建筑结构抗震概念设计

中国矿业大学徐海学院课程论文1建筑结构抗震概念设计摘要：建筑结构抗震设计中的概念设计是对建筑抗震设计的宏观控制。在工程的一开始从建筑的场地选择、平立面形式、结构布置、延性等方面从根本上消除建筑中的抗震薄弱环节，再辅以必要的计算和构造措施，就有可能使设计出的房屋建筑具有良好的抗震性能和足够的抗震可靠度。较好的运用抗震概念和原则是结构抗震设计的必要前提。关键词：建筑场地；建筑结构；抗震；概念设计1地震作用地震是地球内部构造运动的产物，是普遍存在的一种自然现象，由于地震作用的随机性、复杂性、藕联性，每次地震所产生的波形各异，因而其对建筑物的作用各不相同，所产生的破坏程度也千差万别。地震对建筑物的作用与建筑物自身所固有的自振周期、场地土的动力特性有关，但因结构计算中计算模型、自振周期、材料性能、基础类型以及阻尼变化等均与实际情况存在差异，使得抗震计算时所考虑的地震作用无法准确估算，因而，在进行结构的抗震设计时，不能完全依赖地震作用计算，更要综合考虑多种因素，切实做好建筑抗震概念设计。2抗震概念设计的含义抗震设计是通过地震作用的取值和抗震措施共同实现的，通过总结历次地震灾害后发现，对于结构抗震设计来说，“概念设计”比“数值计算”更为重要。结构抗震性能的决定因素是良好的“概念设计”，也就是说，“概念设计”是结构抗震设计的首要问题。所谓“概念设计”是指在进行结构设计时，既要着眼于结构的整体地震反应，又按照结构的破坏机制和过程，灵活运用抗震设计准则；既要把握整体布置的大原则，又兼顾了关键部位的细节，从根本上解决了结构抗震设计的问题，有效地提高了结构自身的整体抗震能力[1]。3抗震设计的一般原则3.1场地和地基建筑结构在地震作用下的破坏情况有四种：（1）地震时，在水平和竖向振动作用下，建筑物的内力和变形骤增，甚至结构的受力形式发生改变，最终导致建筑物承载中国矿业大学徐海学院课程论文2力不足甚至于丧失或者变形过大而破坏。（2）地震作用下，由于节点强度不足、延性不够、锚固失效，使得结构构件缺乏可靠的连接，建筑物丧失整体性而遭破坏。（3）地震作用下，由于地基承载力下降或地基土液化，使得地基部分失效甚至于完全失效，最终导致建筑物倾斜、倒塌。（4）由地震引发的次生灾害如火山、洪水、滑坡、泥石流等造成建筑物的严重破坏。所以场地的选择是建筑抗震设计成功的第一步，从选址工作开始就应该选择对抗震有利的地段，尽量避开不利的地段，避不开时应采取有效措施确保地基的稳定性；任何情况下均不考虑在抗震危险地段建造建筑物[2]。3.2规则性建筑在建筑的方案设计阶段就应该尽量采用规则建筑方案，即建筑平、立、剖应规则、简单、对称；结构侧向刚度、材料强度和质量的分布应均匀、连续，无突变，因为不规则的建筑在水平地震作用下也会产生扭转振动，进而破坏。3.3合理的结构体系一个合理的结构体系，首先应有明确的计算简图和合理、简洁的传力途径，对于不规则建筑，应采用空间计算模型计算地震力，考虑扭转藕联影响，使其更接近实际工况。不在同一结构单元混用受力体系，优先选用现浇混凝土结构，在多层砌体房屋中优先采用横墙承重的结构体系，在底层框架抗震墙砌体房屋中，优先采用混凝土抗震墙。体型复杂的建筑，设置合理的抗震缝将上部结构分割成相互独立、相对规则的结构单元。3.4计算结果的校核一般来说，在结构设计中，通常采用计算软件进行抗震分析，这就要求设计人员对所用软件的适用范围、技术条件、计算模型等均有深刻的认识和充分的掌握，对所有计算结果，应经认真分析校核，只有经分析判断结果合理、有效后，方可用于工程实际。3.5抗震构造措施对结构构件采用多道设防，严格按规范要求保证“强柱弱梁”，“强剪弱弯”，“强节点弱构件”，加强节点连接，加强梁、柱端头箍筋加密区的箍筋量。所用材料等级不低于规范要求的最低等级，从而有效减小材料的脆性，计算中还应严格控制梁的相对受压区高度。砌体结构应按规范要求设置圈梁、构造柱等，有效约束砌体，提高砌体的延性和整体性。非结构构件比如框架填充墙两端应与柱有效拉结，附属构件女儿墙、雨篷、挑檐等除保证自身整体性能外，还应与主体结构有可靠连接和锚固。中国矿业大学徐海学院课程论文33.6结构的整体性结构是由许多构件连接组合而成的一个整体，并通过各个构件的协调工作来有效地抵抗地震作用。若结构在地震作用下丧失了整体性，则结构各构件的抗震能力不能充分发挥，这样容易使结构成为机动体而倒塌。因此，结构的整体性是保证结构各个部分在地震作用下协调工作的重要条件，确保结构的整体性是抗震概念设计的重要内容[3]。3.7结构材料的选择单从抗震角度考虑,作为一种结构材料应轻质、高强、材质均匀;构件间的连接应有良好的整体性、连续性及延性,且能发挥材料的全强度。按照这一原则,不同材料结构的抗震性能优劣排序是:钢结构;型钢混凝土结构;混凝土-钢混合结构;现浇钢筋混凝土结构;预应力混凝土结构;装配式钢筋混凝土结构;配筋砌体结构[4]。工程中常用结构抗震表现分述如下:(1)钢结构钢结构最符合抗震材料的要求,从已有的地震震害实例来看,钢结构的表现均很好;但它当前的造价及维护费用较高。(2)现浇钢筋混凝土结构该结构整体性好,造价低廉,有较大的抗侧移刚度,并且经良好的设计可保证结构具有良好的延性。但该材料也存在难以克服的弱点:当地震持时较长时,在周期性往复水平荷载作用下,构件刚度因裂缝的开展而递减,且塑性铰区会产生反向斜裂缝,将混凝土挤碎,产生永久性的“剪切滑移”[7]。(3)预应力混凝土结构预应力混凝土结构在非开裂状态下能承受较大的变形,因而在烈度不高时结构破坏较轻,相应地其所贮藏的弹性变形能要比钢筋混凝土高,但预应力混凝土结构的滞回曲线比钢筋混凝土狭窄,所能耗散的滞后能量要少一些,且由于预应力构件受压区配筋一般相对较少,一旦混凝土开始压碎,承载能力就会急剧下降,因此在高烈度地区,必须采取措施提高延性,方能使用预应力混凝土结构。实践证明,通过合理控制预应力筋的含量(Q≤0.5%)可以实现这个目的[8]。(4)装配式钢筋混凝土结构此类结构致命的抗震弱点在于整个结构缺乏连续性和整体性;框架节点等预制构件的连接和接头强度及变形能力均低于构件本身而形成薄弱环节;同时预制构件装配时会产生次应力,故这类结构不宜在高烈度地区采用;但若采用整体装配式结构则可以改善这种情况[5]。3.8多道抗震设防体系无论选用何种材料、何种结构体系的抗震结构,都宜设置多道抗震防线。一次地中国矿业大学徐海学院课程论文4震持续的时间少则几秒,多则十几秒甚至更长。这样长时间的地震动,一个接一个的强脉冲对建筑物产生多次往复式冲击,造成累积式破坏;如果建筑物采用的是单结构体系,仅有一道抗震防线,一旦破坏后接踵而来的持续地震就会使建筑倒塌;而设了多重抗震体系的建筑物,在第一道防线的抗侧力体系遭破坏后,后备的第二道、第三道防线立即接替,抵挡后续的地震冲击,特别是对于因“共振”而引起的破坏,在第一道防线失效后,结构转入第二道、第三道防线工作,此时随着第一道防线破坏塑性铰出现,结构基本周期已生变化,从而错开了地震动卓越周期,建筑物免遭进一步破坏。这种抗震设计概念是对付高度地震的一种经济有效的办法,且已应用到实际工程中,如前面提到的马那瓜美洲银行就是一个应用多道抗震防线概念的成功实例。美国林同炎国际设计公司设计这一工程（美洲银行）时所采取的指导思想是:在风荷载和规范规定的等效静力地震荷载作用下,结构具有较大的抗推刚度以满足变形方面的要求;当遭遇更高地震烈度,建筑物所受的地震力很大时,通过某些构件的屈服过渡到另一个具有较高变形能力的结构体系。据这一指导思想,该大楼采用了12.55m×12.55m的芯筒作为主要的抗风和抗震构件,不过,该芯筒又由4个“L”形小筒构成,小筒外边尺寸4.6m×4.6m,在每层楼板处,采用较大截面的钢筋混凝土连梁将4个小筒连成具有较强整体性的芯筒。进行抗震设计时,既考虑了4个小筒作为大筒组成部分发挥整体作用时受力状况,又考虑了连梁损坏后4个小筒各自作为独立构件时的受力状态。这样,当小筒间连梁完全破坏后,整个结构的抗侧力能力也不至降低很多,同时由于各层连梁两端出现朔性铰之后,整个结构自震基本周期加长,地震反应减弱,有利于保持结构的安全和稳定。该大楼的震害表现(表1)说明这种设计思想是成功的。据测算,该次地震在大楼中引起的水平地震力至少是0.35g,大楼是1963年设计的,设计的水平地震力相当于0.06g,这就是说大楼经受住了6倍于设计的地震力。震后,美国伯克利加州大学对这幢大楼进行了动力分析,分别考虑了4个“L”型小筒作为一个整体共同工作和4个小筒单独工作两种状态,计算出结构的动力特性和对马拉瓜地震的反应(结果见表2)。从表中可以看出,在“大震”时结构的基本周期延长了1.5倍,结构底部地震力减少了一半,但结构顶部位移增加了一倍。3.9抗震新思路如前所述,目前为减轻震害所采取的措施都偏重于提高结构自身的承载能力和变形能力,从而耗散地震能量避免建筑物的倒塌。这种方法可说是一种“防守”“被动”中国矿业大学徐海学院课程论文5的办法,存在着造价高,构造复杂,施工难度大的缺点;此外,对于持时短,震级高的直下型地震,按此方法设防的建筑物甚至来不及通过结构变形和内力调整来耗散地震能量就已因遭受超过结构所能承受的破坏而发生倒塌。例如在1995年1月17日发生的日本阪神大地震中,大阪至神户的高速公路高架桥约500m区段内数十根巨大的钢筋混凝土桥墩从根部折断整齐地倒向一侧,充分暴露了传统抗震设计在抗御高震级,直下型地震时存在的缺陷[6]。地震对建筑的破坏作用是由于地面运动激发起建筑物的强烈振动所造成的。既然破坏能量来自地面,通过基础向上部结构传递,那么若在基础和上部结构之间设置一个“能量耗散层”以阻隔或减少地震能量向上部结构的传递就能大大减轻地震对建筑物的破坏。我国的地震实例证实了这种想法的可行性:如1966年邢台地震,极震区大量民房倒塌,但其中有几栋土坯民房几无破坏,经考察,原因在于基墙处铺设厚约30mm芦苇杆防潮层,起到了隔震效果;又如1977年在滦县司家营砂土液化区调查,发现了同样的实例:一幢民房整体旋转了90度,上部结构基本完好;1966年东川地震时,一座筒仓沿底部油毡防潮层产生了水平滑动,因而整个筒壁未见明显裂缝。基于这种想法,工程界发明了多种形式的隔震器,国外已将之用于实际工程,我国暂处于试运用阶段。1987年2月6日日本福岛县地震,地面峰值加速度为40.5Gal,传统结构房屋的最大反应加速度为155.1Gal,而采用了软垫隔震措施的一幢3层楼房,最大反应加速度仅为31.8Gal。后者与前者相比较,地震反应减少了80%。4结语结构设计人员在日常设计工作中，必须学会熟练运用概念设计，并使这一理念贯穿于结构设计工作的整个过程当中，既要严格把握好设计的大原则，又要全面考虑诸多因素，最终才能保证设计的科学性和严谨性，为社会创造更多精品工程。参考文献[1]GB50011-2001，建筑抗震设计规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.154-123[2]GB50007-2002，建筑地基基础设计规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2002.113-103[3]黄存汉.建筑抗震设计技术措施[M].北京：中国建筑工业出版社，2001.125-110[4]韦定国.抗震结构设计[M].武汉：武汉理工大学出版社，2004.139-128中国矿业大学徐海学院课程论文6[5]杨大海等.高层建筑抗震设计[J].北京:中国建筑工业出版社,1993.56-98[6]裘民川.日本神户地震建筑震害浅析与启示.建筑结构[J],1995[7]JGJ3-91《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》[M]2002.139-187[8]GB50191-93《构筑物抗震设计规范》[M]2002