抗震建筑结构的若干概念设计

2016-03-13 20:26李宝玉
河南科技 2016年11期
关键词:烈度概念设计延性

李宝玉

(河南省建筑工程标准定额站,河南 郑州 450001)

抗震建筑结构的若干概念设计

李宝玉

(河南省建筑工程标准定额站,河南郑州450001)

地震是一种不可预知的自然灾害,可导致建筑物受损甚至倒塌和人命伤亡,减少地震灾害最有效的方法是建造经得起强震的抗震建筑。基于此,结合地震动的特点和建筑抗震设计原理,总结有关建筑结构抗震设计中的概念设计,并进行必要分析,以期对建筑结构抗震设计有一定的参考价值。

抗震结构设计;概念设计;建筑结构

地震是一种不可预知的自然灾害,地震波引起的地震动可导致建筑物受损甚至倒塌,从而引致人命伤亡,减少地震灾害最有效的方法是建造经得起强震的抗震建筑。地震的大小用震级度量,而建筑物遭受地震影响的强弱程度则用烈度来表示,我国现行《建筑抗震设计规范》(GB50011)(以下简称《抗震规范》)的1.0.2条以强制性条文的形式规定[1]:抗震设防烈度为6度及以上地区的建筑,必须进行抗震设计。地震作用不仅具有随机性,而且具有动力特性,目前尚难准确确定建筑物所遭遇地震动的峰值、频谱和持续时间,再加上结构材料的非弹性、结构的阻尼以及结构分析的不完备等因素,结构的抗震设计尚不是理性的科学,除了结构分析和截面设计外,概念设计是结构抗震设计中不可缺少的重要部分。概念设计就是指工程师在结构设计中运用“概念”进行分析和判断,并采取相应措施,愈来愈受到结构设计人员的普遍重视。

1 抗震设防目标

每个地区都有可能遭受强烈程度不同的地震,出现的概率也不同,对结构的影响程度也不同。显然,采用单一的抗震设防目标是不合理的。因此,和世界上许多国家一样,我国也采用3个水准的设防要求,即“小震不坏,中震可修,大震不倒”。即使抗震设防目标基本相同,但由于各国地震发生的频繁程度不同,相同重现期的地震的强弱程度不同等原因,关于“小震、中震和大震”的定义也就不一样,即建筑受到的有效加速度不同。《抗震规范》规定的小震即为多遇地震,为该地区50a内超越概率10%的地震;中震即设防烈度,为该地区的地震基本烈度,50a内超越概率为10%;而大震为罕遇地震,50a内的超越概率为2%~3%的最大地震烈度。抗震设防烈度是建筑抗震设计用的基准烈度。一般建筑抗震设防烈度是采取建筑所在地区的基本烈度。

2 若干抗震结构概念设计

2.1选择合理地基和减少地震能量输入

2.1.1避免地基变形的直接危害。建筑物可能由于断层错动、山崖崩塌、河岸滑坡、地层陷落等地基严重变形造成严重破坏。因此,应避免在断层、山崖、滑坡、地陷等抗震危险地段建造房屋。同时,应选择位于开阔平坦地带的坚硬土场地或密实均匀中硬土场地,避开不利地形,远离河岸,不垮在两类土壤上,不采用震陷土作天然地基[1]。

2.1.2减少地震能量输入。建筑物遭遇到地震时,所受到的地震作用的大小,并不像一般的风、雪、重力等荷载那样易于确定,而是随着建筑的动力特性、场地条件和地震动参数的不同,存在较大幅度的变化。以高层建筑为例,建在基岩或薄土层上与建在厚土层上相比较,能减少地震输入能量,减轻破坏程度。因此,在坚硬的场地土上建造高楼,可以明显地减少地震能量输入,即能减小地震作用。采用隔震技术可有效地减小地震能量的输入,从而减轻结构的地震作用效应。目前,常用的隔震有软垫隔震、滑移隔震、摆动隔震、悬吊隔震等措施。

2.2结构体型和总体布置

结构抗震设计除根据高度、设防烈度合理选择结构形式、材料外,还需重视结构布置。

结构平面布置与建筑平面有关,平面简单、规则、对称的建筑,易于实现利于建筑抗震的结构布置,即结构的刚度、质量分布对称均匀,结构的质心与刚心尽可能重合,从而减少地震作用下的结构扭转效应。即使是完全对称布置的结构,由于施工引起的构件尺寸及轴线偏差、配筋不对称等原因,在地震作用下结构也会激起建筑的扭转振动。因此,在弹性阶段的抗震设计时就需要偶然偏心的影响。结构竖向布置时就要使构件沿高度方向连续,不出现结构侧向刚度突变。尤其是剪力墙,自下而上要连续布置,否则易于形成结构的薄弱层,在地震作用下该层间侧移将因塑性变形集中而骤然加大,破坏程度也会加重,进而危及该层以上各楼层甚至整个建筑的安全。对于突出屋面的小塔楼,则易于出现鞭梢效应,在结构设计时需专门处理,并在构造上采取措施。规则结构的地震反应较为简单,计算结果能较好地反映地震作用下的受力状态,设计师也就能较好地把握结构的实际地震反应。对不规则结构而言,更应重视概念设计,首先要设置从基础到屋顶的不中断的连续结构(也称为脊椎结构)[2],若无法设置,应采取其他措施来保证抗侧力结构的连续性;其次是提高关键构件的承载力和延性,按中震不屈服来设计关键构件,或保证大震下关键构件处于弹性状态。

2.3性能优良的材料

在结构的抗震设计阶段,除了要考虑建筑的功能、美观和结构体系等,还需要确定结构的材料,这就要求对各种材料的耐震性能有一定的了解,以便能根据建设工程来选用既符合抗震要求又经济实用的结构形式。从结构抗震角度来讲,好的结构材料应是变形能力(延性系数)强,“强度/重力”的比值大,均匀性好,构件之间易于连接,并能充分发挥材料的强度。用上述标准来衡量,常用结构类型按其抗震性能优劣的排序是: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。

2.4结构的整体性和延性

结构具有足够大的延性和耗能能力是抗震结构设计的基本要求,合理设计的抗震结构应是结构在大震作用下,部分结构构件屈服或破坏,通过延性来耗散地震能量,避免结构倒塌。延性本质上说是材料、截面、构件或结构在保持一定的强度或承载力时的塑性变形能力,除与材料、配筋有关外,选择合理的结构屈服机制也是保证结构具有良好延性的前提。整体屈服机制优于楼层屈服机制。对混凝土结构设计而言,需遵循“强节点弱杆件”“强柱弱梁”“强剪弱弯”“强锚固”等原则。而在钢结构设计时,应选定构件中轴力小的水平杆件,作为主要耗能杆件,并尽可能使其发生弯曲耗能,从而使整个构件具备较大的延性和耗能能力。

刚度愈大的构件通常吸收的地震能量也越大,只有使其具有足够大的延性,才能在结构受力超过弹性阶段发生弹塑性变形时,避免其先发生破坏,然后其他构件再发生破坏,从而被各个击破。为了增加大刚度构件的延性,可采用设置竖缝的抗震墙、偏心支撑等相应的措施。

为了提高构件的延性,设计时需控制构件的破坏形态,减小杆件轴压比,采用高强混凝土或型钢混凝土、配置斜向钢筋、分隔成较细杆件、变单肢墙为双肢墙等措施。

2.5非结构构件的概念设计

结构中的非结构构件要参与工作,有利的方面是增加了结构的抗侧刚度,从而减少结构的侧移,同时还能承担地震剪力、吸收和耗散地震能量,从而对结构产生有利影响。但是,结构刚度的增大又会引起更大的地震作用效应,对结构的抗震不利,有时不合理的填充墙布置也造成结构偏心、在框架中形成短柱等情况,加重了结构震害。所以,在结构设计时必须考虑到填充墙的影响,加强非结构构件与主体结构的连接,控制结构的层间侧移。

3 结语

尽管地震具有强烈的随机性,对建筑的危害也较大,只要在建筑和结构设计中合理运用抗震概念设计,能够保证房屋在地震发生时和发生后具有必要的整体稳定性,从而减少不必要的生命和财产损失。

[1]GB50011-2010.建筑抗震设计规范[S].

[2]钱稼茹.不规则高层建筑的抗震设计概念及工程实例[J].建筑结构,1997(1):35-37.

Several Conceptual Design of Aseismic Building Structure

Li Baoyu
(Henan Provincial Construction Engineering Standard Quota Station,Zhengzhou Henan 450001)

Earthquake is a kind of unpredictable natural disaster,can lead to damage or even collapse of buildings and casualties,the most effective way to reduce the earthquake disaster is to build strong earthquake resistant buildings.Based on this,combined with the characteristics of ground motion and the principle of seismic design of buildings,the concept design of the seismic design of building structures was summarized,and the necessary analysis was made,in order to have a certain reference value for the seismic design of the building structure.

seismic structural design;conceptual design;architectural structure

TU352.11

A

1003-5168(2016)06-0118-02

2016-05-13

李宝玉(1973-),女,本科,工程师,研究方向:工程造价。

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