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对建筑结构抗震概念概念设计的若干思考
台州市爱博竞彩设计研究院  发表时间:2016-10-18 09:17:45

对建筑结构抗震概念概念设计的若干思考

梁雪芬  黄健俊

    摘要:汶川大地震再次为我们的建筑抗震设计敲响了警钟,故对建筑抗震的概念设计进行了研究分析,对建筑结构抗震概念设计的内容及应注意的几个问题进行了阐述,以期完善建筑结构抗震概念设计。

    关键词:建筑结构 抗震 概念设计 延性

1.概述

    地震是一种破坏性极大的突发性自然灾害,具有极大的不可预见性,虽然其发生的概率很小,影响时间很短,但是强震往往会造成结构的严重破坏和垮塌,对人的生命和财产造成巨大损失。四川汶川大地震的惨痛教训又一次使我们设计人员感到抗震设防的重要性。

    建筑抗震概念设计是广大科技人员通过对大量建筑地震震害实例进行分析,归纳总结出来的实践经验。建筑抗震概念设计在地震区的建筑抗震设计中是非常重要的,贯穿于抗震设计的各个环节,大多数结构是用抗震概念设计与抗震构造措施共同来保证抗震设防第三水准目标(即大震不倒)的。概念设计在着手进行结构抗震设计时,着眼于结构的总体地震反应,灵活运用抗震设计准则,既注意总体布置上的大原则,又考虑关键部分的细节,从而全面、合理地解决结构抗震设计中的基本问题。

2.概念设计的重要性

    概念设计是展现先进设计思想的关键,一个结构工程师的主要任务就是在特定的建筑空间中用整体的概念来完成结构总体方案的设计,并能有意识地处理构件与结构、结构与结构的关系。一般认为,概念设计做得好的结构工程师,随着他的不懈追求,其结构概念将随年龄与实践的增长而越来越丰富,设计成果也越来越创新、完善。遗憾的是,社会分工的细化,使得部分结构工程师只会依赖规范、设计手册、计算机程序做习惯性传统设计,缺乏创新,更不愿(或不敢)创新,有的甚至拒绝性传统设计,缺乏创新,更不愿(或不敢)创新,有的甚至拒绝对新技术、新工艺的采纳(害怕承担创新的责任)。部分工程师在一体化计算机结构程序设计全面应用的今天,对计算机结果明显不合理、甚至错误不能及时发现。随着年龄的增长,导致他们在学校学的那些孤立的概念被逐渐忘却,更谈不上设计成果的不断创新。

    概念设计的重要,主要是因为现行的结构设计理论与计算理论存在血多缺陷或不可计算性,比如对混凝土结构设计,内力计算是基于弹性理论的计算方法,而截面设计却是基于塑性理论的极限状态设计方法,这一矛盾使设计结果与结构的实际受力状态差之甚远,为了弥补这类计算理论的缺陷,或者实现对实际存在的大量无法计算的结构构件的设计,都需要优秀的概念设计与结构措施来满足结构设计的目的。同时计算机计算结果的高精度特点,往往给结构设计人员带来对结构工作性能的误解,结构工程师只有加强结构概念的培养,才能比较客观、真实地理解结构的工作性能。

    概念设计之所以重要,还在于在方案设计阶段,初步设计过程是不能借助于计算机来实现的。这就需要结构工程师综合运用其掌握的结构概念,选择效果最好、造价最低的结构方案,为此,需要工程师不断地丰富自己的结构概念,深入、深刻了解各类结构的性能,并能有意识地、灵活地运用它们。概念设计在设计人员中提得比较多,但往往被人们片面地理解,认为其主要是用于一些大的原则,如确定结构方案、结构布置等。其实在设计中人和地方都离不开科学的概念作指导。计算机技术的迅猛发展,为结构设计提供了快速、准确的设计计算工具,但不可迷信电脑,应做电脑的主人。而人的设计,就是概念设计。有很多设计存在诸多缺陷,主要原因就是在总体方案和构造措施上未采用正确的构思,即未进行概念设计所致。

3.建筑结构抗震设计内容

    地震是一种随机振动,有着难以把握的复杂性和不确定性,要准确地预测建筑物遭遇地震的特性和参数,尚难以做到。在建筑抗震理论未达到科学严密的今天,单靠计算很难使建筑具备良好的抗震能力。因此,结构工程师必须重视建筑总体抗震能力的概念设计。

3.1避免抗震危险地段,选择对抗震有立的场地、地基和基础

    在进行设计时,应根据工程需要,掌握地震活动情况和工程地质的有关资料,作出综合评价,宜选择坚硬土或开阔平坦地段密实均匀的中硬土等有利地段;避开软弱土、液化土、河岸和边坡边缘,平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的土层等不利地段;同一结构单元不宜设置在性质截然不同的地基土上,也不宜部分采用天然地基,部分用桩基,当地基有软弱黏性土、液化土、新近填土或严重不均匀土层时,宜加强基础的整体性和刚度。

3.2合理的平立面布置

    建筑物的动力性能基本上取决于它的建筑布局和结构布置。建筑布局简单合理,结构布置复核抗震原则,从而确保房屋具有良好的抗震性能。

    建筑物的平、立面布置宜规则、对称,质量和刚度变化均匀,避免楼层错层。对体型复杂的建筑物合理设置变形缝,在结构设计时要进行水平地震作用计算和内力调整,并应对薄弱部位采取有效的抗震构造措施,严格控制建筑物的高度和高宽比。

3.3结构选型和结构布置

    结构选型根据建筑的重要性、设防烈度、房屋高度、场地、地基、基础、材料和施工等因素,经技术、经济条件比较综合确定。单从抗震角度考虑,作为一种好的结构形式,应具备下列性能:①延性系数高;②“强度/重力”比值大;③匀质性好;④正交各向同性;⑤构件的连接具有整体性、连续性和较好的延性,并能发挥材料的全部强度。

    结构布置遵循的原则:①平面布置力求对称,使构件分配的力均匀。②竖向布置力求均匀,尽可能使其竖向刚度、强度变化均匀,避免出现薄弱层,并应尽可能降低房屋的重心。

3.4多道抗震防线的设置

    多道设防就是人为加强某些竖向抗侧力结构,提高部分的可靠度;并且有意识地设置一些薄弱环节,使其在强震作用下退出工作。将建筑物自振周期与地震动卓越周期错开,使建筑物的共振现象得以缓解,减轻地震的破坏作用。

    抗震防线的设置原则如下:

    (1)优先选择不负担或少负担重力荷载的竖向支撑或填充墙,或者选用轴压比较小的抗震墙、实墙筒体之类构件,作为第一道抗震防线的抗侧力构件。

    (2)建筑物采用双重抗侧力体系,在建筑物中设置赘余杆件。当建筑物受到强烈地震动作用时,一方面利用结构中增设的赘余杆件的屈服和变形,来消耗输入的地震能量;另一方面利用赘余杆件的破坏和退出工作,实现结构周期的变化,避开地震卓越周期长时间持续作用所引起的共振效应。

3.5刚度、承载力和延性的匹配

    当结构具有较高的抗力时,其总体延性的要求可有所降低;反之,较低的抗力需要较高的延性要求相配合。文献[1]提出了”综合抗震能力”的概念,即综合考虑整个结构的承载力和构造等因素来衡量结构具有的抵抗地震作用的能力。

    地震时建筑物所受地震作用的大小与其动力特性密切相关,具有合理的刚度和承载力分布以及与之匹配的延性。提高结构的抗侧刚度,往往是以提高工程造价及降低结构延性指标为代价的,要使建筑物具有很强的抗倒塌能力,最理想的是使结构中的所有构件都具有较高的延性,然而实际工程中很难做到。有选择地提高结构中的重要构件以及关键杆件的延性是比较经济有效的办法。因此,在确定建筑结构体系时,需要在结构刚度、承载力及延性之间寻找一种较好的匹配关系。

4.建筑抗震构造措施与结构的延性

    行之有效的构造措施对结构抗震是十分重要的,结构的整体性与延性主要依靠构造措施给予控制和保证。在大震作用下,结构进入弹塑性状态,需要良好的延性来满足多道防线的要求,达到“大震不倒”的目的。改善构件延性的途径主要有:①控制构件的破坏形态,结构延性和耗能的大小,决定于构件的破坏形态及其塑化过程。弯曲构件的延性远远大于剪切构件的延性;构件弯曲屈服直至破坏所消耗的地震输入能量,也远远高于构件剪切破坏所消耗的能量。所以,进行工程抗震设计时,应在计算和构造方面采取措施,力争避免构件的剪切破坏,争取更多的构件实现弯曲破坏。②减小杆件轴压比:就框架体系而论,柱的延性对于耗散输入的地震能量,防止框架的倒塌起着十分重要的作用,而轴压比又是影响钢筋混凝土柱延性的一个关键性因素。试验研究结果表明,柱的侧移延性比随着轴压比的增大而急剧下降;而且在高轴压比的情况下,增加箍筋用量对提高柱的延性比不再发挥作用。③高强混凝土的应用:为了保证框架柱具有良好的延性,降低轴压比,宜采用高强混凝土。不过设计中还应该注意,采用高强混凝土时,应适当降低剪压比。④钢纤维混凝土的应用:利用这种新型材料的良好抗震延性、抗冲击韧性和较高的抗拉、抗裂和抗剪强度来满足抗震需求。⑤ 型钢混凝土结构的应用:对于应力分布复杂。剪刀打,延性差的关键构件,可通过采用型钢混凝土结构的办法来满足抗剪及延性的要求。

5.做好概念设计应注意的几个问题

    ①结构方案要根据建筑使用功能、房屋高度、地理环境、施工技术条件和材料供应情况、有无抗震设防来选择合理的结构类型。②不同结构体系在竖向荷载、风荷载及地震力作用下的受力特点。③风荷载、地震作用及竖向荷载的传递途径。④结构破坏的机制和过程,以加强结构的关键部位和薄弱环节。⑤建筑结构的整体性、承载力和刚度在平面内及沿高度均匀分布,避免突变和应力集中。⑥预估和控制各类结构及构件塑性铰区可能出现的部位和范围。⑦地基变形对上部结构及其受温度变化的影响。⑧各类结构材料的特性及其受温度变化的影响。⑨非结构件对主体结构抗震产生的有利和不利影响,要协调布置,并保证与主体结构连接构造的可靠等。

6.结语

    概念设计强调,在工程设计一开始,就应把握好能量输入、房屋体形、结构体系、刚度分布、构件延性等几个主要方面,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具有良好的抗震性能和足够的抗震可靠度。

 

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