相应增加, 造价并不经济。

在多、高层钢结构中, 楼板结构体系的工程量占有较大比重, 对结构的工作性能、造价都有重要影响。在确定楼板结构方案时, 主要考虑要保证楼板有足够的平面整体刚度, 能减轻结构的自重及减小结构层的高度, 有利于现场安装方便及快速施工, 还要有较好的防火、隔音性能, 并便于管线的敷设。常用楼板做法有:压型钢板组合楼板、预制楼板、叠合楼板和普通现浇钢筋混凝土楼板等。目前最常用的做法为压型钢板组合楼板和普通现浇钢筋混凝土板。当采用这两种做法时, 考虑现浇板与钢梁组合成为共同受力的组合梁, 能有效降低钢梁高度, 较多地节约钢材。

在高层钢结构中, 框架柱采用圆形钢管混凝土柱, 梁、板采用钢-砼组合结构, 总用钢量比普通钢结构用钢量有大幅度减小, 能有效降低工程造价。

钢结构建筑所具有的优点决定其必将具有强大的生命力。钢结构体系, 制造工场化, 施工干作业, 工期短, 工业化程度高, 无污染, 无建筑垃圾, 符合建筑市场发展趋势。可见随着钢结构的进一步发展, 钢结构体系值得在多层民用建筑中推广使用。

参考文献

[1]康珍珍, 高层建筑结构体系分析及结构选型模糊决策研究[D]辽宁工程技术大学, 2006.

如何提高钢结构的耐火性能? 篇2

由于钢结构耐火性能差，在火灾高温作用下将很快失效倒塌，耐火极限仅15-，因此，对用于重要建筑物的钢结构，需进行耐火保护.以提高其耐火性能，目前，世界各国对钢结构采用多种方法进行保护这些方法从原理上来说可分为两种:截流法和疏导法

1、截流法

截流法的原理是截断或阻滞火灾产生的热流量向构件的传输，从曲使构件在规定的时间内温升不超过其临界温度。其做法足在构件表面设置一层保护材料.火灾产生的高温首先传给这些保护材料，再由保护材料传给构件，

由于所选材料的导热系数较小.而热容又较大，所以能很好地阻滞热流向构件的传输，从而起到保护作用。截流法又分为喷涂法、包封法、屏蔽法和水喷淋法。喷涂法是用喷涂机具将防火涂料直接喷涂在构件表而，形成保护层;包封法是用耐火材料如防火板材、混凝土或砖、钢丝网抹耐火砂浆等把构件包裹起来;屏蔽法是把钢构件包藏在耐火材

料组成的墙体或吊顶内，主要适用于屋盖系统的保护;水喷淋法是在结构顶部设喷淋供水管网，火灾时自动启动(或手动)开始喷水，在构件表面形成一层连续流动的水膜，从而起到保护作用

2、疏导法

论建筑钢结构的经济性能及造价问题 篇3

在建筑结构设计中，不同方案的选择及不同建筑材料的选用对工程造价会有较大影响，下面就主要结构部分进行举例说明基础结构的造价与工程所在地的地质条件密切相关，其工期约占整个建筑物主体工程的25%-30%，造价约占总造价的10%-20%，基础工程的重要性显而易见。所以设计时应重视地质勘察报告的交底工作，选择合理的基础型式，控制基础的截面尺寸与埋深。这对整座住宅楼工程造价的控制起到了积极作用。

柱网布局与柱子：柱网布局是确定柱子的行距 (跨度) 和间距 (每行柱子相邻两柱间的距离) 的依据。一般来讲，柱网尺寸在6-12m之间，柱距小则传力路线短，上部结构节省材料，但可能基础费用高，因而柱网布局是否合理，对工程的结构造价有很大的影响。此外，柱子截面形状及大小的选择也对工程造价有着直接的影响。

梁：矩形截面梁是最普通的受弯构件，在设计时常被使用，但材料利用率很低。一是因为靠近中和轴的材料应力较低;二是梁的弯矩沿梁长是变化的。由于等截面梁大部分区段应力低，材料得不到很好利用，只有在轴心受力时，材料利用率才可提高。因此，设计时可采用平面桁架代替矩形梁，平面桁架相当于掏空的梁，将梁中多余的材料掏去，这样既经济，自重又可减轻。它还可发展为空间网架，材料的利用率就能大幅提高。

近年随着经济建设的发展，结构在多层民用建筑上的应用日渐增长，例如组合楼盖在多层民用房屋楼盖中的应用，在不降低结构安全指标的基础上，即可降低梁高、板厚，减轻结构自重和地震作用，又可获得较大的建筑空间，满足建筑使用的要求，相对钢筋砼具有较高的经济价值。轧制H型钢的大量生产，楼承板的多样化，防腐涂料及防火涂料的成熟也为多层民用房屋钢结构的应用创造了广阔的空间，多层钢结构相对钢筋砼结构有如下特点：

质量易控制：钢结构构件工厂加工，节点螺栓连接，生产自动化程度高，精度有保证，干作业，质量易于控制，钢筋砼结构现场浇注，湿作业，质量与技工水平有很大关系。

施工工期短：钢结构工厂化生产，现场安装，工序简单，工作面大，施工速度快，钢筋砼结构要钢筋绑扎、支模、浇注、震捣、养护多道工序，耗费人力物力，施工周期长。

充分利用建筑空间：钢结构相对钢筋砼结构梁柱截面小，可以降低层高，增大有效使用面积，结构布置灵活，容易获得大空间，能够悬挑较大跨度。

基础工程量减少地震作用弱：钢结构结构自重轻，柔性好，抗震有利，基础受力减小，基础截面降低，基础工程量减少。

钢结构体系在降低造价方面也有特别之处，不同的结构体系和平、立面布置对工程造价的影响较明显。在设计阶段只有根据建筑物的使用功能要求，确定合理的平、立面布置和结构体系，才能有效控制工程造价，做到经济适用。列举如下：

根据有关资料测算分析，对于多层建筑，不同层数对土建工程造价的影响为10%-25%；不同层高对土建工程造价的影响为1.5%-12%。在工艺要求允许的情况下，尽量选择小跨度的门式刚架较为经济。一般情况下，门式刚架的最优间距为6m-9m，当设有大吨位吊车时，经济柱距一般为7m-9m，不宜超过9m，超过9m时，屋面檩条、吊车梁与墙架体系的用钢量也会相应增加，造价并不经济。

钢结构建筑所具有的优点决定其必将具有强大的生命力。钢结构体系，制造工场化，施工干作业，工期短，工业化程度高，无污染，无建筑垃圾，符合建筑市场发展趋势。可见随着钢结构的进一步发展，钢结构体系值得在多层民用建筑中推广使用。

参考文献

[1]康珍珍, 高层建筑结构体系分析及结构选型模糊决策研究[D]辽宁工程技术大学, 2006.

温室类型、结构和性能教案 篇4

一、教学目标：

1.描述各种具体的温室类型，说明各种温室结构的优点、局限性。2.形成关心设施农业发展的情感。

二、教学重点和难点

1.教学重点：

①、玻璃温室的特点。

②、说明各种温室的优点、局限性。2.教学难点

智能温室

三、教学方法和手段

主要以讲授为主，提问、讨论互动为教学为辅

四、教学导入

作为高效农业的一个重要组成部分，温室大棚的使用范围越来越广，技术也越来越发达，基建硬件和内部软件上都出现了新的趋势。因而，详细了解温室大棚的多样化类型，功能不一的运营系统以及如何更好地提高效率，对现代农业具有现实的指导意义。

五、教学内容

作为高效农业的一个重要组成部分，温室大棚的使用范围越来越广，技术也越来越发达，基建硬件和内部软件上都出现了新的趋势。因而，详细了解温室大棚的多样化类型，功能不一的运营系统以及如何更好地提高效率，对现代农业具有现实的指导意义。那么首先我们对温室的概念做一下简单了解。

温室是以有透光能力的材料作为全部或部分围护结构材料建成的一种特殊建筑，能够提供适宜植物生长发育的环境条件，我们根据透光材料的不同，可以分为薄膜温室、玻璃温室和PC板温室。

一、薄膜温室

俗称塑料大棚，是指用各种类型的塑料薄膜作为透光覆盖材料（如长寿膜、高强编织膜、抗结露膜、双层充气门膜等），内部无环境调控设备的单跨结构设．．施。优点是前期投入低、易操作、简单方便，因而在单个农户或农村合作社中广泛应用。主要适用于生产各种瓜果类农作物。缺点是由于薄膜容易老化，存在薄

膜定期更换等问题，所以后期会有持续投入。依据建筑材料和结构特点，薄膜温室又可以分为竹木结构温室和钢结构温室。

（一）竹木结构温室

竹木结构塑料大棚即为由竹木作为骨架，塑料薄膜作为覆盖材料的大棚。竹木结构大棚通常只能建造单栋大棚，跨度一般为6-12米、长度50—60米、肩高1一1．5米、脊高1.8—2．5米；按棚宽(跨度)方向每2米设一立柱，立柱粗6—8厘米，顶端形成拱形，地下埋深50厘米，垫砖或绑横木，夯实，将竹片（竿）固定在立柱顶端成拱形，两端加横木埋入地下并夯实；拱架间距1米，并用纵拉杆连接，形成整体；拱架上覆盖薄膜，拉紧后膜的端头埋在四周的土里拱架间用压膜线或8号铅丝、竹竿等压紧薄膜。竹木结构温室的优点是取材方便，造价较低，建造容易；缺点是棚内柱子多，遮光率高、作业不方便，寿命短，抗风雪荷载性能差。

（二）钢结构温室

钢结构温室采用钢筋、钢管或两种结合焊接而成平面桁架，上弦用16毫米钢筋或6分管，下弦用12毫米钢筋，纵拉杆用9—12毫米钢筋。

跨度8—12米，脊高2．6—3米，长30—60米。纵向各拱架间用拉杆或斜交式拉杆连接固定形成整体。拱架上覆盖薄膜，拉紧后用压膜线或8号铅丝压膜，两端固定在地锚上。

钢结构温室的骨架坚固，无中柱，棚内空间大，透光性好，作业方便，但是大棚骨架依靠涂刷油漆防锈，1—2年需要涂刷一次，如果维护得好，使用寿命可达6-7年。

之前所说的薄膜温室属于温室最初级的结构，以下所介绍的是已经在欧美广泛使用，逐渐在我国兴起的较为先进的玻璃温室。

二、玻璃温室

玻璃温室是指以玻璃为主要透光材料的温室，因其较高的透光性，适合于高光作物的种植，因而多用于低温季节喜温蔬菜、中药材花卉和林木等植物栽培或育苗。标准的现代化温室大棚设备主要包括：基础部分、骨架部分、顶部覆盖、四周覆盖、通风系统、外网部分、内部保温遮阳幕、降温部分、上喷溉系统、施肥系统、活动植床、内循环系统、环境控制系统和照明系统等。

玻璃温室常见的有文洛型温室、人字梁大跨度玻璃温室和屋面全开型玻璃温室。下面我们重点了解一下文洛型和屋面全开型玻璃温室。

1、Venlo文洛型温室

取名于荷兰叫做文洛的城市，温室每跨2-4个小屋脊，屋面上采用从屋脊直接铺设到天沟的整块玻璃，最大限度地提高了温室采光效率,这种桁架结构设计 2

方便了悬挂种植篮、喷灌设备以及其他各种必须设备，亦可安装遮阳保温幕，夏季减少光照和冬季减少热量损失，从而提高能效。文洛型温室通常采用单面通风或双面通风，使得选择更为灵活。人字梁结构设计挑高了屋顶，增加了空气体量，因此减少了温室内部温度的波动。

2、屋面全开型玻璃温室

可以通过屋顶的开窗控制系统，根据室外环境变化打开或者闭合屋顶通风，从而实现最为灵活的环境控制，且运行费用相对较低，优点是可最大化采光和通风、节水、模拟室外生长环境减少花卉生长过程中的二次搬运。因此，屋顶全开型温室已经成为高效节能温室的先锋。

三、PC板温室

是指以聚碳酸脂板为覆盖材料的温室。

其主体主要采用热浸镀锌钢制骨架，顶部及四周覆盖的材料主要采用进口或者国产聚碳酸脂中空板或波浪板。

PC板温室适合于花卉种植、种苗繁育、花卉市场、生态酒店、科研教学等。PC板温室的优点是，导热系数低，保温性能优越；抗冲击强度高，安全系数大；重量轻，可减少温室钢结构用量；柔韧性好，安装简便，可冷弯成各种造型，施工简单；防结露与抗冰雹功能好；不易燃烧，有自熄性。

缺点是，PC板易老化，又容易沾附空气中的粉尘，透光性与玻璃温室相比还是略为逊色，；透光率衰减快，对日照时间短的地区及光照要求高的植物不适宜；且造价相对较高。

四、现代化温室——智能温室——植物工厂

智能温室也称作自动化温室，是指配备了由计算机控制的可移动天窗、遮阳系统、保温、湿窗帘/风扇降温系统、喷滴灌系统或滴灌系统、移动苗床等自动化设施，基于农业温室环境的高科技“智能”温室。智能温室的控制一般由信号采集系统、中心计算机、控制系统三大部分组成。

温室自动化控制系统是以PLC为核心，采用计算机集散网络控制结构对温室内的空气温度、土壤温度、相对湿度、CO浓度、土壤水份、光照强度、水流量以及PH值、EC值等参数进行实时自动检测、调节，创造植物生长的最佳环境，使温室内的环境接近人工设想的理想值，以满足温室作物生长发育的需求。适用于种苗繁育、高产种植、名贵珍稀花卉培养等场合，以增加温室产品产量，提高劳动生产率。

计算机操作人员根据种植作物所需求的数据及控制参数输入计算机，系统即可实现无人自动操作，计算机采集的各项数据准确的显示、统计，为专家决策提供可靠依据。控制柜设有手动／自动切换开关，必要时可进行手动控制操作。

2六、作业

问题：

1、如何提高空气中CO2的浓度？

2、温室中缺乏病虫害的天敌，若不用农药，该怎么办？

3、温室环境是不利于传粉的（无论是风媒还是虫媒），如何才能解决这一问题？

参考答案：

1、二氧化碳施肥：空气中二氧化碳含量很低，约为325～345ppm（0.0325～0.0345％），普遍认为二氧化碳体积分数达到0.1%时几乎对各种作物都有增产的效果。

2、无土栽培：生长快、产量高、质量好、清洁卫生

钢结构经济性能 篇5

随着我国国民生活水平和建筑工业技术水平的提高, 人们对建筑的宜居度和舒适度也提出了更高的要求, 促使结构形式朝着复杂化、个性化发展。传统的纯框架结构和框架———剪力墙结构不能完全满足人们对空间和个性化的要求, 很多具体项目中不得不将结构布置成少墙框架结构。近年来小高层中少墙框架结构的应用越来越广泛。《建筑抗震设计规范》 (GB50011—2010) (以下简称《抗规》) 第6.1.3条对少量剪力墙的框架结构作出了的规定, 即在规定的水平力作用下, 底层框架部分所承担的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%。这使得少量剪力墙的框架结构的适用范围较大。《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ3—2010) (以下简称《高规》) 和《抗规》并没有明确提出剪力墙在这种结构中的作用, 对框架的包络设计做强制要求, 这导致结构设计无章可循。

2 对规范相关条文的理解

《抗规》6.2.13-4条规定, 设置少量抗震墙的框架结构, 其框架部分的地震剪力值, 宜采用框架结构模型和框架-抗震墙结构模型二者计算结果的较大值。同时, 《高规》第8.1.3条根据结构底层框架部分承受的地震倾覆力矩占结构底层总地震倾覆力矩的比重对框架-剪力墙结构进行了细分, 如下表所示。

Mf-规定水平力下底层框架柱分配的倾覆弯矩

M0-规定水平力下底层总倾覆弯矩

《高规》第8.1.3条文说明中指出少墙框架结构中剪力墙应减薄、开竖缝、开结构洞、配置少量单排钢筋措施, 减少剪力墙的作用。为了避免剪力墙过早开裂或破坏, 其位移相关控制指标按框架———剪力墙结构规定采用。《高规》和《抗规》的上述规定可从以下几个方面理解:

(1) 少墙框架结构属于一种特殊的结构形式, 但仍是框架结构。框架部分是最主要的抗侧力体系, 仍然是抵抗水平力的第一道防线, 剪力墙在抗侧力体系中处于次要地位。

(2) 结构分析计算中除应按纯框架结构计算外, 还应考虑剪力墙与框架的协同工作。即不仅要按纯框架结构计算, 还需要按框架-剪力墙结构进行补充计算。需要说明的是, 规范虽未明确要按纯框架结构计算, 但对这一特殊的框架结构, 现行规范和规程对钢筋混凝土框架结构的所有要求 (承载力要求、弹性变形限值要求、弹塑性变形限值要求等) 均应满足, 因此, 按纯框架结构的要求进行设计计算是必须的。对这类框架结构按纯框架结构和按框架-剪力墙结构进行计算, 然后取包络结果。

(3) 在结构设计中, 应对剪力墙的刚度进行适当的折减, 以避免剪力墙在地震作用下分担过多的水平荷载而导致剪力墙结构过早的破坏, 从而丧失功能。同时剪力墙的布置要适当的分散, 避免剪力过于集中在少数剪力墙造成剪力墙计算超筋。

3 工程抗震性能及经济性对比

布置少量剪力墙的框架结构与剪力墙较少的框架-剪力墙结构在定量上无明确的界限, 如在结构位移仅能满足框架结构限值要求的前提下, 可将框架和剪力墙协同工作的结构描述为“配置少量剪力墙的框架结构”, 而当结构位移满足框架-剪力墙结构限值要求的前提下, 又可将框架和剪力墙协同工作的结构描述为“框架-剪力墙结构”。对结构体系的定性把握的摇摆性加大了结构设计中对结构体系描述的随意性。

本工程为佛山顺德某小学教学楼, 7度, 0.10g, 层高3.6m, 12层, 采用框架结构体系, 由于有两个电梯井, 在电梯井周边需要布置剪力墙, 整个结构体系变成带少量剪力墙的框架结构。本工程采用了框架结构和少墙框架结构 (计算时定义为框架-剪力墙结构) 两个模型进行计算对比。

Mf-规定水平力下底层框架柱分配的倾覆弯矩

M0-规定水平力下底层总倾覆弯矩

从上述计算结果可以看出在抗震性能方面, 少墙框架结构X向最大层间位移角为1/1094, Y向最大层间位移角为1/1010;纯框架结构的层间层间位移角为1/979, Y向最大层间位移角为1/809。可以看出加了少量剪力墙之后, 结构的层间位移角明显减少, 结构的看着性能明显增强, 可有效减少地震作用下墙体的开裂, 结构安全性增强。从经济性角度看两种计算模型的板配筋相同, 纯框架模型的柱配筋比少墙框架模型多2.1%, 纯框架模型的梁配筋比少墙框架模型多0.8%, 纯框架模型的总配筋比少墙框架模型少2.9%。固少墙框架结构比纯框架结构的配筋量增加不大, 但对抗震性能有较为明显的提高。

4 结束语

当纯框架的地震位移满足规范要求, 即纯框架结构的弹性层间位移角能满足θe≤1/550的要求时, 为适当减小结构在多遇地震作用下的侧向变形, 而设置少量钢筋混凝土剪力墙。能适当改善框架结构的抗震性能。需要指出的是, 因为剪力墙很少的框架结构与框架-剪力墙结构有本质的区别, 并不是只要有剪力墙就都能成为框架-剪力墙结构, 也并不是所有的剪力墙都能成为第一道防线。在剪力墙很少的框架结构中, 剪力墙成不了第一道防线 (注意:由于剪力墙自身的刚度大, 这就决定了剪力墙 (不管结构体系如何) 均不可能成为第二道防线) 。因此少墙框架结构虽能改善结构的层间位移角, 但没有第二道防线故整体抗震性能较差。在经济性方面, 少墙框架比纯框架的钢筋用量略有增加, 对整体工程的造价影响不大, 因此在小高层中, 纯框架体系中加入少量剪力墙从抗震性能和经济性上说是较为合适的。

摘要：少墙框架结构在工程中的的应用越来越广泛, 然而《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ3—2010) 和《建筑抗震设计规范》 (GB50011—2010) 并没有明确提出剪力墙在这种结构中的作用, 对少墙框架结构的包络设计也没有做强制要求, 这导致对少墙框架结构进行设计时概念不清, 同时对少墙框架结构的经济性也不易把握。本文以小高层为例, 对少墙框架结构进行包络计算和分析, 从抗震性能和经济性角度进行分析, 为少墙框架结构的设计提供参考。

新型城镇钢结构住宅性能研究 篇6

关键词：钢结构,节能,环保,绿色建筑

城镇化是我国现代化建设经历的过程, 城镇化发展应与资源环境承载能力相适应。我国对能源资源的需求迅速膨胀, 全球资源供需矛盾和碳排放权争夺更加尖锐, 我国能源资源和生态环境面临的国际压力前所未有, 传统高投入、高消耗、高排放的工业化城镇化发展模式不能被采用。城镇化的建筑工程在建造过程中产生大量的二氧化碳排放已经达到了排放总量的约50%。建筑能耗 (包括建造环节能耗和使用环节能耗) 巨大, 我国建筑节能面临着异常严峻的形势。

因此城镇化建设过程中应遵循生态文明, 绿色低碳。把生态文明理念全面融入城镇化进程, 着力推进绿色发展、循环发展、低碳发展, 节约集约利用土地、水、能源等资源, 强化环境保护和生态修复, 减少对自然的干扰和损害。实施绿色建筑行动计划, 完善绿色建筑标准及认证体系、扩大强制执行范围, 加快既有建筑节能改造, 大力发展绿色建材, 强力推进建筑工业化。

1 钢结构住宅的节能性能

钢结构节能住宅, 是以工厂化生产的钢梁、钢柱 (包括H型钢柱、钢管柱、箱形柱或钢管混凝土柱) 为骨架, 同时配以新型轻质的保温、隔热、高强的墙体材料作为围护结构而构成的住宅。钢结构住宅是“绿色建筑”, 国外部分发达国家, 钢结构住宅占有相当大的比重, 占总建筑面积已经达到了30%以上, 而我国尚不足1%, 农村建筑中采用钢结构的比例更小。有关数据表明, 我国目前累计建成节能建筑只有10.6亿平方米, 仅占全国城镇既有建筑面积的7%。

钢结构住宅相对于混凝土结构与砌体结构, 在建造过程中粘土砖及水泥的用量较小, 能耗低, 污染轻。水泥、砂子和石子用量减少有助于减轻严重的环境污染问题。钢结构建造过程中对周围环境影响小。钢结构住宅在加工建造过程中为工厂化标准生产, 能耗低于传统建筑 (如砖混结构) 建造模式建设的住宅。以二氧化碳排放量一项为例, 钢结构住宅为200 mg/m2, 而钢筋混凝土住宅为248 mg/m2。钢结构住宅使用新型节能围护体系节能效果更加明显。钢结构用的钢材是一种高强度高效能的材料, 具有很高的再循环利用的价值。钢结构住宅建筑的钢材可以循环再利用, 有利于环境保护、资源节约和美化生存环境。

钢结构住宅体系采用复合墙体取代实心粘土砖, 减少因烧砖而毁坏的耕地。钢结构住宅体系柱截面较小, 采用复合墙体, 截面积小于砌体结构和混凝土结构, 可增加有效使用面积, 增加住宅使用面积特点, 有效利用土地资源。钢结构体系在施工中主要采用干作业, 施工现场用水量很少, 只有基础施工时用水。建设钢结构住宅仅考虑施工用水每年便可节约大量水资源。

2 结语

钢结构具有重量轻、抗震性能好、工业化生产程度高和施工速度快等重要优点。钢结构已经用于高层、超高层建筑、轻钢厂房以及大跨度的空间结构中, 在高层住宅建筑也逐步得到发展应用。钢结构的中低层住宅建筑已经在国内外得到研究、实验和开发, 许多工业发达国家均在积极推动产业化钢结构住宅体系。

随着我国钢产量的提高, 钢结构建筑建设速度较快, 在城镇建筑研究开发钢结构节能住宅, 采用节能、工厂化生产的墙体材料代替粘土砖, 采用新型高效的采暖供热系统, 使住宅建筑向舒适化、功能化、智能化、工业化发展, 是符合我国国情, 有利于节能及环保。

参考文献

[1]国家新型城镇化规划 (2014—2020年) .

[2]建筑抗震设计规范 (GB5011—2011) [S].北京:中国建筑工业出版社, 2011.

[3]钢结构设计规范 (GB50017—2003) [S].北京:中国建筑工业出版社, 2003.

[4]傅恒.多层和高层钢结构节点抗震设计.中国科技信息, 2007, 18.

多层钢结构住宅体系及性能探析 篇7

近年来, 钢结构在我国住宅体系中发展较快, 尤其是在民用建筑中, 其钢结构技术使用非常普遍和娴熟、稳定。钢结构的广泛推广, 其主要的一个原因是过去传统的钢筋混凝土结构在处于环境保护的情况下被人们所淘汰。因为随着我国经济和社会的发展, 人们的环保意识逐渐提高, 而过去传统的钢筋混凝土结构在构造过程中往往会引起许多环境污染, 人们非常重视和关注, 特别是进入21世纪, 环保已成为世界可持续发展的重要课题, 对存在污染环境的钢筋混凝土结构开始改进, 从而催生出新型钢结构建筑, 这是时代进步、社会进步的象征。

钢结构住宅体系中, 小震不坏、大震不倒、中震可修是建筑结构抗震设计的基本原则。为了达到上述目的, 结构体系应具有足够的强度和刚度, 以满足建筑物在正常使用条件下的相关要求。同时, 结构体系还应具有较高的延性和较大的耗能能力, 以使建筑结构在遭受高于本地区设防烈度的预估的罕遇地震影响时, 不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。强度、刚度和延性是结构抗展设计永恒的主题。由于钢结构本身所具有的不同于钢筋混凝土结构的材料性能, 该主题在建筑钢结构设计中体现得更为明显。而设计技术的现代化更能使结构工程师对建筑钢结构实现优化设计, 将材料性能与结构体系中力的分布和构件的变形有机地结合起来, 真正实现基于性能的结构设计。在多层钢结构住宅的结构形式的选择上, 主要要综合考虑它们工业化装配、结构的力学性能、建筑发挥的自由度、施工速度、建筑造价的经济性等几个方面。对于钢结构而言, 结构抗侧力性能是结构整体性能的重要因素, 决定着结构的选型和用钢量。

2多层钢结构住宅体系结构选型和构件要素

2.1 结构选型分析

在我国, 多层钢结构住宅体系一般有:交错桁架体系、框架-剪力墙 (核心筒) 体系、框架-支撑体系、纯框架体系等。交错桁架体系主要是由楼板、平面钢桁架、柱所形成的空间抗侧力体系。框架-剪力墙 (核心筒) 体系主要是指通过框架作为骨架承载所有重量, 以核心筒或者剪力墙来促使结构刚度增强, 从而承抗所有的水平荷载的体系。框架-支撑体系主要是指通过框架的支撑, 并沿横、纵各个方向增设一些垂直支撑从而促使结构抗侧移性能增强的体系。纯框架体系主要是指横、纵两方向都是刚接框架, 钢柱和钢梁的截面大多是H型的体系, 这种体系主要适用于一些不能设置支撑的住宅物。上面的这些体系在性能上都各有着其自身的优点和缺点, 在应用时应根据它们的空间、刚度、高度等进行选用。

2.2 结构构件形式

对于结构构件形式, 多层钢结构住宅体系主要有结构构件和非结构构件两种, 结构构件主要有基础、屋面结构、楼盖、梁柱等, 非结构构件主要是围护结构体系。其中, 基础形式主要选用柱下基础, 如果建筑物所在地质条件很差, 则可选择桩基础、筏形基础、条形基础等;楼盖和屋面结构一般构件要素为轻质隔音保温钢骨架楼 (屋) 板、叠合现浇楼 (屋) 板、压型钢板组合楼 (屋) 板、现浇钢筋混凝土楼 (屋) 板等, 其柱底往往还通过刚接柱脚, 也就是外包型柱脚和埋入式柱脚, 因为其自重较轻, 能较好利用;梁柱通常进行强柱弱梁式设计, 其梁一般选择热轧H型或者高频焊接型钢, 其柱一般选择钢管混凝土或者H型钢柱;围护体系一般选择的是轻质复合材料所构成。

3多层钢结构住宅体系实例性能分析

3.1 多层钢结构住宅体系单元布置

为了满足住宅的使用功能以及人们的居住要求, 住宅建筑的内部功能一般比较复杂, 其所需要的平面布局也较为多样、复杂, 其空间造型也比较多变, 柱距较小且柱网的不规则分布。所以, 在多层钢结构住宅体系中, 其满足钢结构特征及其人们住宅功能的单元建筑布置显得格外重要。下面对M-N型平面单元布置及其钢结构性能进行分析。M-N型平面单元 (如图1) 不但体现了现在主流的住宅房型, 同时也充分考虑了住宅钢结构特点, 此布置的M型是两房两厅一卫, 其面积为105.2平米, 其N型是三房两厅一卫, 它的面积为130.6平米。

3.2 多层钢结构住宅体系实例结构布置

前面已经介绍, 多层钢结构一般有交错桁架体系、框架-剪力墙 (核心筒) 体系、框架-支撑体系、纯框架体系等。这些结构体系中, 其中纯框架结构容易发生侧移, 为了加强其抗侧移刚度, 就需使其构件截面加大, 这将使用钢量和自重加大, 促使住宅体系整体经济性的下降;框架-剪力墙结构体系虽然有着刚度大、受力性好的优点, 但是其在施工过程中, 程序复杂并且进度较慢, 对于房产开发商来说非常不利;框架-支撑体系中, 其工序简便, 施工速度快, 并且其能通过合理的支撑布置对结构侧移进行有效控制, 既经济有合理, 是多层钢结构住宅M-N型建筑体系应用中优先考虑的对象。

选取了结构形式之后, 就需要进行结构构件的选取。第一, 钢柱如果使用的是格构式组合柱或者H型钢, 其所要使用的钢量将非常大, 并且其构件的截面也较大, 从而对住宅建筑可能会造成一些不必要的影响。而如果使用的是钢管混凝土柱, 其不但有着优越的受力性能和较大的抗侧移刚度, 并且其所需要的钢量比较小以及有着较好的防火性能, 现已经在许多钢结构住宅中进行了试用并效果反映良好。第二, 梁通常使用的是高频焊接H型或者热轧H型钢梁, 这些梁不但受力较好, 并且施工起来也比较简便, 非常容易操作和处理, 同时其可以利用加强环跟钢管混凝土柱进行连接。因此, 可选用以上两种钢梁。第三, 楼板有以上所介绍的几种类型, 在这几中类型中, 压型钢板组合楼板速度快、施工简便、性能良好, 并且不需要模板施工, 其应该作为楼便的首选。

当然, 在钢结构住宅体系中, 那些如填充墙体等非受力构件的选用也很重要。对于居住住宅来说, 墙体材料不但要满足防火、防腐、隔音、隔热等要求, 其还应该保证墙体的质量较轻并且要便于装配。通过对银川等地墙体市场的调查及参考实际工程, 本文认为应该在分户墙和外墙上使用泰柏板, 而其户内隔墙应该使用GRC内墙板。因为, 泰柏板是“泰柏”牌钢丝网架聚苯乙烯芯板 (GJ板) , 是一种由焊接钢丝组成三维空间骨架, 中间填充阻燃泡沫聚苯乙烯条的墙体材料, 使用时两侧抹20～30mm厚水泥砂浆层。这种材料有着高热阻、耐火极限高、整体性好、隔音性能好的优点, 现在在实践中已进行了广泛的应用。

3.3 实例结构性能试算

前面对钢结构住宅体现中的单元布置和建筑钢结构形式进行了探讨。下面将以M-N型建筑单元为例, 采取框架-支撑结构体系形式, 并通过PKPM系列设计软件SATWE对其结构进行试算。此算例是由两个M-N型单元对称拼接而成, 一共七层, 在每一层中的层高都是三米。其楼梯间和建筑物的两侧布置了六道支撑 (如图2) ;其中, 柱所使用的是厚为6mm、直径为300mm的钢管, 在钢管中灌入混凝土 (C40) , 其主梁所使用的是H型钢, 其有H250×125和H300×150两种, 次梁则使用H200×100的类型, 楼板是在厚压型钢板 (1mm) 上浇混凝土 (100mmC25) 所组成的组合板;此建筑的地震作用基本上的按照银川地区八度零点二级进行的抗震, 采取三类场地土进行计算, 其基本的风压一般为0.35kN每平方米, 其地面粗糙度基本上取C类。通过以上数据, 其得出的测算结果都在要求的范围之内, 从而表明这些结构构件以及形式的承载能力都达到了要求, 其结构水平位移当然就符合了规范, 测算结果如下表1和表2。

3.4 实例试算结果分析

针对以上多层钢结构住宅体系性能分析, 得出以下结论:第一, 多层住宅如果除了骨架采取钢框架之外, 其他的墙体材料仍可利用传统的砌块, 从而使得其柱下总轴力跟钢筋混凝土结构没多大差别。其地基基础的处理方式以及造价也不会有很大差异。从而使得钢结构的意义在住宅体系中很难体现。第二, 在多层住宅体系中除了其骨架使用了钢结构之外, 其围护材料也采用了452 板等新型材料, 将会使得住宅体系自重减轻, 产生的柱下总轴力仅为钢筋混凝土结构的60%左右, 将能大幅降低地基处理费用和基础造价。第三, 多层住宅钢结构在以452板等新型材料代替普通砌体, 如灰砂砖等墙体材料的情况下, 采用高频焊接薄壁H型钢梁比采用普通H型钢梁可节省用钢量约30%, 值得大力推广。

4结语

综上所述, 通过以上实例分析可知, 在多层住宅体系中使用钢结构框架和钢材料不但在性能上而且在经济上都优于过去的钢筋混凝土结构。因此, 多层钢结构住宅体系值的人们推广。而在多层钢结构住宅体系中, 其结构选型和钢材料布置也必须慎重考虑, 不同的结构选型和材料布置, 其性能也是不一样的, 必须针对建筑环境、住宅要求进行选择和布置。

摘要：多层钢结构住宅体系一般有:交错桁架体系、框架-剪力墙 (核心筒) 体系、框架-支撑体系、纯框架体系等。交错桁架体系主要是由楼板、平面钢桁架、柱所形成的空间抗侧力体系。而对于结构构件形式, 多层钢结构住宅体系主要有结构构件和非结构构件两种, 结构构件主要有基础、屋面结构、楼盖、梁柱等, 非结构构件主要是围护结构体系。对于不同的住宅建筑, 其所选用的钢结构形式和构件是不一样的, 因此应该对其进行具体的性能分析, 并加以选型, 从而提升住宅体系的安全性、舒适性。

关键词：多层钢结构,结构形式,结构构件

参考文献

[1]徐伟良, 王永跃.钢结构住宅建筑的开发与应用[J].建筑技术开发, 2010, (5) .

钢结构经济性能 篇8

关键词：钢结构,防火,耐火性能

钢结构建筑物因其综合经济效益较高, 已被现代建筑广泛采用;由于钢结构本身的耐火极限低, 抗火能力差, 其应用的前提是需对钢结构进行防火保护, 使其耐火性能达到有关规范规定。影响钢结构防火保护材料耐火极限的因素, 主要有:材料本身的属性、基材的结构特性材料与结构间的构造方式、标准所规定的试验条件等。

1 材料本身的属性

材料本身的属性是主要的内在影响因素, 决定其用途和适用性, 如果材料本身就不具备防火性甚至可燃烧, 那只能带来更大的火灾危害, 在其他条件相同的情况下, 材料的属性决定被保护结构的耐火极限, 当然还有材料的理化力学性能也应符合要求。钢结构防火涂料应在受火时具有良好的隔热性 (厚型防火涂料) 、发泡后膨胀隔热防火 (薄型防火涂料) ;无机复合防火板应在受火时仍然具有较低的热导率、减缓热传导速率;无机纤维既要有良好的附着力、也要求高温下的热导率增加缓慢;纤维板应在受火时不会有较大的萎缩、保持孔隙率、导热系数不随温度的升高而增加太快;柔性卷材在受火时既要膨胀发泡隔热、还要有良好的附着力。

2 基材的结构特性

基材的受力特性决定其结构特性 (如梁和柱) , 不同的结构处理在其他条件相同时, 得出的耐火极限是不同的, 尤其是节点的处理, 如焊接、铆接、球接网架、轻钢桁架等不同形式, 结构越复杂, 高温时结构的温度应力分布越复杂, 火灾隐患越大;基材的结构特性决定了保护措施选择方案。

3 材料与结构间的构造方式

即使使用品质优秀的材料, 构造方式不恰当时同样起不到应有的防火保护作用, 应该说只要不是易燃材料均可起到防火保护作用, 因为可以增大材料用量, 只是不经济而已;材料与结构间的构造方式取决于材料自身的属性和基材的结构特性。关系到结构设计的有效性问题, 应根据材料和基材特性来确定经济合理的构造方式。如厚型钢结构防火涂料在使用厚度超过一定范围后就需要用钢丝网来加固涂层与钢材之间的附着力;薄型和超薄型钢结构防火涂料在一定厚度范围内耐火极限达不到工程要求, 而增加厚度并不一定能提高耐火极限时, 可采用在涂层内包裹纤维的办法来增强已发泡涂层, 提高耐火极限, 满足工程要求。这些仅仅是涂层的构造处理, 但需要经过试验验证方能实施, 由于每一种构造不可能全部验证, 必要时就要靠进行专家评审或方案评估来解决。选择的构造一定要有普遍性和代表性, 避免试验的大量重复, 这一问题反映了实验室与工程实际之间的距离。

4 标准所规定的试验条件

属于外在因素, 但却是必备的条件。它与所选择的执行标准有关, 包括试件养护条件、使用场合、升温条件、实验炉压力条件、受力情况、判定指标等。试件不变的情况下实验条件越苛刻, 耐火极限越低。它是形成结构防火保护材料耐火性能不可或缺的条件, 任何一项条件不满足, 得出的结果均不科学准确。根据GB 9978、ISO 834 (或BS 476:Part20) 的要求, 将钢结构防火保护材料与钢构件 (梁、板、柱) 制作成组合试件经养护后置于标准升温环境中, 按规定的炉内气压、受火面、设计荷载进行耐火试验, 从而得出钢结构防火保护材料的耐火极限。承重构件以构件内部温度和挠度作为判定条件, 承重构件同时具有分隔作用时增加试件表面温度作为判定条件。也可根据工程特定要求进行有关试验, 但仅对该工程有效。

5 材料的老化性能

各种防火保护措施虽然在工程中发挥了作用, 但要持久地发挥作用需要所使用的材料具有良好的耐久性和较长的使用寿命, 尤其以防火涂料最为突出;防火涂料的耐久性试验条件已经成熟, 因为已经发布实施的GB 14907-2002标准的修订内容中增加了耐久性试验方法和技术要求, 是对产品环境适应性的考验。

6 灭火措施的制定

6.1 水的作用

考虑水的作用主要针对火灾发生后扑救过程中一定会用到水, 建筑构件特别是防火分隔构件和承重构件在受火或不受火条件下均会受到水的冲击, 基本要求应该是:建筑物在规定的耐火极限时间内受水的影响而建筑物不会垮塌, 我国的有关标准 (如GB 9978-1999、GB 7633-87) 中未做此规定。实际火灾中, 高温的建筑物构件突遇扑救过程中喷洒的冷水, 冷热碰撞, 必然会出现骤冷变形, 使构件整体强度降低, 再加上消防水枪喷出的水水压很大, 会对构件的稳定性产生很大的影响。

6.2 可借鉴的方法

部分国外标准在耐火试验方法中规定了冲水试验, 如:ASTM E119、UL1479、UL555等。在UL1479中对耐火极限的判定分F和T两种级别 (必须考虑允许的冲水试验) 。试件 (已知耐火极限后的另一相同试件) 在燃烧到一定时间 (一般为已取得的耐火极限的一半但不超过1 h) 后就立即进行冲水试验, 冲水试验后符合规定要求 (不垮塌、无穿孔和裂缝等) 才能构成完整的耐火极限。

火灾扑救中冲水试验对构件的耐火极限的确有很大的影响, 且是构成耐火极限内涵的重要部分。建议在标准制修订时可将此内容作为可选择的试验程序列入。

7 建 议

(1) 首先应区别可能发生火灾场合及其火灾特性, 针对不同火灾场合进行防火设计, 赋予规定耐火极限应有的内涵;其次是考虑扑救时施水对构件完整性及强度的影响而导致构件失效;然后, 考虑因材料及构造老化而引起的耐火极限允许衰减值。

(2) 我国现行耐火试验标准规定的条件与实际火灾有较大的差距, 根据耐火极限的重要性, 建议对耐火试验标准体系做出相应修改。

(3) 根据可能发生的火灾成因来分清具体的火灾场合, 制定不同的耐火试验方法。

(4) 在耐火试验中根据不同产品或构件的使用情况加入冲水试验作为附加条件 (分清不同使用功能进行选择) , 降低营救人员、消防官兵、逃生人员的伤亡率, 消除在规定时间内因火灾而引起的建筑物轰塌的可能性。

(5) 制定相关标准, 对该类材料进行定义、分类并提出基本性能要求, 使用符合标准要求的材料可以确定出科学、合理、经济的防火保护措施。

参考文献

[1]GB/T 9978-2008, 建筑构件耐火试验方法[S].

[2]GB 50045-2005, 高层民用建筑设计防火规范[S].

基于性能的钢结构抗震设计方法研究 篇9

历史上每一次强烈地震的发生, 都会给国家和公民的生命财产安全造成威胁。如今, 随着世界各地城市化规模的不断扩大, 那些发生在人口稠密地区的地震将造成更可怕的人员伤亡、巨额的经济损失和大量的房屋坍塌。最近发生在2015年4月25日的尼泊尔8.1级强震, 已造成该国数千人死亡, 仅首都加德满都就有90%的建筑被毁。有经济学家指出, 这次地震使尼泊尔国内大量基础设施发生结构性的损坏, 使国家经济至少倒退50年。长期以来, 人类从未停止过对地震的研究, 但地震存在监测和预报上的困难, 目前仍然没有有效的地震预警方法。而大量的数据证明, 地震造成的人员伤亡, 绝大数由房屋坍塌所致。因此, 人们只能最大限度地做好建筑物的抗震设防, 以减少地震对房屋的结构性破坏。在实际工程中, 设计人员通过选择更优的建筑材料和研究更好抗震设计方法, 不断地提高建筑的抗震性能。

1 钢结构的抗震优势

目前工程建设中广泛采用的钢筋混凝土结构和砌体结构都存在结构自重大, 地震耗能效果较差的缺点。从发生在2008年5月12日的四川汶川大地震的震后灾害中可以看出, 垮塌的建筑类型以砌体结构为主。由于混凝土和砌体等脆性材料本身延性小, 构件间的连接属于刚性连接, 结构在地震力作用下变形很小, 不能充分吸收地震能量。大量砌体房屋结构自重大, 各构件之间的连接薄弱, 缺少圈梁、构造柱等抗震构造措施。这些建筑在地震中突然垮塌时, 极易造成严重的人员伤亡。

钢结构和砌体结构相比, 钢结构在抗震性能上具有明显优势。由于钢构件的强度很高, 在承受相同的荷载条件下, 钢结构自重轻的优势越发显著。轻质高强的特点使得钢结构在地震发生时不会因为自重问题导致结构发生断裂。钢材也是接近均质和各向同性的材料, 符合材料力学的基本假定, 计算结果与实际受力较匹配。因此, 钢材可以在一定的荷载范围内保持良好的弹塑性变形, 不会因为偶然超载而发生脆性破坏。另外, 良好的韧性也使钢结构在动力荷载作用下表现出其他结构不可比拟的适应性。钢结构通过刚弹性连接构成整体, 可以抵抗大幅度的变形, 充分消耗地震能量, 属于良好的延性结构。由于具有以上优点, 钢结构十分适合在地震高发地区修建。

面对多样化的建筑结构类型, 目前我国的抗震设计规范均采取统一的分析方法, 未对不同结构类型采取有针对性的抗震计算。随着国内钢铁产量的不断扩大, 钢结构在我国的发展规模日益迅猛, 越来越多的钢结构建筑应运而生。从当前钢结构建筑发展的要求来看, 钢结构抗震设计理论和方法的进一步深化与完善已势在必行。

2 基于性能的抗震设计思想

基于性能的结构抗震设计最早由美国加州大学伯克利分校J.P.Moehle提出[1]。其核心思想是根据建筑物在使用期间能满足各项预定功能的要求, 确定其抗震设计目标和方法。基于性能的抗震设计的提出, 是对传统抗震设计设防目标的进一步精细化, 为工程抗震计算领域的发展带来了新的发展契机。相比于传统的抗震设计方法来讲, 基于性能的抗震设计提出了多目标控制方法, 具有可预见性, 带给人们在抗震设防标准上更多的选择空间。有关“多目标的控制方法”的概念主要体现在用户需求、项目投资能力等方面, 在多项抗震设计方案比选中, 经济指标应纳入参考范围。该方法要求在保障人们的生命安全的前提下, 控制经济财产损失量。

在评价建筑物抗震性能状态的物理量中, 除了力、位移、加速度以外, 还应该有能量和损伤程度的量化表述。基于性能的抗震设计要求计算出在不同地震强度作用下, 结构在进入非弹性阶段后, 各项性能指标的反映值和结构自身的能力值[2]。由于力的指标无法全方位描述非弹性状态及结构破坏损伤, 能量指标又在实际应用中存在困难, 目前基于性能的抗震研究主要集中在基于位移的抗震设计方法上。早在20世纪90年代, J.P.Moehle所提出的抗震设计概念正是基于结构在预定地震影响下的变形, 旨在控制结构的位移指标。

进入21世纪后, 人们对建筑物的使用需求日益多样化, 抗震设防的标准也日趋提高, 更加注重在地震中保证建筑物的使用功能。随着现代计算机在工程抗震计算领域的应用, 抗震设计理论以及方法的日渐成熟, 我国的工程抗震设计也开始将目光由传统的抗震设计转投向基于性能的抗震设计理论。我国在2004年颁布了CECS 160∶2004建筑工程抗震性态设计通则 (试用) (以下简称《通则》) , 为基于性能的抗震设计理论在我国发展开辟了新的道路。《通则》的抗震设计目标以预防为主, 对于人口稠密地区的重要建筑应适当地增加其抗震性能, 使其在地震时及地震后能够基本保持预定的使用功能, 将地震对人的生命和财产危害降到最低[3]。

3 基于性能的钢结构抗震设计方法

3.1 基于Pushover分析方法

Pushover分析方法由能力谱法经过不断地发展而来, 最早是由Freeman等人[4]提出。Pushover分析方法是一种静力弹塑性方法, 利用这种方法可以得到结构在弹塑性状态下的强度值和变形量, 也可以发现结构在动力影响下的薄弱环节。该方法是对某个结构施加单调递增的水平荷载, 使其达到一个给定的目标位移, 以此来分析结构的非线性变形能力以及破坏过程[5]。换言之, 基于Pushover分析是将一个多自由度体系转化为等效的单自由度体系, 并利用等效单自由度体系研究整体的承载力。随着基于性能的抗震设计方法的不断发展, Pushover分析方法已成为基于性能设计的重要工具。

由于Pushover分析方法的基本假定, 该方法更适合于以第一振型为主的结构, 并且水平加载模式的选取也对计算结果有较大影响。2008年, 葛杰[5]将钢结构的多层和高层框架结构分别在多遇和罕遇地震作用下进行Pushover分析, 对结构的抗震性能进行多方面的评估, 验证了Pushover分析方法在钢结构框架抗震验算的适用性和可靠性。另外, 在与反应谱分析法和时程分析法的比较中, 他发现Pushover分析方法更宜在多层钢结构中使用。

3.2 增量动力分析方法 (IDA)

增量动力分析 (IDA) 是将各条地震波的幅值不断进行调整, 对结构的分析从弹性阶段到屈服阶段, 再由弹塑性阶段最终进入结构破坏状态, 即整体不稳定状态[6]。在这一过程中, 进行大量的非线性动力分析。在不同的地震等级情况下, 该方法能够体现出结构相应的抗震能力, 包括结构的强度、刚度和变形过程。

在IDA方法的实施过程中, 首先应该选取具有代表性的数条地震波, 在确定地面烈度和结构状态变量后, 通过调整地震加速度进行时程分析, 得出的时程分析结果曲线就是IDA曲线。对于该曲线的分析可以利用需求和能力系数法进行性能评估。研究表明, IDA方法可与Pushover分析法相结合使用, 以更加有效地评估钢结构的抗震性能。2013年, 李成[6]对某6层钢结构框架进行了增量动力分析, 得出了IDA曲线, 他还发现该方法可用于位移放大系数和结构延性系数等方面的研究。

3.3 蚁群优化法 (ACO)

20世纪90年代初, 蚁群算法率先由意大利学者M.Dorigo, V.Maniezzo和Colorni提出[7]。这种算法源于对蚂蚁的仿生学研究, 蚂蚁相互之间通过激素传递信息, 使得蚁群总能形成一条通向食物的最优路径。当原有路径上出现障碍物时, 蚁群也能很快重新找到新的路径。通过研究蚁群的行为, 人们得出结论:当某条路径有越多的蚂蚁走过, 就将会有更多的蚂蚁选择该路径。从M.Dorigo首次提出蚂蚁算法到目前为止已有二十多年, 大量的文献证明该算法是解决组合优化问题的有效工具。

2010年, Kaveh等人[8]利用蚁群优化法 (ACO) 对钢结构进行了基于性能的抗震设计。他们通过计算机程序, 采用非线性分析得出钢结构在各类地震情况下的动力响应, 证明蚁群优化法与其他算法相比, 其离散的数学运算更适合解决此类优化问题。

4 结语

钢结构与一般的钢筋混凝土结构、砌体结构相比, 凭借轻质高强、施工速度快、抗震性能好和回收率高等优点, 可修建大空间、大跨度的公共建筑、工业厂房和多高层住宅楼, 其发展具有广阔的空间。我国正处在社会经济高速发展的时期, 钢结构势必将成为未来主流的房屋结构形式之一。另一方面, 近年来基于性能的抗震设计方法在大型复杂工程中的应用也越来越多, 该设计方法将成为未来工程抗震领域的新趋势。因此, 在对基于性能的钢结构抗震设计方法的研究中得出以下结论:

1) 由于基于性能的抗震设计方法较传统的抗震设计理论提出了更高的要求, 其考虑了地震风险水平、投资实力、建筑功能和重要性等诸多因素, 需要采取不同的抗震结构体系和方法来分析、评估结构的抗震能力, 这种基于“投资—效益”[9]的准则需要更加复杂的优化算法来完成目标控制。较常见的有关于耗能减震钢结构基于性能的抗震设计方法研究, 但和传统的抗震设计方法相比, 基于性能的抗震设计方法在实际工程应用中还需要进一步的优化。

2) 基于性能的抗震设计方法在实际使用中, 往往是多种方法综合利用, 各类方法可相互验证, 这种在计算中的优势互补可使结果更加精确合理。例如增量动力分析法计算时, 就可与Pushover分析方法结合使用, 能够更加有效地评估建筑物的抗震性能。

摘要：随着人们对大型复杂工程抗震设计要求的不断提高, 基于性能的抗震设计方法将成为未来工程抗震领域的新趋势。该方法综合考虑地震风险水平、项目投资能力、建筑的功能和重要性等因素, 采取不同的抗震结构体系和方法来分析、评估结构的抗震能力。Pushover分析法、增量动力分析法、蚁群优化法等算法的应用, 使基于性能的钢结构抗震设计更加精确合理。

关键词：钢结构,性能设计,抗震设计方法

参考文献

[1]彭观寿, 高轩能.基于性能的钢结构抗震设计理论与方法[J].钢结构, 2007, 22 (1) :49-54.

[2]王春浩, 陕吉禄.耗能减震钢结构住宅设计体系初探[J].中国住宅设施, 2011 (7) :51-53.

[3]CECS#space2;#160∶2004, 建筑工程抗震性态设计通则 (试用) [S].

[4]Freeman, Moghadam#space2;#AS.Pushover#space2;#Procedure#space2;#for#space2;#seismic#space2;#analysis#space2;#of#space2;#building[J].Progess#space2;#in#space2;#Structural#space2;#Engineering#space2;#and#space2;#Materials, 1998, 1 (3) :337-338.

[5]葛杰.基于Pushover方法的多高层钢结构的抗震研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学, 2008.

[6]李成.钢结构的增量动力分析 (IDA) 方法与应用[J].煤炭技术, 2013, 32 (1) :135-137.

[7]胡小兵, 黄席樾.蚁群优化算法及其应用[J].计算机仿真, 2004, 21 (5) :81-85.

[8]Kaveh, B.Farahmand#space2;#Azar, A.Hadidi, et#space2;#al.Performance-Based#space2;#Seismic#space2;#Design#space2;#of#space2;#Steel#space2;#Frames#space2;#Using#space2;#Ant#space2;#Colony#space2;#Optimization[J].Journal#space2;#of#space2;#Constructional#space2;#Steel#space2;#Research, 2010, 66 (4) :566-574.