Применение и сейсмическое проектирование стальных конструкций Синьцзяна в сейсмических районах

Стальные конструкции Синьцзяна показали значительные преимущества в строительных проектах в сейсмоопасных зонах благодаря их легкому весу, высокой прочности, превосходной пластичности и удобной конструкции. В основе его сейсмических характеристик лежит способность материала к упруго-пластической деформации, которая может поглощать и рассеивать сейсмическую энергию посредством разумной структурной системы, тем самым эффективно уменьшая ущерб, причиняемый зданиям в результате землетрясений. В последние годы, с углублением теории сейсмики и развитием инженерных технологий, стальные конструкции получили широкое применение в высотных, сверхвысотных зданиях и важных общественных объектах в районах с сильными землетрясениями, став ключевым техническим путем повышения сейсмической безопасности зданий.

1. Особенности применения и преимущества стальных конструкций в сейсмических зонах.

Свойства материала и сейсмостойкость

Сталь обладает высокой прочностью и хорошей пластичностью. Он все еще может сохранять большую пластическую деформацию после деформации, не разрушаясь сразу. Эта характеристика позволяет стальной конструкции формировать механизм рассеивания энергии посредством пластических шарниров компонентов под действием землетрясения, преобразуя сейсмическую энергию в энергию деформации конструкции. Производители стальных конструкций Синьцзяна заявили, что, напротив, бетонные конструкции склонны к хрупкому разрушению при сильных землетрясениях, а механизм «мягкости для преодоления жесткости» стальных конструкций больше соответствует трехуровневым требованиям сейсмического проектирования: «не повреждается небольшими землетрясениями, подлежит ремонту умеренными землетрясениями и не разрушается при сильных землетрясениях». Например, после землетрясения Хансин в Японии (1995 г.) большое количество зданий со стальными конструкциями деформировалось, но не разрушилось, доказав свою способность выдерживать землетрясения высокой интенсивности.

Сейсмическая оптимизация структурных систем

Обычно используемые системы для стальных конструкций в зонах землетрясений включают стальные каркасы, стальные каркасно-опорные конструкции, сталебетонные композитные конструкции и т. д. Синьцзянские производители металлоконструкций заявляют, что стальные каркасные конструкции передают сейсмические силы посредством жесткого соединения узлов балок с колоннами и подходят для зданий средней и малой этажности; Опорные конструкции (такие как центральные опоры и эксцентриковые опоры) повышают общую жесткость за счет рассеивания энергии выхода диагональных связей. Эксцентриковая опора устанавливает энергорассеивающий участок на пересечении опоры и балки. Во время землетрясения сначала возникает деформация при сдвиге или изгибе, защищающая основную конструкцию от повреждений. В высотных сооружениях комбинированная система стальной рамы и стены, работающей на сдвиг (или центральной трубы), сочетает в себе гибкость стальной конструкции с жесткостью бетонной стены, работающей на сдвиг, что позволяет эффективно контролировать боковое перемещение конструкции. Например, финансовый центр Шэньчжэнь Пин Ань (600 метров) использует гибридную стально-бетонную конструкцию, которая обеспечивает превосходный баланс поперечной жесткости и пластичности в зоне сейсмической интенсивности укреплений 7 градусов.

Легкий вес и фундаментные антисейсмические преимущества

Собственный вес стальной конструкции составляет всего 1/3~1/2 от бетонной конструкции, что может значительно снизить силу инерции при воздействии землетрясения (сейсмическая сила пропорциональна массе), тем самым уменьшая нагрузку на фундамент и напряжение фундамента. В слабых фундаментах или зонах сейсмического разжижения легкие элементы делают конструкцию фундамента зданий со стальными конструкциями более гибкой. Например, свайные или фундаментные фундаменты могут удовлетворить сейсмические требования и снизить затраты на проект и уменьшить трудности строительства.

2. Основные технические моменты сейсмического проектирования металлоконструкций.

Подход к сейсмическому проектированию, основанный на характеристиках

В компании прямых продаж Синьцзянского завода стальных конструкций заявили, что традиционное сейсмическое проектирование в основном основано на «контроле прочности», в то время как современное проектирование стальных конструкций уделяет больше внимания ориентации на «целевую производительность». Устанавливая характеристики конструкции при различных уровнях землетрясения (таких как эластичность, предел текучести, допустимая пластическая деформация и т. д.), методы нелинейного анализа (такие как анализ выталкивания, динамический анализ временной динамики) используются для проверки способности конструкции рассеивать энергию. Например, для проектов жизнеобеспечения, таких как больницы и центры управления пожарной безопасностью, необходимо поддерживать структурную целостность и нормальное функционирование при сильных землетрясениях. Цели производительности необходимо достигать за счет увеличения коэффициента пластичности и предельной несущей способности ключевых компонентов (таких как колонны и узлы) или за счет установки амортизирующих устройств (таких как вязкостные демпферы, опоры, ограничивающие продольный изгиб).

Расчет пластичности узловых соединений

Узлы являются слабым звеном сейсмостойкости стальных конструкций. «Крепкие узлы и слабые детали» — основной принцип проектирования — то есть обеспечение того, чтобы несущая способность узлов была выше, чем у компонентов, чтобы пластиковые шарниры сначала появлялись на концах балки или поддерживали энергозатратные участки, а не повреждали узлы. Широко используются болтосварные гибридные соединения (сварка фланцев балки, болтовые соединения с перемычкой). Во время сварки необходимо использовать сварочные прутки с низким содержанием водорода и проводить неразрушающий контроль во избежание хрупких разрушений, вызванных дефектами сварки; Кроме того, в конструкции соединения необходимо избегать концентрации напряжений, например, устанавливать ребра жесткости на концах балки и использовать толстые пластины или выступы в области соединения, чтобы улучшить его вращательную способность и потенциал энергопотребления.

Интеграция энергоемких компонентов и амортизирующей технологии

В районах с высокой интенсивностью (например, 8 градусов и выше), полагаясь исключительно на пластичность конструкции, может быть сложно удовлетворить сейсмические требования, и необходимо внедрить амортизирующую технологию:

Распорка с фиксатором устойчивости (BRB): состоит из основного материала (сталь с низким пределом текучести) и внешней втулки. Материал сердцевины отдает и рассеивает энергию во время землетрясения, а внешняя втулка сдерживает ее коробление, избегая проблемы неустойчивости сжатия традиционных опор и увеличивая коэффициент демпфирования конструкции в 2–3 раза;

Вискоэластичный демпфер: рассеивает энергию за счет сдвиговой деформации полимерных материалов, подходит для контроля ветровой вибрации и комфорта при небольших землетрясениях;

Сейсмоизоляционные подшипники: между фундаментом и надстройкой устанавливаются резиновые изоляционные прокладки или маятниковые подшипники трения, чтобы изменить динамические характеристики конструкции и уменьшить передачу сейсмической энергии вверх. Например, после того как в учебном здании стальной конструкции в Дали, Юньнань, была внедрена технология сейсмической изоляции, сейсмическая реакция конструкции снизилась более чем на 60%.

Секции компонентов и система стабилизации

В прямых продажах производителя стальных конструкций Синьцзяна сообщили, что стальные колонны должны избегать нестабильности, вызванной чрезмерным коэффициентом гибкости. Предел гибкости колонн осевого сжатия составляет 150 (первый сейсмический уровень). Необходимо проверить плоскостную и внешнюю устойчивость изгибающихся на сжатие элементов; конструкция поперечного сечения балки должна соответствовать «сильному сдвигу и слабому изгибу», то есть расчетное значение силы сдвига принимает большее значение силы сдвига, соответствующее расчетному значению изгибающего момента, и сдвигающей силы при землетрясении, чтобы гарантировать, что предел текучести конца балки при изгибе предшествует разрушению при сдвиге. Кроме того, соотношение ширины и толщины пластины компонента должно соответствовать предельному значению (например, соотношение ширины и толщины полки двутавровой балки ≤ 13√235/fy), чтобы местное коробление не приводило к снижению пластичности компонента.

3. Инженерная практика и проблемы

Растет число успешных применений стальных конструкций в сейсмических зонах. Например, во время землетрясения Тохоку в Японии в 2011 году (магнитуда 9,0) жилые дома со стальными конструкциями, использующие эксцентричные опоры, подверглись лишь небольшой деформации и не обрушились; после землетрясения в Вэньчуань в моей стране (2008 г.) восстановленное поселение в Мяньяне приняло стальную каркасную опорную конструкцию и выдержало испытание многими толчками в зоне сейсмической интенсивности укреплений 8 градусов. Однако при проектировании и строительстве все еще существуют проблемы:

Контроль качества стали: точность производства и процесс сварки стали с низким пределом текучести (например, LY100) оказывают существенное влияние на пластичность компонентов, поэтому необходимо усилить входной контроль материалов;

Сложность нелинейного анализа: Динамический временной анализ требует выбора соответствующих сейсмических волн (минимум 3 набора естественных волн + 1 набор искусственных волн) и учета таких параметров, как начальные дефекты компонентов, остаточные напряжения и т. д., что требует высоких технических требований к проектировщикам;

Экономический баланс: в прямых продажах Синьцзянского завода стальных конструкций заявили, что применение амортизирующих устройств может увеличить стоимость (примерно от 5% до 10%), а стоимость необходимо снизить за счет оптимизации структурной системы (например, разумного расположения опор) и выбора материалов (например, атмосферостойкой стали Q355ND).

4. Будущие тенденции развития

Благодаря интеграции технологий искусственного интеллекта и BIM сейсмическое проектирование стальных конструкций становится интеллектуальным: секции компонентов оптимизируются посредством параметрического моделирования и машинного обучения, а технология цифровых двойников используется для моделирования реакции конструкции при воздействии землетрясения; в то же время применение новых материалов, таких как высокопроизводительная сталь (Q690, Q960) и армированные волокном композитные материалы (FRP), еще больше повысит прочность и долговечность стальных конструкций. Кроме того, модульные металлоконструкции (заводские сборные элементы, собираемые на месте) имеют широкие перспективы при восстановлении после землетрясений благодаря высокой скорости строительства и контролируемому качеству. Например, японский «Аварийный жилищный модуль» может быть завершен за 72 часа и соответствует требованиям по сейсмостойкости.

Заключение

Стальная конструкция Синьцзяна стала идеальным выбором для сейсмостойких зданий в сейсмоопасных районах благодаря своей пластичности, легкому весу и гибкости системы. При проектировании необходимо добиться «безопасного, экономичного и эффективного» сейсмического решения за счет постановки целевых показателей на основе производительности, оптимизации пластичности узлов, интеграции энергоемких технологий и других средств. По мере накопления технологических инноваций и инженерного опыта стальные конструкции будут играть все более важную роль в повышении сейсмоустойчивости города и обеспечении безопасности жизни людей и имущества.