輕型鋼木結構的實用性和抗震性


四大特性決定現代輕型鋼木結構建筑為何抗震:

1、典型的鋼木框架房屋具有無數的小連接點,而非少數的幾個關鍵的連接點,從而為地震力提供了附加的轉力路徑。地震發生時,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,因而鋼木結構一般比其它類型的結構重量輕。重量輕在地震是一大優勢。

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

4、經工程設計建造的鋼木框架建筑,其結構用面板(膠合板或定向刨花板)與墻骨柱組成有效的抗側向力的建筑組件。

鋼木結構分傳統鋼木結構和現代鋼木結構,輕型鋼木結構屬于現代鋼木結構范疇,現代輕型鋼木結構與傳統鋼木結構的重大區別在于設計、制造和安裝中具備防火、防蟻、防腐和抗震功能。輕型鋼木結構體系,是將小截面規格材構件墻體、樓蓋和屋蓋構成的箱形建筑體系。

輕型鋼木結構住宅在國外已有數百年的歷史,美國、加拿大有95%人住輕型鋼木結構住宅,另外在日本、韓國、臺灣、土耳其等國家輕型鋼木結構都廣為普及。在國內,輕型鋼木結構住宅近十多年有了較大的發展,建設部近年先后發布了國家標準,鋼木結構工程施 工質量驗收規范,鋼木結構設計規范,鋼木骨架組合墻體技術規范,進一步促進了我國輕型鋼木結構建筑的發展。在地震多發地區如日本,臺灣等地,人們都不約而同的選 擇輕型鋼木結構住宅作為重建的不二之選。

根據中國工程院士和建設部專家分析,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量,就是建筑結構選擇問題,地震帶附近地區,應多選抗震型結構建筑。日本在95年神戶大地震后廣泛的使用了輕型鋼木結構體系,這也是自此之后,日本每次大地震都極少發生大規模傷亡的一個重要原因。

從結構設計的角度來看,建筑結構的重量、阻尼、強度、剛度、延性和整體性都是決定建筑物地震反應的因素。地震是一種自然現象,當發生地震時,地面運動決定了其本身的加速度、速度和位移,但是上述結構自身的特性就像一個“轉換器”,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,也就是說在同一場地震中,相同的地面運動,不同的建筑結構有不同的地震反應,有的建筑物經過大震依然可用,但有的建筑物已然成為廢墟。我們說,根據建設場地地質條件的特征和地震的特點,通過調整“轉換器”中各種影響因素的大小,進行合理的設計,是可以做到建筑物大震不倒的設防要求的。

說到鋼木結構,我們不得不提一下中國傳統的鋼木結構。鋼木結構在中國的使用和建造有著非常悠久的歷史和豐富的經驗,其中隼卯連接是傳統鋼木結構最典型的連接方法,隼卯節點不用鐵釘,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”。通過結構在允許范圍內的變形和錯動來消耗地震的能量,這樣就能保證結構的整體安全。

輕型鋼木結構是一種采用小斷面規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能力;而釘節點和金屬連接件節點和我們傳統鋼木結構中的隼卯節點可謂異曲同工,都具有一定的變形能力,這樣輕型鋼木結構就形成了一個柔性結構。輕型鋼木結構有三大特點,首先,結構自重輕,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,結構自重越小受到的地震作用也越小,所以輕質的鋼木結構受到的地震作用比較??;其次,輕型鋼木結構采用規格材做墻體骨柱,定向刨花板或膠合板等結構性能穩定的板材做覆面板,形成具有良好抗側能力的鋼木剪力墻,這也是結構主要的抗側力構件;最后,小斷面密布的輕型鋼木結構是柔性結構,有很大的結構冗余度以及一定范圍內的變形能力,結構可以通過自身的變形來消耗能量,提高整體安全性。當發生地震時,在三大特點的共同作用下,輕型鋼木結構體現出良好的“以柔克剛”的抗震性能。

以世界范圍內的幾次大震中輕型鋼木結構的實際表現來看,輕型鋼木結構的抗震性能是穩定和經得起考驗的。輕型鋼木結構大量的用于北美地區的住宅建筑,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,輕型鋼木結構的抗震性能得到了充分的體現和證明。

在汶川地震中,位于震區的輕型鋼木結構再一次經住了里氏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構采用了輕型鋼木結構,在災后的實地調查中發現,建筑面積約200平方米的輕型鋼木結構房屋底層裂縫最多出現了6處,二層的裂縫最多出現了2出,多為門窗洞口等角部的細小裂縫以及廚房衛生轉角和鏡子周圍的裂縫,經過專家的仔細分析,部分裂縫是墻體石膏板覆面在地震中發生錯動而引起的表面裝修層的開裂,并不影響結構的安全性以及正常的使用。和輕型鋼木結構別墅相鄰的混凝土框架和砌體填充墻結構雖然混凝土主體框架并沒有發生嚴重的破壞,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查結果以及這次汶川地震的震害比較,輕型鋼木結構的房屋較相同體量的鋼筋混凝土或砌體結構具有更好的抗震性能,沒有明顯和致命的破壞;另外,鋼木結構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;根據中國抗震設計規范,輕型鋼木結構的設計相對北美的設計更加保守偏安全,因為不考慮石膏板對抗側力構件的貢獻,但北美的研究結果表明,石膏板在作為墻體覆面板時,是可以提高墻體抗側能力的,這無疑是提高了輕型鋼木結構的安全儲備。

目前,在很多國家和地區,輕型鋼木結構都得到了很多的應用和大力的推廣,例如地震多發的美國加州地區、新西蘭、臺灣地區、土耳其以及日本。很多國家或地區都在大震中看到了輕型鋼木結構的優勢,所以積極的推廣并鼓勵人們采用輕型鋼木結構建造房屋,提高建筑的抗震能力。另外,很多實際工程還創新性地將輕型鋼木結構與混凝土框架等不同的結構形式混合使用,既利用混凝土框架開較大洞口滿足商業需要,又利用輕型鋼木結構提高了結構整體的抗震性能。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。

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