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關鍵詞:建筑抗震設計;發展與背景;最新修訂;注意的方面
中圖分類號:TU2文獻標識碼: A
引言
繼唐山大地震,近年來我國陸續又發生大規模的嚴重地震,不斷在敲響建筑抗震的警鐘,《建筑抗震設計規范》也在我過建筑科技科研人員的精心研究下,做出了一次又一次的改動變更。隨著科技的進步與經濟的發展,在人民政府的帶動下,越來越多的高層住宅,高層辦公用樓等高層建筑陸續出現在了我們的視線中。所以為了人民更安全的生活,我們需要在高層建筑的設計上響應規范的微調,做出一些變化。本文結合了《建筑抗震設計規范》的發展進程與最新的修改,對于高層建筑的抗震設計給出了一些新的見解。
1 《建筑抗震設計規范》的發展與背景
我國最早期的建筑工程抗震設計主要參考蘇聯的《地震區建筑抗震設計規范》。1959年和1964年,我國曾兩次起草并擬定了包括各類工程結構的《地震區建筑抗震設計規范》(草案),雖然未正式頒布,但對以后的工程抗震設計仍起了重要的作用[1]。而后,隨著國力的發展與技術的提高,我國于1974年正式頒布了第一本工程抗震設計規范――TJ11―74《工業與民用建筑抗震設計規范》(試行)。1978年,TJ11―78《工業與民用建筑抗震設計規范》(簡稱《78規范》)[2],國家建委批準頒布。1989年,GBJ11―89《建筑抗震設計規范》(簡稱《89規范》)[3],建設部批準頒布。1990年開始實施,并于1993年作局部修訂。2001年,GB50011―2001《建筑抗震設計規范》(簡稱《2001規范》)[4],建設部和國家質檢總局聯合。于2008年5?12汶川地震后作了局部修訂,成為GB50011―2001《建筑抗震設計規范》(2008版本)[5]。2010年,GB50011―2010《建筑抗震設計規范》,目前已完成報批手續。我國在建筑工程抗震設計領域的規范基本成型。
2 建筑抗震設計規范的最新修訂
修訂主要依據住房和城鄉建設部建標[2006]77號文件通知進行的。于2007年7月對《2001規范》開始修訂,2008年4成初稿。而2008年5月12日發生了汶川地震,面向全國征求意見的修訂計劃工作暫時中斷,但是編制組成員迅速進入災區開展震害調查,取得大量的建筑破壞資料數據,為規范修訂提供寶貴而珍重的參考。震害資料顯示,建設規劃選址應充分考慮各種地質情況影響,中、小學校舍和醫院等重要建筑應提高抗震設防類別,各類結構的重要部位和薄弱部位、例如樓梯間等應予加強,結構防止連續倒塌和強柱弱梁設計問題應予重視等等。根據住房和城鄉建設部落實國務院《汶川地震災后恢復重建條例》的要求,在認真總結建筑震害經驗的基礎上,對《2001規范》作了應急的局部修訂,于2008年7月30日頒布了GB50011―2001(2008版)《建筑抗震設計規范》。局部修訂的修訂內容有:
(1)依據地震動參數區劃圖的局部修訂,對四川、陜西、甘肅地震災區的設防烈度予以變更;
(2)增加山區場地建筑抗震設計的專門要求;
(3)從概念設計的角度,提出建筑結構體系需要注意和改進之處;
(4)提高樓梯間抗震安全性的對策;
(5)抗震結構材料性能和施工要求的局部調整;
(6)增加一定數量的強制性條文。
在完成2008版局部修訂之后,《2001規范》的修訂工作步入正軌,認真吸取汶川地震的震害經驗,按要求于2009年12月完成審查并報批。2008版和2009年修訂基本延續了《2001規范》的主要抗震設計理念和方法。
3 高層建筑抗震設計中應該注意的方面
3.1結構體系與材料的選用
在地震常發區,建筑結構體系或材料的選用是否合理是人們特別關注的事情。在我國,低于150 米的建筑采用的結構體系主要有三種:筒中筒、框―筒和框架―支撐體系。其它國家的高層建筑也常采用這些體系。但國外建筑大多都是鋼結構建筑,而我國鋼筋混凝土建筑的比例高達9 成。如此高的鋼筋混凝土結構及混合結構,國內外對如此高比例的鋼筋混凝土建筑的抗地震作用并沒有很好的經驗。混式結構的鋼筋混凝土內筒常常要承受70%至90%的震層剪力。采用鋼筋混凝土核心筒結構,則應將鋼筋混凝土結構的位移限值作為變形控制的基準;但因為此結構的彎曲變形側移比較大,采用剛度較小的鋼框架協助減小側移的方式,不僅效果不明顯,而且會使鋼結構負擔顯著增大,有時必須通過設置伸臂結構或增加混凝土筒的剛度的方式產生加強層才能達到規范的側移限值;如果柱距或結構體系發生變化時,就應設置結構轉換層。轉換層和加強層產生的大剛度容易造成結構剛度的突變,往往會造成柱構件剪力的突然加大,外框架柱連接處與轉換層構件或加強層伸臂之間很難保證強柱弱梁。因此要慎重選擇轉換層和加強層的結構模式,盡可能降低它們的剛度,避免其造成的不利影響
3.2場地和地基的選擇
建筑的場地以及地基的選擇對于高層建筑的抗震能力具有直接的影響,是建筑抗震設計的基礎,在進行建筑場地以及地基的選擇時,應該充分了解當地的地震活動情況,對當地的地質情況進行有效性、科學性的勘察,在收集豐富資料的基礎之上對場地進行綜合的分析和評價,評估當地的抗震設計等級,對一些不利于抗震設計的場地應該盡可能的進行規避,而實在無法規避的應該有針對性的做好相應的處理措施,在高層建筑地基選擇過程當中應該盡可能的選擇巖石或是其它具有較高密實度的基土,從而提高建筑地基的抗震能力,盡可能的避開不利于抗震的軟性地基土,對于一些達不到抗震要求的地基應該采取相應的措施進行加固和改造,使其能夠符合相應的標準。
3.3建筑結構的規則性
在進行建筑結構設計的過程當中,應該盡可能的按照規則來,尤其是抗側力結構應該盡可能的簡單化,從而保證可靠性和承載力分布的均勻性;建筑結構的平面布置應該選擇形狀比較規則的圖形,這樣在發生地震的時候能夠確保建筑整體的承載力均勻分布;應該盡可能的避免不規則的結構平面,造成建筑結構質心和剛心出現交錯,這樣一旦出現地震;一些和剛心距離比較大,剛度不足的構件就會發生側移,受到較大的地震力的影響,有可能因為承受不住而發生損壞,最終導致建筑由于某個構件的損壞而發生傾斜和倒塌,為了防止抗側力結構橫向剛度突然出現變化,應該使垂直方向的抗側力的截面積從上到下逐漸的遞減。
3.4樓梯間設計的加強
樓梯的結構是直接或間接與主體結構相連的,例如,對于框架結構房屋,樓梯事實上是主體框架結構的一部分,在地震作用下,斜向構件梯段板也要承受剪力,這有可能導致梯段板斷裂。梯段板通常有半個層高,兩個標高處的水平位移有差值,容易使梯段板拉裂。另外,其各跑段梯段板的振型不一定相同和同步,容易導致梯段板底部受力鋼筋與梯段板分離,鋼筋斷裂,還可能導致平臺梁受扭破壞。在框架結構樓梯中由于存在休息平臺,易形成短柱*除此以外,樓梯間高度相當于1.5個層高,這也會對樓梯間的穩定性造成影響.施工縫的留置也可能會影響樓梯的穩定性。多層民用房屋結構中,樓梯多為現澆板式結構,樓梯的施工應與樓房其他主體結構的施工同步進行,才能保證房屋的主體結構安全和抗震效果。這樣,在樓梯中就不可避免地留置一定數量的施工縫,施工縫的留置位置和支模方法直接關系到主體工程質量和施工難易程度。
為加強樓梯間的整體性及墻體的穩定性,以增強其空間剛度,應加強縱橫墻體之間的可靠連以限制墻體裂縫的產生,發展及倒塌。
(1)頂層樓梯間墻體應沿墻高每隔500mm設2Φ6通長鋼和Φ4分布短鋼筋平面內點焊組成的拉結網片或Φ4點焊網片;7~9度時,其他各層樓梯間墻體在休息平臺或樓層半高處設置60mm厚、縱向鋼筋不應少于2Φ10的鋼筋混凝土帶或配筋磚帶;配筋磚帶不少于3皮,每皮的配筋不少于2Φ6,砂漿強度等級不應低于M7.5且不低于同層墻體的漿強度等級。
(2) 樓梯間及門廳內墻陽角處的主梁支承長度不應小于500mm并應與圈梁連接。
(3)突出屋頂的樓梯間,除其構造柱應伸到頂部!并與頂部圈梁連接外,所有墻體應沿墻高隔2Φ6通長鋼和Φ4分布短鋼筋平面內點焊組成的拉結網片或Φ4點焊網片。
4 結語
我國的《建筑抗震設計規范》還會在今后的實踐中吸取更多的經驗,從而成長的更加成熟,而高層建筑的成熟也將稱為這我國走向小康社會的鮮明符號。在高層建筑的設計上積極響應《建筑抗震設計規范》是對人民群眾安全的責任。從長遠角度看,開發各種合理的實用可行抗震設計策略,是一件非常重要且有意義的事情。
參考文獻
[1]TJ11-74 工業與民用建筑抗震設計
[2]GB 50011-2001 建筑抗震設計規范[S].2008版
[3]王亞勇 《建筑抗震設計規范》的發展沿革和最新修訂 《建筑結構學報》 2010年6月
關鍵詞:建筑結構;抗震設計;發展現狀
中圖分類號:TU3文獻標識碼:A
2008年,汶川地震的慘痛事件讓我們清醒的認識到建筑物抗震的重要性。2010年,我國的相關部門結合國內建筑特點,頒布了《建筑抗震設計規范》,其中,對地震多發區的建筑物抗震等級以及抗震結構施工都做出了嚴格規定。有效地提升了國內建筑物的抗震標準,但是,在實際的工作當中,仍然存在著一定的不足。本文重點對建筑物抗震結構設計進行分析。
一、建筑抗震的主要影響因素
(一) 抗震設計標準
目前,國內在不同地區設定的基本設防烈度,主要是根據該地區以及具體建筑在一段時間內遭受地震以及地震強度的概率而定的。如果是一般建筑,則執行基本烈度設防,如果是重要的建筑物,則相應地提升設防烈度,但是,隨著烈度的提升建筑的造價會有所增加。
(二) 建筑結構形式
為了有效地保證建筑物“小震不壞,大震不倒”,在最新的設計規范中,磚混內框架結構被嚴格取締了。目前,主要采用的是剪刀墻結構、框架結構等。盡管單純的框架結構造價低,但是,抗震性能較差,因此,普遍適用于一些地震發生概率地、級別小的地區。
(三) 抗震措施
抗震措施主要是根據建筑的重要性決定的。在確定建筑等級及場地類型之后,將先進的抗震理念和系統的分析計算納入到抗震措施設計中,即可改善建筑抗震設計,提高建筑抗震效果。
二、結構抗震設計中概念設計
所謂“建筑抗震概念設計”是指根據地震災害和工程經驗等所形成的基本設計原則和設計思想,是進行建筑和結構總體布置并確定細部構造的過程。地震動是一種隨機振動,有難于把握的復雜性和不確定性,要準確預測建筑物所遭遇的特性和參數,目前尚難做到。在結構分析方面,由于未能充分考慮結構的空間作用、非彈性性質、材料時效、阻尼變化等諸多因素,也存在著不確定性。因此抗震問題不能完全依賴計算結果。而是應該立足于工程抗震基本理論及長期工程抗震經驗總結的工程抗震基本概念,往往是構造良好結構性能的決定性因素。抗震概念設計主要有如下幾點:
(一) 建筑選址
避免抗震危險地段,選擇對抗震有利的場地、地基和基礎在進行設計時,應根據工程需要,掌握地震活動情況和工程地質的有關資料,做出綜合評價,宜選擇堅硬土或開闊平坦密實均勻的中硬土等有利地段;避開軟弱土、液化土、河岸和邊坡邊緣,平面分布上成因、巖性、狀態明顯不均勻的土層等不利地段;同一結構單元不宜設置在性質截然不同的地基土上,也不宜部分采用天然地基,部分用樁基,當地基有軟弱黏性土、液化土、新近填土或嚴重
不均勻土層時,宜加強基礎的整體性和剛度。
(二) 合理的平立面布置
建筑物的動力性能基本上取決于它的建筑布局和結構布置。建筑布局簡單合理,結構布置符合抗震原則,從而確保房屋具有良好的抗震性能。建筑物的平、立面布置宜規則、對稱,質量和剛度變化均勻,避免樓層錯層。但事實上,由于城市規劃、建筑藝術和使用功能等多方面的要求,建筑不可能都設計成方形或圓形。我國《高層建筑混凝土結構技術規程》,對地震區高層建筑平面形狀作了明確規定;并提出對平面的凹角處應采取加強措施。對體形復雜的建筑物合理設置變形縫,在結構設計時要進行水平地震作用計算和內力調整,并應對薄弱部位采取有效的抗震構造措施,嚴格控制建筑物的高度和高寬比。
(三)結構選型和結構布置
結構選型根據建筑的重要性、設防烈度、房屋高度、場地、地基、基礎、材料和施工等因素,經技術、經濟條件比較綜合確定。單從抗震角度考慮,作為一種好的結構形式,應
具備下列性能:延性系數高;勻質性好;正交各向同性;構件的連接具有整體性、連續性和較好的延性,并能發揮材料的全部強度。結構布置遵循的原則是平面布置力求對稱,使構件分配的力均勻;豎向布置力求均勻,盡可能使其豎向剛度、強度變化均勻,避免出現薄弱
層,并應盡可能降低房屋的重心。
三、建筑結構消能減震與隔震設計
通常情況下,傳統的建筑結構抗震主要是對建筑結構本身的抗震性進行加強,從而達到抗震能力提升的目的,這種抗震設計較為消極。而消能減震隔震設計是指在結構體系中設置隔震層以隔離地震能量,或在抗側力結構中設置消能器吸收地震能量,從而達到減輕震害的目的,是積極主動的抗震對策。我國已經在《建筑抗震設計規范》中納入了隔震與消耗減震的內容,并制定了《建筑隔震橡膠支座標準》、《夾層橡膠墊隔震技術規程》。但由于它是一種新型的結構體系,且隔震層以上結構部分的使用要求高于非隔震建筑,因此,在目前的設計中應用較少。其主要原理為:在房屋底部設置橡膠隔震支座和阻尼器等,以延長構件的自振周期、增大阻尼,或在結構中設置消能裝置,通過局部變形提供附加阻尼,消耗地震能力,而達到保護上部結構的目的。
四、結論
近年來,我國在建筑抗震設計方面取得了很多進步,并形成了一套較為完整的建筑抗震設計方案。但是,由于經驗以及資金投入等諸多因素,導致設計上還存在一定的不足,尚需要進一步完善。總而言之,要想真正確保建筑結構抗震設計的高效、科學,就必須嚴格遵守相關的規范、原則,并結合國內外先進理念,制定出科學合理的建筑結構抗震設計方案,只有這樣,才能有效地確保我國的建筑結構抗震水平更上一層樓。
參考文獻:
[1] 劉欣. 由汶川地震引發對建筑結構抗震設計的思考[J]. 中國新技術新產品. 2010(08).
[2] 吳智,李貴男,段壯志. 民房建筑結構抗震能力分析與抗震措施探討[J]. 山西建筑. 2009(29).
[3] 葉列平,曲哲,陸新征,馮鵬. 提高建筑結構抗地震倒塌能力的設計思想與方法[J]. 建筑結構學報. 2008(04).
關鍵詞:抗震設計;高層建筑;結構安全
中圖分類號:TU2 文獻標識號:A 文章編號:2306-1499(2014)10-
1.結構抗震設計內容
地震是一種隨機振動,有著難以把握的復雜性和不確定性,要準確地預測建筑物遭遇地震的特性和參數,尚難以做到。在建筑抗震理論未達到科學嚴密的今天,單靠計算很難使建筑具備良好的抗震能力。因此,結構工程師必須重視建筑總體抗震能力的概念設計。
1.1避免抗震危險地段
選擇對抗震有利的場地、地基和基礎。在進行設計時,應根據工程需要,掌握地震活動情況和工程地質的有關資料,作出綜合評價,宜選擇堅硬土或開闊平坦密實均勻的中硬土等有利地段;避開軟弱土、液化土、河岸和邊坡邊緣,平面分布上成因、巖性、狀態明顯不均勻的土層等不利地段;同一結構單元不宜設置在性質截然不同的地基土上,也不宜部分采用天然地基,部分用樁基,當地基有軟弱黏性土、液化土、新近填土或嚴重不均勻土層時,宜加強基礎的整體性和剛度。
1.2合理的平立面布置
建筑物的動力性能基本上取決于它的建筑布局和結構布置。建筑布局簡單合理,結構布置符合抗震原則,從而確保房屋具有良好的抗震性能。建筑物的平、立面布置宜規則、對稱,質量和剛度變化均勻,避免樓層錯層。對體形復雜的建筑物合理設置變形縫,在結構設計時要進行水平地震作用計算和內力調整,并應對薄弱部位采取有效的抗震構造措施,嚴格控制建筑物的高度和高寬比。
1.3多道抗震防線的設置
多道設防就是人為加強某些豎向抗側力結構,提高部分的可靠度;并且有意識地設置一些薄弱環節,使其在強震作用下退出工作。將建筑物自振周期與地震動卓越周期錯開,使建筑物的共振現象得以緩解,減輕地震的破壞作用。
抗震防線的設置原則如下:(1)優先選擇不負擔或少負擔重力荷載的豎向支撐或填充墻,或者選用軸壓比較小的抗震墻、實墻筒體之類構件,作為第一道抗震防線的抗側力構件。(2)建筑物采用雙重抗側力體系,在建筑物中設置贅余桿件。當建筑物受到強烈地震動作用時,一方面利用結構中增設的贅余桿件的屈服和變形,來消耗輸入的地震能量;另一方面利用贅余桿件的破壞和退出工作,實現結構周期的變化,避開地震卓越周期長時間持續作用所引起的共振效應。
1.4剛度、承載力和延性的匹配
當結構具有較高的抗力時,其總體延性的要求可有所降低;反之,較低的抗力需要較高的延性要求相配合。提出綜合抗震能力的概念,即綜合考慮整個結構的承載力和構造等因素來衡量結構具有的抵抗地震作用的能力。地震時建筑物所受地震作用的大小與其動力特性密切相關,具有合理的剛度和承載力分布以及與之匹配的延性。提高結構的抗側剛度,往往是以提高工程造價及降低結構延性指標為代價的。要使建筑物具有很強的抗倒塌能力,最理想的是使結構中的所有構件都具有較高的延性,然而實際工程中很難做到。有選擇地提高結構中的重要構件以及關鍵桿件的延性是比較經濟有效的辦法。因此,在確定建筑結構體系時,需要在結構剛度、承載力及延性之間尋找一種較好的匹配關系。
2.基于性能的結構抗震設計理論的框架
與傳統的結構抗震設計相比,基于性能的結構抗震設計在內容和形式上有了實質性變化,幾乎每個從事性能設計研究的國家都構造了這種最新抗震設計的理論框架,盡管細節存在差異,但基本內容相同,以下給出的性能設計總框圖。
從設計流程圖來看,基于性能的結構抗震設計涉及工程地震、巖土工程、結構工程、建筑學及社會經濟等諸多科學,每一個過程均涉及了一個廣泛的研究領域,基于性能設計的挑戰在于要明確每一個過程的關鍵技術,并展開研究,在不斷的探索與進步中使基于性能的設計更加接近現實。
3.高層建筑結構抗震的具體設計
3.1高層建筑結構抗震設計應重視建筑結構的規則性
(1)高層建筑主體抗側力結構兩個主軸方向的剛度要比較接近、變形特性要比較相近。(2)高層建筑主體抗側力結構沿豎向斷面、構成變化比較均勻,不要突變。(3)高層建筑主體抗側力結構的平面布置,應注意同一主軸方向各片抗側力結構剛度盡量均勻,應避免在主體結構的布置中設置一、二片剛度特別大而延性較差的結構,如長窄的實體剪力墻。
3.2合理的建筑結構體系選擇
(1)結構體系應具有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑。(2)結構體系宜有多道抗震防線。(3)結構體系宜具有合理的剛度。
3.3抗側力結構和構件的延性設計
(1)鋼筋混凝土框架結構應設置為“強柱弱梁”。(2)剪壓比限制。(3)鋼筋混凝土框架的梁、柱應避免剪切破壞,即形成“強剪弱彎”。(4)軸壓比限制。軸壓比是控制偏心受拉邊鋼筋先到抗拉強度,還是受壓區混凝土邊緣失達到其極限壓應變的主要指標。
基于性能抗震設計還處于初級研究階段,為了實現多級抗震進而使得結構在整個生命周期內費用達到最小,還有很多工作要做,如合理的目標性能水平的劃分與確定、不確定因素的合理考慮、更加細致的結構非線性分析、結構自身抗震性能的確定、合理的設計方法、結構與地基之間的相互作用等一系列問題還要具體深入地研究。只有這些基本問題解決了,才能很好做到基于性能的抗震設計。
關鍵詞:抗震概念設計;抗震計算方法;提高結構抗震性能的措施
中圖分類號:TU37 文獻標識碼:A
1 抗震概念設計及思路
抗震設防的基本目的是在一定的經濟條件下,最大限度地限制和減輕建筑物的地震破壞,保障人民生命財產的安全。為了實現這一目的,抗震設計規范以“小震不壞,中震可修,大震不倒”,即三水準的抗震設防要求作為建筑抗震設計的基本原則。
一般來說,建筑抗震設計包括三個方面的內容與要求:概念設計、抗震計算與構造措施。概念設計在整體上把握抗震設計的主要原則,減少由于建筑結構自身帶來地震作用及結構地震反映的復雜性而造成抗震計算不準確;抗震計算為結構抗震設計提供定量依據;構造措施則是抗震概念設計與抗震計算的有效保障。結構抗震設計三個方面的內容是一個不可分割的整體,忽略其中任何一部分都可能造成抗震設計的失效。
建筑結構抗震概念設計的目標是使整體結構能發揮耗散地震能量的作用,從而避免結構出現比較敏感的薄弱部位,導致結構過早的破壞。假定整個結構能發揮耗散地震能量的作用是抗震設計方法的前提之一,在此前提下才能以多遇地震作用進行結構計算與構造措施。
建筑結構抗震設計的基本原則包括:(1)結構的簡單性,即結構在地震作用下具有比較明確的傳力途徑,結構的計算、內力及位移分析都易于把握。(2)結構的規則及均勻性,造型和結構布置比較均勻可以避免剛度、承載能力與傳力途徑的突變,以限制結構在豎向出現敏感的薄弱部位,建筑平面比較規則可以使建筑物質量分布與結構剛度分布協調,限制質量與剛度之間的偏心。(3)結構的剛度與抗震能力,結構布置應使結構在兩個主軸方向具有足夠的剛度和抗震能力、足夠的抗扭剛度和抵抗扭轉振動的能力。
2 結構抗震計算方法及抗震驗算
結構抗震計算可分為地震作用計算和結構抗震驗算兩部分。進行結構抗震設計時,在確定結構方案后,首先應計算地震作用,然后計算結構和構件的地震作用效應,最后再將地震作用效應與其他荷載效應進行組合,驗算結構和構件的承載力與變形,以滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防要求。
結構抗震計算的方法包括:(1)底部剪力法,特點是忽略高振型的影響,假定結構地震反應以基本振型為主,將基本振型簡化為倒三角形進行計算,但是計算精度稍差。(2)振型分解反應譜法,利用振型分解的原理和反應譜理論進行結構最大地震反應分析,計算精度稍高。(3)時程分析法,選用一定的地震波直接輸入到所設計的結構,然后對結構的運動微分方程進行逐步數值積分,求得結構在整個地震時程范圍內的地震反應,計算精度高。
為了滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防標準,《建筑抗震設計規范》規定進行下列內容的抗震驗算:(1)多遇地震下結構允許彈性變形驗算,防止非結構構件的破壞,如隔墻、幕墻、建筑裝飾等的破壞。(2)多遇地震下結構強度驗算,防止結構構件因承載力不足而破壞。(3)罕遇地震下結構彈塑性變形驗算,以防止結構因過大變形發生倒塌。
3 提高結構抗震性能的措施
結構的抗震性能決定于結構的整體性、延性,而結構的整體性和延性與結構布置、結構整體剛度、結構節點和構件的延性和強度密切相關。
結構布置時宜考慮多道抗震防線,一個抗震結構應由若干延性較好的分體系組成,通過構件的鏈接協同作用,有意識地在結構內部、外部建立一系列分布的屈服區,使結構在先屈服的部分耗散大量的地震能量,而使最后的“防線”得以保存,便于結構修復。即通常所說的“小震不壞,中震可修,大震不倒”,同時設計中應做到的“強柱弱梁”、“強剪弱彎”、“強節點弱構件”。
如框架結構抗震設計原則為強柱弱梁設計,梁屈服后柱仍能保持穩定;框架--剪力墻結構抗震設計原則為連梁首先屈服,然后是墻肢,框架作為第三道防線;剪力墻結構抗震設計原則為通過構造措施保證連梁首先屈服,并通過空間整體性形成高次超靜定。
結構應具有合理的剛度和承載力分布,建筑物的側移剛度越大,則自振周期越短,地震作用也越大,要求結構構件具有較高的承載力。提高結構的抗側剛度,往往以提高造價和降低結構變形能力為代價,因此在確定結構體系時,需要在剛度、承載力之間尋求較好的匹配關系。
墾利縣育才華都工程為高層剪力墻結構,結構地上一層的側向剛度小于相關范圍地下一層側向剛度的0.5倍,故采用地下室頂板作為上部結構的嵌固部位。在進行初步整體計算時,地震作用下局部X向最大層間位移角為1/900,超過了規范規定的1/1000。受地塊限制,沒有足夠的場地布置車位,規劃設計條件又要求車位比為1:1,所以地下二層必須設計為車庫。受限于車庫門最小凈寬的要求,該部分剪力墻的長度無法再加長,經過多次試算,通過增加剪力墻連梁的高度提高了該部位的抗側剛度,從而使層間位移角得到改善,滿足了規范要求。
結構應采取的構造措施,對于多層磚砌體結構,在構造上應采取設置構造柱、現澆混凝土圈梁、在磚砌體內配置橫向和豎向鋼筋等措施。對于多層砌塊結構在構造上應采取設置鋼筋混凝土芯柱、圈梁等措施。對于鋼筋混凝土結構,應通過混凝土材料、截面尺寸、縱向和橫向的配筋來避免剪切破壞先于彎曲破壞、混凝土的壓碎先于鋼筋的屈服、鋼筋的錨固黏結破壞先于構件的破壞。
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4 結束語
近幾年,四川汶川、雅安及青海玉樹等多地發生地震,且震害較嚴重,因此做好抗震設計是十分必要的,不僅要掌握好結構的抗震計算及抗震措施,更要注重結構的抗震概念設計。
參考文獻
[1] 混凝土結構設計規范 GB 50010-2010 中國建筑工業出版社
[2] 建筑抗震設計規范 GB50011-2010 中國建筑工業出版社
[3] 高層建筑混凝土結構技術規程JGJ3-2010 中國建筑工業出版社
[4] 高層建筑鋼筋混凝土結構概念設計方鄂華編著,機械工業出版社
關鍵詞建筑結構,結構抗震設計理論,抗震設防水準,抗震驗算理論
中圖分類號: TU318 文獻標識碼: A 文章編號:
1前言
中國是世界上地震災害最嚴重的國家之一,2008年的汶川地震震碎了無數家庭、吞噬了數萬生靈,使中國人民蒙受了巨大損失。最大限度地減輕地震災害造成的人員和經濟損失是政府和每一個工程技術人員的迫切目標。在中國經濟突飛猛進的基礎上,我們應該總結國內外先進的抗震設防思想,發展出臺適應我國我國情的抗震設計規范,使地震災害對人民群眾的人身財產安全造成的損失降到最低。
2抗震設計的發展概況
結構抗震設計理論的理論框架由地震設防水準、結構抗震設計內容和建筑結構抗震性能目標三部分組成。這個框架的形成伴隨著人類對地震和結構動力特性理解的深入,是一個循序漸進的發展和自我完善過程,總共經歷了四個發展階段:(1)靜力理論階段(1910-1940);(2)反應譜理論階段(1940-1960);(3)動力理論階段(1970-1980);(4)基于結構性能的抗震設計理論階段(1990至今)。每一個階段的理論成果都標志著當時人類對抗震設計的認識,每一個新階段的誕生都意味著人類對抗震設計理論的創新和突破。是一個漫長的逐步深化過程。
3抗震設防水準
在現實中,我們通過使用一些參數來反映地震作用,它由很多因素決定。當地震作用函數確定已知時,我們把作用于現場的地震作用的大小定義為抗震設防水準。因為抗震設防水準直接決定了現在設計建筑結構在未來的抗震能力,所以在結構抗震設計理論中占有重要地位。
美國沒有以國家名義公布的抗震設防標準,只有一些具有官方性質的研究機構或者非盈利機構提出的推薦性標準。但近來有很多美國學者在關于結構性能設計的研究報告中指出了地震等級劃分標準的必要性。我國現行的抗震設計規范中關于震級的劃分方法也經歷過評議和修正,現階段的抗震設防水準采用基于概率分析的三種設防級別:小震、中震和大震,這種劃分是比較合理的,它充分考慮到了地震發生的隨機性。
中國現行規范采用的抗震設防烈度和設計基本地震加速度的雙重指標是值得探討的。這種設防水準側重對震后災害結果的宏觀描述,充分考慮了居民的生命安全,卻在很大程度上忽略了經濟指標。適應于現代經濟的抗震設防目標應該要同時考慮到震中、震后建筑物的失效問題和經濟損失問題。現行規范已采用的“小震不壞,中震可修,大震不倒”的三級設防目標缺乏靈活性。隨著超高層、大跨度以及地下工程等復雜的工程結構逐漸成為主流,當今的工程結構同過去相比已經有了翻天覆地的變化。同時,城市化使得人口和社會財富大量聚集,地震損失表現出很多新的特點,不能僅以人員傷亡作為設防標準,經濟損失應該得到兼顧。我們考慮到地震可能會在建筑使用周期中的任何時候發生,地震強度的大小也不可知,所以針對不同地震,根據建筑物的用途和重要性,采用不同基準的設防目標應該有其合理性(比如高地震危險性地區的重要建筑可采取“中震不壞,大震可修”的高級別設防目標)。未來的設防水準應該表現出對時代和社會發展的適應性,應該采用基于地震動態參數的靈活設防指標。
4抗震設計內容
抗震設計內容包含建筑物的總體結構體系設計和抗震驗算理論兩部分。前者是為了應對建筑物所在場地、材料及結構抗力的不確定性和地震產生的隨機性。在現實活動中,人們很難預測地震對建筑結構造成的破壞程度,為了確保安全經濟,選擇合理的抗震結構體系非常重要。后者是保障所設計的結構符合抗震設防水準的關鍵步驟,是結構抗震設計內容的重要環節。
4.1總體結構體系設計
(1)抗震結構體系
結構的規則性在現行的抗震設計規范中有明確體現。在選取抗震設計方案時,應該優先選取那些規則設計方案,盡量避免抗震性能較差的不規則方案,徹底杜絕抗震性能差的嚴重不規則方案。在進行建筑設計時,應盡量采用對稱規則的布局設置、變化均勻的質量和剛度結構。對平面或立面不規則的建筑結構要進行水平地震作用計算和內力調整;對那些結構復雜、很難滿足結構規則性的建筑物,可以考慮采取提高變形能力的措施和加強措施。
(2)場地地基
根據不同場地土的分類以及其特征周期值,針對場地地基對地震動的影響可以有一個判斷。現行規范采用20米深度以內的折算剪切波速和80米以內的授蓋層厚度來劃分場地類型。這里需要指出的是,通過剪切波速和場地土覆蓋層厚度雖然實現了對場地土的分類并對不同場地應用不同的地震反應譜,但這種方法還是有其局限性,無法全面反映土層對地震動強度和特性的影響。為了使得到的不同場地土對震動的影響更合理,我們將承載力、標準貫入基數和地下水位等參數作為場地土的附加特征參與分類劃分,并且這種影響需要在計算方法、抗震結構體系及構造措施上綜合體現出來。
4.2抗震驗算理論
抗震驗算應該包括地震作用計算與結構抗震驗算兩部分。
首先,在地震作用計算方面,現行規范為了發揮最大的加成優勢,同時采納了靜力理論的底部剪力法、動力理論的振型分解反應譜法和時程分析法作為地震作用計算方法。針對設防三水準,依照我國規范進行設計時采用了兩階段設計。第一階段要實現設防三水準中的前兩個目標:小震不壞和中震可修。前者通過在小震下進行彈性承載力驗算和彈性層間位移驗算保障;后者通過在中震下增加相應的抗震措施以保障結構發生部分屈服后仍能承擔地震作用來實現。第二階段要實現大震不倒的目標。除了采用抗震措施保證結構抗震所需的塑性耗能外(與實現中震可修時采用的方法一致),還需進行結構的彈塑性位移驗算來控制結構的變形以及保證結構的抗倒塌性。現實應用中,應根據建筑的高度、結構的復雜性和規則性等因素靈活選取抗震計算方法。對于那些質量和剛度沿高度分布比較均勻變化的建筑,宜采取底部剪力法;對于地震高發區(如日本、印尼)的建筑結構進行地震作用計算時,應該在正常計算外進行補充計算;對于地震低發區的建筑結構進行地震作用計算時,應該進行彈塑性時程分析驗算;對于其它結構,采用振型分解反應譜法即可。
其次,結構抗震驗算中的截面驗算我們使用內力值,而結構抗震驗算中的變形驗算我采用彈性變形值。前者以相關處理后的內力值必須低于承載力的極限狀態為通過驗算。后者以彈性變形值所對應的彈性層間位移必須低于計算樓層的層高乘以彈性層間位移角限值后的數值為通過驗算。
綜上所述,我們分別通過選擇底部剪力法、振型分解反應譜法和時程分析法來應對結構特性不同條件下的水平地震作用。而根據我國經濟發展水平及不同地區的結構物特點和用途來決定豎向地震動的結構范圍是當下抗震驗算理論的發展趨勢和研究重點。
5建筑結構抗震性能目標
經過幾十年的發展,國內的工程學者們總結得到了有關建筑結構抗震設計的實踐經驗,這些經驗是建立在對許多地震震害實例分析的基礎之上的,有很寶貴的實際應用價值。為了有效提高建筑結構抗震性能目標,需從以下幾方面著手:首先,要盡量保證支柱、墻和梁的軸線處于同一平面,盡量形成構件雙向抗側力體系,使地震外力的能量傳遞吸收途徑合理。其次,需要根據抗震等級對建筑的脆弱部位采取加強措以滿足抗震設防水準。最后,建筑的抗震性能目標要實現構件的依次屈服,即設置多道抗震防線。在地震作用下,擔負起第一道抗震防線的構件(延性較好)會首先屈服。其他構件則形成更多道的抗震防線,其作用是在第一道防線屈服后再依次屈服。
6結束語
結構抗震設計理論是建筑抗震設計的依據,涉及多個學科。我國投入了大量的人力、物力對其進行研究,并已取得了一些成果。但在具體應用中,現行的結構抗震設計理論還存在一定的局限性,例如忽略了一些經濟指標、對建筑功能和地區差異沒有進行細致區分、量化的評判標準還不夠全面等,需要進行進一步的深入研究。當然,這將是一個漫長的過程。
參考文獻
[1]梁棟. 淺談結構的基本抗震思想和設計方法[J]. 山西建筑,2009,35 (5)
[2]艾樹生. 建筑抗震工程設防“小震不壞”的研討[J]. 華北地震科學,2005, 23(3)
[3]倪廣林. 對建筑結構抗震設計的若干思[J]. 山西建筑, 2010, (9)
【關鍵詞】抗震設防目標;兩階段設計方法;抗震設防標準
1 抗震設防目標
抗震設防的目標很大程度上依賴于經濟政策和技術水平,既要使震前用于抗震設防的經濟投入不超過當前的經濟能力,又要使震后經過抗震設計的建筑的破壞程度在可以承受的范圍內,達到合理使用建設投資、確保建筑抗震安全。
現行抗震設計規范的抗震設計主要致力于保證結構本身具有一定的強度、剛度和足夠的延性,使所設計的結構“小震不壞、中震可修、大震不倒”。我國1976年唐山大地震的慘痛教訓是由于房屋大量倒毀,頃刻間數十萬人喪失生命。之后修訂抗震設計規范時,將“大震不倒”作為結構抗震設計的主要目標。
《建筑抗震設計規范》(GB50011-2001)第1章總則第1.0.1條對建筑的抗震設防目標是這樣規定的:“當遭受低于本地區抗震設防烈度的多遇地震影響時,一般不受損壞或不需修理可繼續使用;當遭受相當于本地區抗震設防烈度的地震影響時,可能損壞,經一般修理或不需修理仍可繼續使用,當遭受高于本地區抗震設防烈度預估的罕遇地震影響時,不致倒塌或發生危及生命的嚴重破壞。”就是說,建筑結構抗震有三個烈度水準:第一水準,眾值烈度(小震);第二水準,基本烈度(中震);第三水準,罕遇烈度(大震)。
小震是指發生在該地區的多遇地震,其超越概率為63.2%,地震烈度為概率密度分布圖上的眾值烈度。中震則是指設防烈度或稱基本烈度,其超越概率為10%,烈度值比小震大1.55度。大震則指罕遇地震,其超越概率為2~3%,其烈度值比中震大1度。
按照“三水準設計思想,通過二階段設計方法設防的建筑應滿足:當該建筑遭受與三個烈度水準相對應,遭遇第一水準烈度(小震)時,一般情況下(不是所有情況下),建筑處于正常使用狀態,抗震分析時,結構可以視為彈性體系,采用反應譜進行彈性地震反應分析;遭遇第二水準烈度(中震)時,結構進入一定程度的非彈性工作階段,但非彈性的變形或結構體系的損壞控制在可修復的范圍內;遭遇第三水準烈度(大震)時,結構有較大的非彈性變形,但應控制在不倒塌的范圍內。嚴重破壞但不倒塌的房屋,雖然沒有修理價值,但可以避免人員和設備的嚴重損失。規范規定的這個三級設防標準可大致概括為“小震不壞,中震可修,大震不倒”。
三水準設計思想中最重要的是抗震建筑能否滿足第三水準即“大震不倒”的要求,這是事關人民生命的問題。第三水準的核心和實質就是既要充分估計到大震帶來的危害,從而采取有力而又適當的措施和手段,使地震災害減輕到不致對人民生命造成危害的程度;同時也要考慮到發生大震的可能性甚小且重現期長,以及國家經濟情況和財力的承受能力,不能僅僅為了防御這樣罕遇的大震在建筑設計中耗費過多的材料,投入大量資金,使建筑物長期在正常使用荷載下處于十分保守和過分安全的狀態。因此,新規范規定,地震力的計算仍然按設防烈度考慮,更多措施則著力于“概念設計”,以提高抗大震的能力,并對一些容易倒塌的薄弱層和部位按大震進行變形驗算,在構造上采取一些加固措施。
2 兩階段設計方法
在建筑抗震設計中如何貫徹“三水準”思想?新規范明確規定必須采取二階段的設計方法,其具體要求和步驟是:
第一階段設計是承載力驗算和彈性變形驗算。取第一水準烈度(小震)的地震動參數,用彈性反應譜計算結構的彈性地震作用,然后將地震作用效應和其它荷載效應相組合,并采用《建筑結構可靠度設計統一標準》(GB50068)規定的分項系數設計表達式對構件截面進行承載力驗算,以保證必要的強度可靠度要求。
為實現第一水準下的設防要求,要求對各類鋼筋混凝土結構和鋼結構進行多遇地震作用下的彈性變形驗算。結構在第二水準烈度下的抗震驗算根本上應該是彈塑性變形驗算,但為減少工作量并符合設計習慣,對大部分結構,將變形驗算轉換為眾值烈度地震作用下構件承載能力驗算的形式來表現。經過分析研究表明,對多數結構可只進行第一階段設計,而通過概念設計和抗震構造措施來滿足第三水準的設計要求。
第二階段設計是彈塑性變形驗算。對有特殊要求的建筑、地震時易倒塌的結構以及有明顯薄弱層的不規則結構,除進行第一階段設計外,還要進行結構薄弱部位的彈塑性層間變形驗算并采取相應的抗震構造措施,實現第三水準的設防要求。
需要進行抗震變形驗算的建筑有:
1)8度Ⅱ、Ⅳ類場地和9度時,高大的單層鋼筋混凝土柱廠房;
2)7~9度時樓層屈服強度系數小于0.5的框架結構、底層框架磚房;
3)甲類建筑中的鋼筋混凝土結構。
結構薄弱部位應按下列原則確定:
1)樓層屈服強度系數沿高度分布均勻的結構可取底層;
2)樓層屈服強度系數沿高度分布不均勻的結構,可取該系數小的樓層和相對較小的樓層,一般不宜超過2~3處;
3)單層廠房可取上柱。
3 抗震設防標準
建筑抗震設防類別劃分,應根據下列因素的綜合分析確定:
1)建筑破壞造成的人員傷亡、直接和間接經濟損失及社會影響的大小。
2)城鎮的大小、行業的特點、工礦企業的規模。
3)建筑使用功能失效后,對全局的影響范圍大小、抗震救災影響及恢復的難易程度。
4)建筑各區段的重要性有顯著不同時,可按區段劃分抗震設防類別。下部區段的類別不應低于上部區段。
5)不同行業的相同建筑,當所處地位及地震破壞所產生的后果和影響不同時,其抗震設防類別可不相同。
實際設計中建筑工程應分為以下四個抗震設防類別:
1)特殊設防類:指使用上有特殊設施,涉及國家公共安全的重大建筑工程和地震時可能發生嚴重次生災害等特別重大災害后果,需要進行特殊設防的建筑。簡稱甲類。
2)重點設防類:指地震時使用功能不能中斷或需盡快恢復的生命線相關建筑,以及地震時可能導致大量人員傷亡等重大災害后果,需要提高設防標準的建筑。簡稱乙類。
3)標準設防類:指大量的除1、2、4款以外按標準要求進行設防的建筑。簡稱丙類。
4)適度設防類:指使用上人員稀少且震損不致產生次生災害,允許在一定條件下適度降低要求的建筑。簡稱丁類。
4 結語
綜上所述,抗震“三水準”設計思想和二階段設計要求較之原規范在思路上其物理概念更明確,設計工作的步驟更具體,這既是學習和吸收先進國家抗震設計工作經驗的結果,也是對防震抗震工作認識上的新飛躍。今后只要大家嚴格執行抗震設防標準,堅持“三水準”設計思想,嚴格按二階段的設計方法和步驟去工作,無疑,防震抗震的建筑設計工作必將邁上一個新臺階。
參考文獻
[1]建筑抗震設計規范GB50011-2010
關鍵詞:混凝土結構;抗震;設計
中圖分類號:S611 文獻標識碼: A
一、抗震設計的目標
《建筑抗震設計規范》(GB50011-2001)中規定了三個水準設防為按規范進行建筑抗震設計的設防目標,即“當遭受低于本地區抗震設防烈度的多遇地震影響時,一般不受損壞或不需修理可繼續使用;當遭受相當于本地區抗震設防烈度的地震影響時,可能損壞,經一般修理或不需修理仍可繼續使用;當遭受高于本地區設防烈度的地震影響時,不致倒塌或發生危及生命的嚴重破壞。”簡稱“小震不壞,中震可修,大震不倒”。
“小震不壞”要求建筑結構滿足多遇地震作用下的承載力極限狀態驗算要求及建筑的彈性變形不超過規定的彈性變形限值。
“中震可修”要求建筑具有足夠的變形能力,其彈塑性變形不超過規定的彈塑性變形限值。
“大震不倒”要求建筑具有足夠的變形能力,其彈塑性變形不超過規定的彈塑性變形限值。
另外,為實現該設防目標,在設計驗算時須遵守兩個階段的設計步驟。首先要對絕大多數的結構進行多遇地震作用下的結構及構件承載力驗算和結構彈性變形驗算,對各類結構按規范要求采取抗震措施。其次要對規范所規定的部分結構進行罕遇地震下的彈塑性變形驗算。
二、建筑抗震概念設計的基本內容
建筑抗震概念設計的基本內容大致有三部分。一是建筑設計應重視建筑的規則性;二是應合理的選擇建筑結構體系;三是對抗側力結構和構件的延性設計。
1、建筑結構的合理布置,對建筑結構在地震反應中,能夠起到重要的作用。為減小地震作用對建筑結構的不利影響,建筑平面形狀宜規正,避免過大的外伸或內收。規范規定,若房屋平面的凹凸角不大于該方向總長度的30%,可認為建筑外形是規則的,否則即為凹凸不規則。
2、合理選擇結構體系。對于鋼筋混凝土結構,一般來說純框架結構抗震能力有限;框架-剪力墻性能較好;剪力墻結構和筒體結構具有良好的空間整體性,剛度也較大。對于結構體系來說,首先應具有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑。結構平面布置力求簡單、規則、對稱,避免凹角和狹長的縮頸部位;避免因局部結構或構件破壞而導致整個結構體系喪失抗震能力。如框架為強柱弱梁,梁屈服后柱仍能保持穩定;剪力墻結構的連梁先屈服;框架-剪力墻的連梁首先屈服,然后才是墻肢、框架破壞等。其次結構應有足夠的剛度,控制結構頂點總位移和層間位移。在小震時,應防止過大的變形使結構或非結構構件開裂,影響正常使用;在強震下,結構應不發生倒塌、失穩或傾覆現象。另外,結構應有足夠的結構承載力、變形能力以及耗能能力,具有較均勻的剛度和承載力分布、局部強度、剛度太大會使其他部位形成相對薄弱的環節。主體結構或者非結構構件的不規則、不連續布置也可能引起結構剛度的突變。
3、結構構件的延性。結構的變形能力取決于組成結構的構件及其連接的延性水平。可以采取如下抗震措施,以提高結構構件的延性水平。
1)采用水平向(圈梁)和豎向(構造柱、組合柱)鋼筋混凝土構件,加強對氣體結構的約束,或采用配筋砌體;使砌體在發生裂縫后不致坍塌和散落,地震時不致喪失對重力荷載的承載能力。
2)應防止構件脆性破壞,保證構件有足夠的延性。如采取提高抗剪能力、加強約束箍筋等措施。
3)避免鋼結構構件的整體和局部失穩,保證節點焊接部位(焊縫和母材)在地震時不致開裂。
4)突出屋面的塔樓必須具有足夠的承載力和延性,以承受鞭梢效應影響。
三、高層建筑抗震設計應遵循的幾點原則
1、選擇有利場地,避開不利的場地,采取措施保證地基的穩定性。危險場地不宜興建高層建筑,如基巖有活動性斷層和破壞帶、不穩定的滑坡地帶等等;而為不利場地時,高層建筑要采取相應措施以減輕震害,如場地沖積層過厚、沙土有液化危險、濕陷性黃土等等。
2、保證地基基礎的承載力、剛度,以及足夠的抗滑移、抗傾覆能力,使整個高層建筑形成穩定的結構體系,防止在外荷載作用下產生過大的不均勻沉降、傾覆和局部開裂等。
3、合理設置防震縫。一般情況下宜采取調整平面形狀與尺寸,加強構造措施,設置后澆帶等方法,盡量不設縫、少設縫。設縫時必須保證有足夠的縫寬。
4、節點的承載力應大于構件的承載力。要從構造上采取措施防止地震作用下節點的承載力和剛度過早退化。
5、減輕結構自重,最大限度降低地震的作用,積極采用輕質高強材料。
四、高層混凝土結構抗震設計中的幾點優化措施
1.優化場地選擇
在地震災害發生時,不同地質環境下的建筑遭受的地震破壞的程度有較大的差別,建筑場地的優化選擇對于建筑抗震尤為重要。掌握工程的地質、地震等相關資料,掌握地震的活動情況,合理選擇建筑場地。對地震危險地段進行綜合評估,對于地震多發地段應主動避開,無法避開時應采取相關補救措施措施,選取具有良好的抗震能力的地質環境,巖石、半巖石和密實的地基土有利于建筑抗震,松軟的粘性土不利于建筑抗震。同一結構單元的基礎應該設置在性質相同的地基上,同一結構單元應該采取相同的地基。建筑場地選擇還應該遠離有其他重大威脅的場地,例如核電站、大型石油保存設施等等,防止地震引發的核泄漏、石油泄露等其他災害帶來的安全隱患。
2.優化結構參數
優化高層鋼筋混凝土建筑結構的震動周期、扭轉角度、相關剛度比例等相關參數。運用剪摩理論(砌塊結構)和主拉應力理論(磚砌體結構)等力學模型,對建筑結構進行地震作用下內力和變形的分析,計算彈性狀態下的建筑結構的地震作用效應,與風荷載效應、重力荷載效應組合,引入相關地承載力抗震調整系數,進行構件截面的優化設計。運用計算機對結構參數進行反復計算和優化,對計算結構進行調查研究,在保證結構的抗震性能的前提下,確定結構的相關參數。
3.優化結構設計
高層鋼筋混凝土建筑要滿足國家規定的建筑抗震能力的標準,保證主體結構有具備變形調節能力,結構在強大延性作用下,可以恢復到正常狀態,削弱主體結構變形對整個建筑結構造成的傷害,保證結構長期穩固。合理布局結構構件,注意協調高層混凝土建筑結構構件之間的受力,按照規整、對稱、均勻的原則進行布置,盡可能減小地震發生時結構的彎曲變形、剪切變形、整體平移和整體轉動,有條理地設計結構,增加建筑結構的整體抗震能力。注意記錄地震災害信息,根據地震引發的結構變形采取相關的防震措施,對于關鍵性的微小部位進行處理,維護建筑結構受力的整體一致性,削弱水平方向和豎直方向的不規則的地震力帶來的破壞,達到相應的抗震效果。
4.優化抗震防線設置
一般情況下,強烈的地震會伴隨著多次余震,有些高層混凝土建筑由于剛度過于柔和,所以在搜到強震破壞之后,主體結構受到損毀,繼而在余震破壞下持續破壞直至坍塌,因此高層建筑的防震,出改善建筑結構本身的防震性能之外還要注重設置多道防線,減少第一次強震破壞之后余震帶了的持續破壞。建筑的破壞程度主要取決于鋼筋混凝土結構的變形程度,因此地震多發地區的高層鋼筋混凝土建筑應該按照延性結構進行設計,設置多道抗震防線,進行極限狀態的驗算避免出現薄弱環節,盡可能減少地震的破壞性,提高了高層鋼筋混凝土建筑的抗震性能。
5.優化扭轉效應的控制
地震的破壞作用包括水平作用、豎向作用以及扭轉作用等,多種力綜合作用,產生巨大的破壞效應。建筑結構特別是平面不規則結構的扭轉效應會加劇結構在地震中的震害,高層混凝土建筑結構的抗震設計應該注重對于扭轉效應的控制。高層鋼筋混凝土結構扭轉效應的控制措施:優化墻肢布置,減小剛心質心的偏心率;加大周邊構建的截面,加長結構四周腳部墻肢,增加平面抗扭剛度;在平面不規則處加設拉梁,增設拉接樓板,增強結構的整體性和抗扭剛度;設置鋼骨外框架,在外框架的角部或四邊設置鋼骨混凝土柱,形成鋼骨框架,增加外框架的抗扭剛度和延性。
結語
結構工程師在設計過程中,必須遵守規范要求進行結構設計。混凝土結構的抗震設計就是在結構相對應的地震設防烈度下,合理地確定結構的選型、布置,進行抗震計算,并通過進一步的抗震措施,滿足抗震等級的要求,使結構具有足夠的強度、剛度和延性,從而保證結構實現抗震設防的目標,真正的使建筑物實現“小震不壞,中震可修,大震不倒”,盡量減少人員傷亡,經濟財產的損失。
參考文獻:
[1]高小旺,龔思禮,蘇經宇,易方民.《建筑抗震設計規范理解與應用》.中國建筑工業出版社.
[2] 《建筑抗震設計規范》(GB50011-2001). 中國建筑工業出版社.
[3] 呂西林.《高層建筑結構》. 武漢理工大學出版社.
關鍵詞:抗震概念設計;建筑結構;工程設計;抗震性
對于高層建筑結構設計,要遵守抗震設計規范,從抗震概念設計應用入手,結合工程實際情況,提出定量控制要求。值得注意的是,開展高層建筑結構抗震設計,要在概念清晰且技術可靠的基礎上,合理的設計建筑結構,以確保建筑的抗震性能。通常情況下,高層建筑結構抗震設計,需要從概念設計、抗震計算、抗震措施等方面加以把控,以確保設計的合理性。
1高層建筑結構抗震性設計的意義
貴州省位于我國南北地震帶南段的東側,省內西部部分區域位于地震帶上。貴州地震的頻度與強度為中等水平,地震平面分布不均。若發生地震,會造成極大的損失,以尼泊爾大地震為例,涉及到多個多家,地震造成近4000人死亡,約7000人受傷,對尼泊爾國造成超過50億美元的經濟損失,由此可見地震的損失性。在地震中,建筑既是人們的保護工具,也是威脅人們安全的物體,若能夠提升建筑的抗震性,對保護人們的財產與安全,有著積極的作用,因此加強高層建筑結構抗震性設計研究,有著必要性。
2抗震概念設計應用的基本要點
2.1合理選擇建筑結構
高層建筑結構抗震性設計,最為重要的是建筑體形和結構設計,占據著重要地位,多數倒塌建筑主要是因為規劃不合理造成的,所以要科學的選擇水平面與垂直面,提升建筑的抗震性能。一般來說,建筑平面形狀規則,直接影響著建筑的抗震性,平面形狀平整度越高,則建筑的抗震性能就越強,圖1為水平地震作用。規則平面能夠承擔荷載作用,建筑結構的整體性較為突出。在高層建筑結構設計中,于高度方向,需要保證結構布置的連續性,實現側向剛度保持連續,以免出現薄弱層。
2.2合理選擇傳力路線
高層建筑結構抗震設計多利用計算機程序,來確保計算的準確性,建筑結構設計人員只需要掌握簡單的計算方法即可。利用計算機,在獲取受力狀態下,形成建筑結構件計算簡圖。接著利用力學模型和數學模型,從地震反應入手,做好詳細的分析,明確計算結果,合理選擇建筑結構路徑,提高傳力路線選擇的效率。
2.3合理選擇建筑位置
通過相關研究發現,建筑物損毀與建筑所處的地形,有著直接的關系。除此之外,建筑損壞和地基、斷層等,也有著緊密關系。以覆蓋土因素為例,建筑破壞率和此因素呈現的是正相關,覆蓋土層厚度小,證明土質偏硬,具有較強的穩定性,當遇到地震時,不易發生倒塌情況,因此在設計高層建筑時,要選擇硬質地基,降低地震效應,確保建筑結構的穩定性[1]。
2.4設置多條抗震防線
高層建筑結構抗震設計時,需要設置多條抗震防線。考慮到地震時間存在差異,伴隨多次余震,受到地震反復沖擊,會給建筑結構的穩定性造成損壞,若高層建筑物設置一道防線,當建筑受到一次破壞后,難以抗衡后續破壞,因此需要設置多道保護,確保高層建筑結構的穩定性。
3抗震概念設計在高層建筑抗震設計中的具體應用
3.1提升結構延性
高層建筑抗震設計水平低于地震等級,極易因為脆性破壞,造成建筑倒塌,所以在建筑結構抗震設計中,要提高結構延性,增強建筑結構抵抗能力。可以從以下方面入手:①材料。選擇延性材料,此類材料的應用,當發生非彈性變形,或者發生反復彈性變形時,其延性不會明顯下降。②桿件。通過控制桿件的延性,包括塑性變形與能量收納與耗散等,提高結構延性,通常從墻肢與框架的柱等方面捂手。③構件。構件的延性指的是某個構件的塑性變形與能量消耗的能力,通過控制墻體或者框架延性,來提高建筑結構整體延性。總得來說,建筑結構延性指的是抗倒塌能力與塑性變形能力。在設計時,可以采取以下措施:①在平面上,增強突變處與轉角處等構件的延性;②對于豎向,則可以加強薄弱樓層的延性,比如體型突變處、主樓與裙房相接的樓層等;③增強首道抗震防線部分的構件延性[2]。
3.2提升結構的整體性
高層建筑結構的整體性較強,能夠確保建筑結構在地震力的作用下,處于協調運行的狀態,可避免建筑倒塌。采取以下措施:①選用鋼結構支撐結構。鋼結構作為建筑行業的新技術,其市場份額不斷擴大,貴州地區已經逐步引入鋼結構,比如貴州鋼結構發展中心樓,樓層高24層,建筑面積為26000m2,建筑承板使用的是鋼筋線桁架工藝,建筑整體性較好,抗震性能較好。高層建筑結構設計中,采取鋼結構支撐體系,對提升高層建筑框架結構中的側向剛度,有著積極的影響,可以抵抗水平荷載,提升高層建筑整體強度。與純框架架構相比,支撐結構穩定性較好,將窗臺下方-下層窗戶頂部區域位置,作為支撐位置,合理設置支撐,能夠達到結構支撐要求。采取環向封閉同一平面,能夠提高建筑鋼結構側向剛度,在強震區應用,其效果更為凸顯。②抗側力結構。若高層建筑結構為多種框架結構形式,應用鋼結構,可以承載建筑物豎向負載與部分橫向負載。采用抗側力結構,可以按照建筑的各類要求,來選用抗側力結構。若高層建筑中桁架高度和單樓層相同,可以利用交錯桁結構,來設置上下樓層,確保各單元設置的靈活性。應用此結構,在鋼結構平面內,梁柱彎矩較小,側向位移也較小。
3.3準確計算結構抗震
開展高層建筑結構抗震設計前,需要準確的計算建筑結構的地震作用,接著計算結構與構件的地震作用效應,并且和其它載荷效應,做好相互結合,檢驗建筑結構抗震承載力與變形,確保能夠達到新《建筑抗震設計規范》(GB50011-2001)規范相關要求。需要做好以下計算:①地震作用計算。建筑結構抗震承載力主要考慮水平地震作用,高層建筑結構設計,還需要注意豎向地震作用。②抗震驗算。主要包括截面抗震驗算、彈性變形驗算、薄弱層彈塑性變形驗算等[3]。
3.4做好非結構部件設計
非結構部件指的是建筑結構分析中,不考慮側向荷載與重力荷載的建筑部件,包括內隔墻與墻等。雖然建筑結構設計時,此類部件不參與荷載分析,但若發生地震,此類部件會起到作用,極有可能會改便建筑結構承載力,或是提升建筑抗震性,或是增加破壞性,因此需要做好非結構部件的處理。可以采取以下措施:①加強建筑框架和填充墻之間的聯系,使得填充墻可以成為建筑主體抗震結構的組成部分。對于墻體連接,可以采取柔性連接方式,削弱墻柱的聯系,避免發生嵌固作用。②對于附著在建筑樓與屋面結構的,需要做好此類非結構構件和主體結構的連接處理,以免發生地震時,造成人員傷亡。③加強幕墻和裝飾貼面等和建筑主體結構的有效連接,避免貼面損壞。
3.5做好倒塌分析
開展高層建筑結構設計時,采取倒塌分析法,做好建筑倒塌分析,以優化建筑結構抗爭性設計,達到抗震標準。可以借鑒超高層建筑經驗,譬如:某超高層建筑為Ⅷ度抗震設防烈度建筑,在建筑結構設計時,利用倒塌分析法,進行結構設計方案分析,發現采取內嵌鋼支撐剪力墻方案,能夠有效的增強建筑結構強度。基于倒塌分析,明確此工程采取全支撐方案建設總材料用量可節約11.2%,建筑結構抗倒塌儲備能力可以增加14.8%,建筑的抗震性能較好。采取對比各種最小地震剪力系數調整方案,能夠明確采取調整地震剪力,開展剛度驗算,設計建筑構件承載力,能夠獲得較好的效果,此方案和提高剛度縮短建筑結構自振周期的方案相比,具有較強的經濟性。對于建筑結構倒塌關鍵位置,能夠提高建筑結構整體的抗倒塌能力,此方案的實施,增加鋼用量約0.1%。總而言之,在建筑結構設計時,做好倒塌分析,能夠準確衡量各類結構設計方案的效果,明確各類抗震措施對建筑結構抗震性能的影響,發揮著積極的作用[4]。
4結束語
應用概念設計,開展高層建筑結構抗震設計,需要充分的借鑒工程經驗,嚴格按照建筑抗震設計相關規范,采取相應的措施,提升建筑結構的整體性能,提高結構的抗震性能。
參考文獻
[1]陸新征,楊蔚彪,盧嘯,齊五輝,劉斌,張萬開,葉列平.倒塌分析在某500m級超高層建筑抗震設計中的應用[J].建筑結構,2015(23):91~97.
[2]劉均偉.高層建筑結構設計中抗震概念設計的運用研究[J].山西建筑,2016(20):43~44.
[3]雷雨潤.高層建筑結構中抗震概念設計的應用[J].建設科技,2017(08):80.
【關鍵詞】混凝土;鋼筋混凝土;結構設計;抗震結構;抗震設計
1、引言
人類在社會發展過程中遇到一種可怕、不可抗力自然災害就是地震。強烈地震往往是突發性以及巨大破壞力給社會、經濟發展、人類生存安全、社會穩定、社會功能帶來非常嚴重危害。使工程建筑達到減輕和避免地震災害目,抗震設計是減輕地震災害主要措施。這樣可以減少不可抗力自然災害對整人類社會造成損失。
2、結構抗震概念設計
結構抗震概念設計是依據地震災害以及工程經驗等提煉出設計原則以及設計思路,進行構筑物以及結構體系的總體布置,確定建筑物各細部構造的抗震設計過程。結構抗震設計必須遵循正確抗震概念設計思路,滿足基本抗震概念設計技術要求,以此為基本基準進行必要抗震計算。概念設計是抗震計算前提以及數據基礎,它與抗震計算相比更應該決定性意義。
2.1抗震概念設計要領
建筑結構體講究簡單、規則、對稱、剛度變化均勻,抗震結構體系必須符合要求,計算簡圖必須明確以及合理地震傳遞作用的途徑;抗震結構布置必須避免部分結構、構件破壞而導致整個結構喪失其抗震能力和承載能力;抗震結構必須具備必要抗震承載力,即抗剪、抗壓、抗彎、抗扭等作用能力,以及較好變形能力即延展性能、通過延性及阻尼來消耗地震能量等作用;對于抗震結構關鍵部位必須采取有效措施進行加強;應該設置多道抗震防線;抗震結構平面上兩個主軸方向受力相近;應該合理分布剛度以及強度,避免局部削弱產生薄弱部位,產生過大應力集中和塑形變形集中,抗震結構各類構件之間必須應該可靠連接,抗震結構支撐系統必須能保證結構穩定,非結構構件包括維護墻、隔墻、填充墻都要合理設置。
2.2抗震技術設計
《建筑抗震設計規范》2010版本(下稱《規范》)中對于平面和豎向不規則建筑結構,在計算模型都有特別要求必須采用空間結構計算模型,產生了大量計算工作,提高了計算難度。而且雖說計算模型、方法、手段增多了,但是并不能保證抗震計算結果就是準確,主要是真實地震情況比較復雜,產生破壞作用偶然性比較大,雖然是空間計算模型但是也是模型,而不是真實的結構體必然存在較大差異性,造成建筑結構體安全度很難控制。所以,抗震設計時必須盡量避免采用不規則設計方案。設置防震縫能解決這些建筑結構,由于復雜變形而避免碰撞的好方法。但對于高層,特別是超高層建筑多選用合理建筑結構方案,而不設抗震縫,同時可以采用合適計算方法以及有效技術措施,可消除不設抗震縫帶來反面影響。強調強剪弱彎,必須改變傳統做法即箍筋只有I級鋼筋,可以用Ⅱ、Ⅲ級鋼箍;混凝土要求強度越高,其脆性就越大,其抗震性能 越低,因此,對混凝土強度等級選擇是否越高越好,正確選擇科學設計方法是非常必要的。
2.3設計關鍵問題
1)結構層間屈服強度弱
在高層建筑過程中框架結構已經成為較為普遍的存在,然而在整體設計中鋼筋混凝土框架結構存在不均勻性, 這些結構存在著層間屈服強度非常薄弱。在強烈地震作用下, 抗震結構薄弱層率先屈服,彈塑性變形急劇發展,并產生彈塑性變形集中現象。
2)柱端與節點破壞嚴重
混凝土框架結構構件地震災害往往是柱重梁輕,柱頂重于柱底,特別是角柱以及邊柱最易發生破壞現象。除剪跨比較小的短柱易發生柱中剪切破壞之外,往往柱的破壞產生柱端彎曲破壞最多,輕者產生水平和側向斷裂;重者混凝土被壓酥,主筋外露、壓屈以及箍筋脫落。如混凝土構件節點核芯部位無箍筋約束時,節點與柱端破壞加倍。如柱側有強度高砌體填充墻緊密嵌砌時,柱頂剪切破壞嚴重,破壞部位可能轉移至窗洞處,甚至出現短柱剪切破壞。
3)砌體填充墻破壞嚴重
砌體填充墻剛度較大,其形變能力低,承受地震作用力低,遭受破壞,在8度以及以上地震作用力下,填充墻裂縫明顯破壞和加重,甚至部分墻體倒塌,地震危害規律往往是上輕下重,空心砌體墻重于實心砌體墻,砌塊墻重于磚墻。
3、混凝土結構基本抗震體系性能
混凝土框架結構、剪力墻結構以及框架剪力墻結構是鋼筋混凝土建筑最為常用三大基本結構體系。其性能分析有表現如下:
1)框架結構
通過合理設計框架結構體系,把建筑框架結構設置成延性框架。延性框架在大地震作用下,通過先產生在梁鉸、后產生在柱鉸,這樣一種耗能機構消耗大量地震能量,同時該結構能夠承受較大側向形變能量。純框架結構是一種抗震性能非常好的結構體系,但是同時也能分析出純框架是一種抗震剛度較小,造成側移值比較大,因此,建筑高度不宜建造的太高。
2)剪力墻結構
剪力墻結構承載力大其剛度也很大,但側移形變能力較小,因此,它使用范圍可比純框架結構更高。但是,剪力墻中不論是墻肢還是連梁,它截面特點是短而高,這類構件對剪切變形相當敏感,容易出現裂縫,容易出現脆性剪切破壞,因此需進行精心合理設計,才能夠使剪力墻應該良好抗震性能以及良好延性能力。
3)框架-剪力墻結構
把框架以及剪力墻結合在一起共同抵抗豎向荷載以及水平荷載一種體系,它利用剪力墻高抗側力剛度以及承載力,彌補框架結構抗側剛度差,變形較大弱點。由于剪力墻與框架協同工作,改善了純框架以及純剪力墻變形性能。層間變形上下趨于均勻,框架各層柱受力也比較均勻。另外,在地震作用下,剪力墻承擔了大部分剪力,框架只承擔很小一部分剪力,通常都是剪力墻先屈服,剪力墻屈服后將產生內力重分配,框架分配剪力將會增大,如果地震作用繼續增大,框架結構也會屈服,使之產生曲線分布吻合最好。
4、提高混凝土結構抗震性能
根據當前震害經驗以及理論認識,良好抗震設計必須盡可能地考慮下述原則:場地選擇,場地選擇原則是避開可能發生地基失效松軟場地,選擇堅硬場地。體形均勻規整,無論是在平面和立面上,結構布置都要力求使幾何尺寸、質量、剛度、延性等均勻、對稱、規整,避免突然變化。提高結構以及構件強度以及延性,結構物振動破壞來自地震動引起結構振動,因此抗震設計要力圖使從地基傳人結構振動能量為最小,并使結構物應該適當強度、剮度以及延性,以防止不能容忍破壞。在不增加重量、不改變剛度前提下,提高總體強度以及延性是兩個有效抗震途徑。多道抗震防線,使結構應該多道支撐以及抗水平力體系,則在強地震作用下,建設工程一道防線破壞后尚有第二道防線可以支撐結構,避免倒塌。防止脆性與失穩破壞,增加延性,脆性與失穩破壞常常導致倒塌,故必須防止。這種破壞常見于設計不良細部構造。
5、結論
抗震設計中必須滿足強柱弱梁、強剪弱彎、強節點、強底層柱底等延性設計原則以及有關規定。砌體結構自重大、強度較低,抗震性能差;鋼結構易連接破壞、側向剛度小以及耐火性差;鋼筋混凝土結構由于其自身優勢,目前城市中正在建設以及擬建多層、高層建筑物大都是鋼筋混凝土結構。地震是一種自然現象,為避免它造成生命以及財產損失,作為結構工程師必須該依據《規范》對混凝土結構建筑抗震設計在給定抗震設防烈度下合理地確定結構選型、布置、各構件截面乃至構件之間聯系,使建筑結構在經濟條件下應該足夠強度、剛度以及延性。
參考文獻:
[1]朱鏡清,結構抗震分析原理[M].北京:地震出版社,2002.