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摘要由于地震的不确定性及随机性使得抗震概念设计成为结构抗震设计的首要问题,这要求结构工程师必须从结构整体出发研究建筑结构与场地、地基、平立面布置、结构体系、节点、结构构件、非结构构件之间的关系,使其达到一定的要求,达到合理抗震设计的目的。
关键词探讨;抗震概念设计;建筑结构设计;应用
中图分类号TU文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)062-0055-01
我国是一个地震多发地区,特大地震给我们带来的灾难有目共睹,尤其是2008年5.12汶川地震,给我们带来的各方面损失更是不可估量。而大量的数据表明,地震之所以能够带来重大的灾害,其主要原因是建筑物及建筑设施结构不合理而造成的倒塌和破坏。因此,抗震防灾的重点就是要提高建筑物结构的抗震功能。但在在目前的技术条件下,尚不能够准确地预报地震,因此,相关数据不能假定,由此依赖于计算的设计便不可行,对于抗震结构的设计,主要依赖于概念设计。
1抗震概念设计的必要性
结构设计分为计算设计和概念设计。计算设计是依据计算理论和规范,对结构的计算模型和受力状态做出相关假设,以此进行计算分析,根据计算得出的结果进行设计。但由于地震的不确定性、随机性,地震时地面运动及其对结构的影响的复杂性,以及结构本身的质量、钢筋混凝土的弹性模量以及阻尼的变化在地震中具有非线性特征,使得我们很难对相关数据做出假设,因此,仅靠计算的精确不能设计出良好的抗震结构。只有在概念设计基础上附以必要的计算而完成的设计,才能使结构具有较高的抗震能力。而抗震概念设计,是以地震灾
害和工程经验形成的设计原则和思想为依据,从整体的角度来考虑建筑结构的布置并确定细部构造,其目标是结构整体能尽可能多地耗散地震能量,以实现“小震不坏,大震不倒”的目标。
2抗震概念设计的原则及实现
2.1选择有利的抗震场地
建筑物因地震而造成的损毁,其原因各异,主要有如下几点:首先,地震时地面发生强烈运动,建筑物因震动产生变形、扭曲,整体性以及设计强度丧失,发生破坏;其次,地震带来其他自然灾害,如泥石流、海啸、水坝坍塌;其三,地面发生严重变形、如滑坡、错位以及陷落等。对于第一种情况而言,可以通过工程技术手段加以防范,但是对于后两种情况而言,依赖工程技术手段难以达到预防目标,只能通过选择对抗震有利的地段加以预防。因此,应对工程场地的地形、地质等状况进行详细的勘察对比,掌握地震活动情况,做出综合评价,选择对抗震有利的密实均匀的坚硬土、中硬土的地段,避开对抗震不利的软弱土、易液化土以及河岸和边坡边缘的地段以及在平面图上密实不均与的地段。当无法避开时,应采取有效的措施增强建筑物的抗震功能。
2.2合理的地基及基础设计
地基及基础设计应当根据工程地质状况、工程主体部分的结构类型以及地基的负载分布等多方面因素,进行综合分析,最大限度发挥地基在抗震方面的作用,为此,必须把握的一个原则即是同一结构单元应设计在性质同一或接近的地基上。具体而言包含以下几方面内容:同一结构单元的地基在性质上不能截然不同,地基及基础埋入地下的深度要相同,地下室应当布置到整个结构单元,以确保地基及基础的结构整体性,总而达到抗震的整体最优。
2.3优化平立面结构
在建筑物结构的平面与立面上达到优化,设计时需要遵循如下几个原则,即结构简单、规则、均匀,刚度变化均匀,并且要具有整体性与可变性。结构简单是指结构体系在地震作用下,具有明确的受力、传力途径,同一结构单元应使用同一的结构体系。同时,建筑物的体型要规则、对称,刚度变化要均匀以避免避免楼层错层,以达到良好的整体性,以减少建筑物因地震而产生的变形和扭转反应,从而提高整体抗震功能。如必须要采用不规则的结构,则在结构设计时要进行地震作用分析与计算,估算局部部位的应力及扭转反应,以此为依据,针对局部部位采取相应的防震设施。
2.4构件之间连接可靠
这要求达到如下几点:首先,构件节点的承载力应至少等于其连接构件的承载力;其次,预埋件的锚固承载力应至少等于连接件的承载力,连接不能破坏结构的整体性;第三,各类构件的连接要具有一定的刚度和变形能力。
2.5设置多道抗震防线
多道抗震防线就是采用多重抗側力结构,提高部分的延性,并由若干个这样的部分体系构成一个完整的抗震结构体系,以便一方面使得结构能够消耗大量的地震能量,另一方面,当第一道防线随地震而破坏,建筑物自振周期便与地震震动卓越周期错开,缓解了建筑物的共振,从而减轻地震的破坏作用。具体而言,第一道抗震防线的抗侧力构件选用无重力负载或者重力负载少的竖向支撑和填充墙或者轴压小的抗震墙、实墙筒体之类构件。在建筑物中增设冗余部件,利用它们的屈服变形来消耗地震能量的输入,并利用他们的破坏而改变建筑物的自振周期,减少因共振而带来的破坏。
2.6刚度、承载力和延性的匹配
大量的地震经验表明,建筑结构整体及其构件、节点对地震反应的强弱以及破坏程度,与结构整体的刚度以及构件和节点的承载力及构造密切相关。一般说来,结构的刚度越大,则其延性就越低,而此时,它分担的地震能量恰恰需要其具有很高的延性以消耗地震能量,而结构的延性太强,则结构的刚度不足,瞬间来袭的破坏力,虽然可以很好地被其消耗,但其自身却会因变形过大而不能继续使用。因此,确定了建筑结构,还要使得结构刚度、承载力及延性之间达到比较好的匹配关系。在建筑概念抗震设计中,刚度、承载力和延性的匹配,一个总的要求是,结构部分的延性要求高于结构总体的延性要求,即重要构件的延性高于结构总体的延性,构件中关键杆件或部位的延性高于对整个构件的延性。要使建筑物有很强的抗倒塌能力,比较理想的状况是,在结构抗侧力的刚度达到一定的标准的前提下,结构中的所有构件及构件中的所有杆件都有较高的延性,但这是理想状况,实际工程不可能完全做到,但可以选择结构中的重要构件以及某些构件中关键杆件,提高他们的延性,如,楼房中会出现塑性变形集中的楼层,房屋周边转角处、平面突变处以及复杂平面各翼相接处等。
2.7设置合理的破坏机制
在地震的作用下,结构的破坏有各种可能,而每一种破坏所造成的损失程度也不尽相同,结构工程师的一个重要工作便是优化破坏次序,使破坏造成的损失最小。这方面的一个总的原则是防止结构整体先于结构部分的破坏,从具体的方法上而言,主要有以下几点:首先,强柱弱梁,即防止柱子先于梁而破坏,柱子一旦破坏整个结构整体就会有坍塌的危险;其次,强节弱杆,即防止节点先于构件破坏,节点一旦破坏,破坏的将是许多构件;再次,就是强剪弱弯,这是因为剪切破坏具有突然性和不可预测性,而与此相反,弯曲破坏有一个曲线的变化,可以预测危险,从而把损失降到最低。
2.8非结构部件的处理
非结构构件主要指隔墙、围护墙、女儿墙等非主要承重和承力部件,虽然不属于主体结构的一部分,但在地震期间却能够改变主体结构构件在地震中的受力状态及分布规律。因此,非结构部件的处理对于建筑结构整体抗震能力意义重大。因此,首先,或者让非结构部件成为抗震结构整体的一部分或者让非结构部件与抗震结构整体不发生任何关系;其次,装饰物与结构整体的连接要可靠;再次,隔墙、围护墙要避免对结构抗震带来的不利影响,其竖向连接要均匀,在平面上的分布要均匀对称。
3结束语
抗震概念设计是贯穿于抗震设计全过程的系统工程,其最重要的环节是控制结构整体刚度和延性,并找出支撑结构整体的关键部位。一幢建筑,其抗震性能如何,主要依赖于抗震概念设计对结构整体的宏观把握,只要对结构进行合理的概念设计,使建筑结构符合一定的要求和原则,便能够达到抗震的目的。所以“概念设计”是结构抗震设计的首要问题。
参考文献
[1]彭彤.对建筑抗震结构设计的探讨[J].科技创新导报,2009,2.
[2]王志勇.浅析高层建筑抗震结构设计[J].魅力中国,2009,24.
关键词探讨;抗震概念设计;建筑结构设计;应用
中图分类号TU文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)062-0055-01
我国是一个地震多发地区,特大地震给我们带来的灾难有目共睹,尤其是2008年5.12汶川地震,给我们带来的各方面损失更是不可估量。而大量的数据表明,地震之所以能够带来重大的灾害,其主要原因是建筑物及建筑设施结构不合理而造成的倒塌和破坏。因此,抗震防灾的重点就是要提高建筑物结构的抗震功能。但在在目前的技术条件下,尚不能够准确地预报地震,因此,相关数据不能假定,由此依赖于计算的设计便不可行,对于抗震结构的设计,主要依赖于概念设计。
1抗震概念设计的必要性
结构设计分为计算设计和概念设计。计算设计是依据计算理论和规范,对结构的计算模型和受力状态做出相关假设,以此进行计算分析,根据计算得出的结果进行设计。但由于地震的不确定性、随机性,地震时地面运动及其对结构的影响的复杂性,以及结构本身的质量、钢筋混凝土的弹性模量以及阻尼的变化在地震中具有非线性特征,使得我们很难对相关数据做出假设,因此,仅靠计算的精确不能设计出良好的抗震结构。只有在概念设计基础上附以必要的计算而完成的设计,才能使结构具有较高的抗震能力。而抗震概念设计,是以地震灾
害和工程经验形成的设计原则和思想为依据,从整体的角度来考虑建筑结构的布置并确定细部构造,其目标是结构整体能尽可能多地耗散地震能量,以实现“小震不坏,大震不倒”的目标。
2抗震概念设计的原则及实现
2.1选择有利的抗震场地
建筑物因地震而造成的损毁,其原因各异,主要有如下几点:首先,地震时地面发生强烈运动,建筑物因震动产生变形、扭曲,整体性以及设计强度丧失,发生破坏;其次,地震带来其他自然灾害,如泥石流、海啸、水坝坍塌;其三,地面发生严重变形、如滑坡、错位以及陷落等。对于第一种情况而言,可以通过工程技术手段加以防范,但是对于后两种情况而言,依赖工程技术手段难以达到预防目标,只能通过选择对抗震有利的地段加以预防。因此,应对工程场地的地形、地质等状况进行详细的勘察对比,掌握地震活动情况,做出综合评价,选择对抗震有利的密实均匀的坚硬土、中硬土的地段,避开对抗震不利的软弱土、易液化土以及河岸和边坡边缘的地段以及在平面图上密实不均与的地段。当无法避开时,应采取有效的措施增强建筑物的抗震功能。
2.2合理的地基及基础设计
地基及基础设计应当根据工程地质状况、工程主体部分的结构类型以及地基的负载分布等多方面因素,进行综合分析,最大限度发挥地基在抗震方面的作用,为此,必须把握的一个原则即是同一结构单元应设计在性质同一或接近的地基上。具体而言包含以下几方面内容:同一结构单元的地基在性质上不能截然不同,地基及基础埋入地下的深度要相同,地下室应当布置到整个结构单元,以确保地基及基础的结构整体性,总而达到抗震的整体最优。
2.3优化平立面结构
在建筑物结构的平面与立面上达到优化,设计时需要遵循如下几个原则,即结构简单、规则、均匀,刚度变化均匀,并且要具有整体性与可变性。结构简单是指结构体系在地震作用下,具有明确的受力、传力途径,同一结构单元应使用同一的结构体系。同时,建筑物的体型要规则、对称,刚度变化要均匀以避免避免楼层错层,以达到良好的整体性,以减少建筑物因地震而产生的变形和扭转反应,从而提高整体抗震功能。如必须要采用不规则的结构,则在结构设计时要进行地震作用分析与计算,估算局部部位的应力及扭转反应,以此为依据,针对局部部位采取相应的防震设施。
2.4构件之间连接可靠
这要求达到如下几点:首先,构件节点的承载力应至少等于其连接构件的承载力;其次,预埋件的锚固承载力应至少等于连接件的承载力,连接不能破坏结构的整体性;第三,各类构件的连接要具有一定的刚度和变形能力。
2.5设置多道抗震防线
多道抗震防线就是采用多重抗側力结构,提高部分的延性,并由若干个这样的部分体系构成一个完整的抗震结构体系,以便一方面使得结构能够消耗大量的地震能量,另一方面,当第一道防线随地震而破坏,建筑物自振周期便与地震震动卓越周期错开,缓解了建筑物的共振,从而减轻地震的破坏作用。具体而言,第一道抗震防线的抗侧力构件选用无重力负载或者重力负载少的竖向支撑和填充墙或者轴压小的抗震墙、实墙筒体之类构件。在建筑物中增设冗余部件,利用它们的屈服变形来消耗地震能量的输入,并利用他们的破坏而改变建筑物的自振周期,减少因共振而带来的破坏。
2.6刚度、承载力和延性的匹配
大量的地震经验表明,建筑结构整体及其构件、节点对地震反应的强弱以及破坏程度,与结构整体的刚度以及构件和节点的承载力及构造密切相关。一般说来,结构的刚度越大,则其延性就越低,而此时,它分担的地震能量恰恰需要其具有很高的延性以消耗地震能量,而结构的延性太强,则结构的刚度不足,瞬间来袭的破坏力,虽然可以很好地被其消耗,但其自身却会因变形过大而不能继续使用。因此,确定了建筑结构,还要使得结构刚度、承载力及延性之间达到比较好的匹配关系。在建筑概念抗震设计中,刚度、承载力和延性的匹配,一个总的要求是,结构部分的延性要求高于结构总体的延性要求,即重要构件的延性高于结构总体的延性,构件中关键杆件或部位的延性高于对整个构件的延性。要使建筑物有很强的抗倒塌能力,比较理想的状况是,在结构抗侧力的刚度达到一定的标准的前提下,结构中的所有构件及构件中的所有杆件都有较高的延性,但这是理想状况,实际工程不可能完全做到,但可以选择结构中的重要构件以及某些构件中关键杆件,提高他们的延性,如,楼房中会出现塑性变形集中的楼层,房屋周边转角处、平面突变处以及复杂平面各翼相接处等。
2.7设置合理的破坏机制
在地震的作用下,结构的破坏有各种可能,而每一种破坏所造成的损失程度也不尽相同,结构工程师的一个重要工作便是优化破坏次序,使破坏造成的损失最小。这方面的一个总的原则是防止结构整体先于结构部分的破坏,从具体的方法上而言,主要有以下几点:首先,强柱弱梁,即防止柱子先于梁而破坏,柱子一旦破坏整个结构整体就会有坍塌的危险;其次,强节弱杆,即防止节点先于构件破坏,节点一旦破坏,破坏的将是许多构件;再次,就是强剪弱弯,这是因为剪切破坏具有突然性和不可预测性,而与此相反,弯曲破坏有一个曲线的变化,可以预测危险,从而把损失降到最低。
2.8非结构部件的处理
非结构构件主要指隔墙、围护墙、女儿墙等非主要承重和承力部件,虽然不属于主体结构的一部分,但在地震期间却能够改变主体结构构件在地震中的受力状态及分布规律。因此,非结构部件的处理对于建筑结构整体抗震能力意义重大。因此,首先,或者让非结构部件成为抗震结构整体的一部分或者让非结构部件与抗震结构整体不发生任何关系;其次,装饰物与结构整体的连接要可靠;再次,隔墙、围护墙要避免对结构抗震带来的不利影响,其竖向连接要均匀,在平面上的分布要均匀对称。
3结束语
抗震概念设计是贯穿于抗震设计全过程的系统工程,其最重要的环节是控制结构整体刚度和延性,并找出支撑结构整体的关键部位。一幢建筑,其抗震性能如何,主要依赖于抗震概念设计对结构整体的宏观把握,只要对结构进行合理的概念设计,使建筑结构符合一定的要求和原则,便能够达到抗震的目的。所以“概念设计”是结构抗震设计的首要问题。
参考文献
[1]彭彤.对建筑抗震结构设计的探讨[J].科技创新导报,2009,2.
[2]王志勇.浅析高层建筑抗震结构设计[J].魅力中国,2009,24.