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輕型鋼木結(jié)構(gòu)的實用性和抗震性


四大特性決定現(xiàn)代輕型鋼木結(jié)構(gòu)建筑為何抗震:

1、典型的鋼木框架房屋具有無數(shù)的小連接點,而非少數(shù)的幾個關(guān)鍵的連接點,從而為地震力提供了附加的轉(zhuǎn)力路徑。地震發(fā)生時,一旦某連接點超載,其超載部分可由相鄰的連接點分擔。

2、材具有較高的強度重量比,因而鋼木結(jié)構(gòu)一般比其它類型的結(jié)構(gòu)重量輕。重量輕在地震是一大優(yōu)勢。

3、鋼木框架體系采用釘接節(jié)點,因而使結(jié)構(gòu)體系有很好的柔性,因此能夠在地震中吸收和耗散能量。

4、經(jīng)工程設(shè)計建造的鋼木框架建筑,其結(jié)構(gòu)用面板(膠合板或定向刨花板)與墻骨柱組成有效的抗側(cè)向力的建筑組件。

鋼木結(jié)構(gòu)分傳統(tǒng)鋼木結(jié)構(gòu)和現(xiàn)代鋼木結(jié)構(gòu),輕型鋼木結(jié)構(gòu)屬于現(xiàn)代鋼木結(jié)構(gòu)范疇,現(xiàn)代輕型鋼木結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)鋼木結(jié)構(gòu)的重大區(qū)別在于設(shè)計、制造和安裝中具備防火、防蟻、防腐和抗震功能。輕型鋼木結(jié)構(gòu)體系,是將小截面規(guī)格材構(gòu)件墻體、樓蓋和屋蓋構(gòu)成的箱形建筑體系。

輕型鋼木結(jié)構(gòu)住宅在國外已有數(shù)百年的歷史,美國、加拿大有95%人住輕型鋼木結(jié)構(gòu)住宅,另外在日本、韓國、臺灣、土耳其等國家輕型鋼木結(jié)構(gòu)都廣為普及。在國內(nèi),輕型鋼木結(jié)構(gòu)住宅近十多年有了較大的發(fā)展,建設(shè)部近年先后發(fā)布了國家標準,鋼木結(jié)構(gòu)工程施 工質(zhì)量驗收規(guī)范,鋼木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范,鋼木骨架組合墻體技術(shù)規(guī)范,進一步促進了我國輕型鋼木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展。在地震多發(fā)地區(qū)如日本,臺灣等地,人們都不約而同的選 擇輕型鋼木結(jié)構(gòu)住宅作為重建的不二之選。

根據(jù)中國工程院士和建設(shè)部專家分析,我國的大地震致死原因,95%的人是被建筑物倒塌壓死的。建筑物大部分倒塌除建筑質(zhì)量,就是建筑結(jié)構(gòu)選擇問題,地震帶附近地區(qū),應(yīng)多選抗震型結(jié)構(gòu)建筑。日本在95年神戶大地震后廣泛的使用了輕型鋼木結(jié)構(gòu)體系,這也是自此之后,日本每次大地震都極少發(fā)生大規(guī)模傷亡的一個重要原因。

從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度來看,建筑結(jié)構(gòu)的重量、阻尼、強度、剛度、延性和整體性都是決定建筑物地震反應(yīng)的因素。地震是一種自然現(xiàn)象,當發(fā)生地震時,地面運動決定了其本身的加速度、速度和位移,但是上述結(jié)構(gòu)自身的特性就像一個“轉(zhuǎn)換器”,在各種因素的共同作用下,可以改變地面上建筑物的地震反應(yīng),也就是說在同一場地震中,相同的地面運動,不同的建筑結(jié)構(gòu)有不同的地震反應(yīng),有的建筑物經(jīng)過大震依然可用,但有的建筑物已然成為廢墟。我們說,根據(jù)建設(shè)場地地質(zhì)條件的特征和地震的特點,通過調(diào)整“轉(zhuǎn)換器”中各種影響因素的大小,進行合理的設(shè)計,是可以做到建筑物大震不倒的設(shè)防要求的。

說到鋼木結(jié)構(gòu),我們不得不提一下中國傳統(tǒng)的鋼木結(jié)構(gòu)。鋼木結(jié)構(gòu)在中國的使用和建造有著非常悠久的歷史和豐富的經(jīng)驗,其中隼卯連接是傳統(tǒng)鋼木結(jié)構(gòu)最典型的連接方法,隼卯節(jié)點不用鐵釘,不用鋼銷,通過能工巧匠的刻鑿,就能將梁和柱牢固的連接在一起。舉個身邊的例子來說,就是普通的鋼木椅,其各個構(gòu)件之間均采用隼卯連接,使用時間久了或使用不當時,鋼木椅節(jié)點會松動,當你用手去搖動鋼木椅時,雖然會有明顯的變形,但鋼木椅不會散架破壞。其實這其中蘊含了一個非常重要的抗震思想,就是“以柔克剛”。通過結(jié)構(gòu)在允許范圍內(nèi)的變形和錯動來消耗地震的能量,這樣就能保證結(jié)構(gòu)的整體安全。

輕型鋼木結(jié)構(gòu)是一種采用小斷面規(guī)格鋼木材通過釘和金屬連接件連接固定建造而成的建筑物。鋼木材本身就具有彈性,在外力作用下有一定的變形和恢復(fù)能力;而釘節(jié)點和金屬連接件節(jié)點和我們傳統(tǒng)鋼木結(jié)構(gòu)中的隼卯節(jié)點可謂異曲同工,都具有一定的變形能力,這樣輕型鋼木結(jié)構(gòu)就形成了一個柔性結(jié)構(gòu)。輕型鋼木結(jié)構(gòu)有三大特點,首先,結(jié)構(gòu)自重輕,鋼木材的重量僅為混凝土重量的1/4到1/5,相同體量的建筑物,結(jié)構(gòu)自重越小受到的地震作用也越小,所以輕質(zhì)的鋼木結(jié)構(gòu)受到的地震作用比較??;其次,輕型鋼木結(jié)構(gòu)采用規(guī)格材做墻體骨柱,定向刨花板或膠合板等結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定的板材做覆面板,形成具有良好抗側(cè)能力的鋼木剪力墻,這也是結(jié)構(gòu)主要的抗側(cè)力構(gòu)件;最后,小斷面密布的輕型鋼木結(jié)構(gòu)是柔性結(jié)構(gòu),有很大的結(jié)構(gòu)冗余度以及一定范圍內(nèi)的變形能力,結(jié)構(gòu)可以通過自身的變形來消耗能量,提高整體安全性。當發(fā)生地震時,在三大特點的共同作用下,輕型鋼木結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出良好的“以柔克剛”的抗震性能。

以世界范圍內(nèi)的幾次大震中輕型鋼木結(jié)構(gòu)的實際表現(xiàn)來看,輕型鋼木結(jié)構(gòu)的抗震性能是穩(wěn)定和經(jīng)得起考驗的。輕型鋼木結(jié)構(gòu)大量的用于北美地區(qū)的住宅建筑,所占比例在95%以上,1964年阿拉斯加地震,1971年加州圣佛南多地震,1987年紐西蘭艾幾坎比地震,1988年魁北克薩坤內(nèi)地震,1989年加州婁瑪布理塔地震以及1994年加州北嶺地震,20世紀以來的歷次大震中,輕型鋼木結(jié)構(gòu)的抗震性能得到了充分的體現(xiàn)和證明。

在汶川地震中,位于震區(qū)的輕型鋼木結(jié)構(gòu)再一次經(jīng)住了里氏8級的大震考驗。都江堰青城山前山的中國青城項目中有部分別墅的結(jié)構(gòu)采用了輕型鋼木結(jié)構(gòu),在災(zāi)后的實地調(diào)查中發(fā)現(xiàn),建筑面積約200平方米的輕型鋼木結(jié)構(gòu)房屋底層裂縫最多出現(xiàn)了6處,二層的裂縫最多出現(xiàn)了2出,多為門窗洞口等角部的細小裂縫以及廚房衛(wèi)生轉(zhuǎn)角和鏡子周圍的裂縫,經(jīng)過專家的仔細分析,部分裂縫是墻體石膏板覆面在地震中發(fā)生錯動而引起的表面裝修層的開裂,并不影響結(jié)構(gòu)的安全性以及正常的使用。和輕型鋼木結(jié)構(gòu)別墅相鄰的混凝土框架和砌體填充墻結(jié)構(gòu)雖然混凝土主體框架并沒有發(fā)生嚴重的破壞,但其間的砌體填充墻卻在地震中嚴重破壞,掉落的砌塊和出現(xiàn)的明顯裂縫嚴重影響了建筑物的使用和安全。

通過大量的實際震害調(diào)查結(jié)果以及這次汶川地震的震害比較,輕型鋼木結(jié)構(gòu)的房屋較相同體量的鋼筋混凝土或砌體結(jié)構(gòu)具有更好的抗震性能,沒有明顯和致命的破壞;另外,鋼木結(jié)構(gòu)墻體不會像砌體填充墻那樣破壞并大面積的砸落引起傷害事故;根據(jù)中國抗震設(shè)計規(guī)范,輕型鋼木結(jié)構(gòu)的設(shè)計相對北美的設(shè)計更加保守偏安全,因為不考慮石膏板對抗側(cè)力構(gòu)件的貢獻,但北美的研究結(jié)果表明,石膏板在作為墻體覆面板時,是可以提高墻體抗側(cè)能力的,這無疑是提高了輕型鋼木結(jié)構(gòu)的安全儲備。

目前,在很多國家和地區(qū),輕型鋼木結(jié)構(gòu)都得到了很多的應(yīng)用和大力的推廣,例如地震多發(fā)的美國加州地區(qū)、新西蘭、臺灣地區(qū)、土耳其以及日本。很多國家或地區(qū)都在大震中看到了輕型鋼木結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢,所以積極的推廣并鼓勵人們采用輕型鋼木結(jié)構(gòu)建造房屋,提高建筑的抗震能力。另外,很多實際工程還創(chuàng)新性地將輕型鋼木結(jié)構(gòu)與混凝土框架等不同的結(jié)構(gòu)形式混合使用,既利用混凝土框架開較大洞口滿足商業(yè)需要,又利用輕型鋼木結(jié)構(gòu)提高了結(jié)構(gòu)整體的抗震性能。最好的例子當屬鋼木桁架屋架體系以及鋼木骨架填充墻系統(tǒng)。

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