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2022

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建筑結構抗震概念設計的核心有兩點,你知道嗎?


 建筑結構抗震設計包含了兩個設計范疇,即概念設計和參數設計。建筑結構抗震概念設計主要針對地震的不確定性和有限元分析的近似性,我們一起來看看。


從概念上,特別是從結構總體上考慮抗震的工程決策;建筑結構的參數設計主要是采用二階段的抗震設計方法(地震作用計算、構件強度驗算和結構變形驗算等)實現三水準的抗震設防要求。

兩者是相輔相成的。作為一個正確的抗震設計,必須重視抗震概念設計,靈活而又合理地運用抗震設計思想,才能不致陷入盲目的計算工作。

1、結構概念設計的主要內容

01合理的建筑體型和結構形體:

1)使風荷載效應最小;

2)使地震作用效應最小。

02合理的結構選型:

1)應具有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑。

2)應避免因部分結構或構件破壞而導致整個結構喪失抗震能力或對重力荷載的承載能力。

3)應具備必要的抗震承載力,良好的變形能力和消耗地震能量的能力。

4)宜有多道抗震防線。

5)宜具有合理的剛度和承載力分布,避免因局部削弱或突變形成薄弱部位,產生過大的應力集中或塑性變形集中。

6)結構在兩個主軸方向的動力特性宜相近。

03合理的結構布置:

結構平面布置宜規則對稱

1)豎向構件沿周邊對稱布置;

2)剪力墻帶翼緣;

3)承載力大的地方布置豎向構件。

結構側向剛度沿豎向宜均勻變化

豎向抗側力構件的截面尺寸和材料強度宜自下而上逐漸減小、避免側向剛度和承載力突變。

1)剛度如太小,則地震時的側移大,導致非結構構件和結構構件的破壞加重;剛度如太大,則地震力將增加。

2)結構的抗剪、抗彎、抗壓、抗拉、抗扭等強度均應滿足抗震要求。

3)四強四弱:

①強柱弱梁;②強剪弱彎;③強節點弱構件;④強壓弱拉。

整體為彎曲變形而非剪切變形

盡量避免扭轉變形。

04采用高強輕質的材料

充分發揮構件材料性能:延性(變形能力)要強。結構在保持一定強度條件下,如具有穩定的塑性變形能力,則在地震中可消耗輸入于結構的地震能量,減少地震力,防止結構發生嚴重脆性破壞或倒塌。

05整體性要好:

整體性可防止結構構件及非結構構件在地震時被震散掉落,同時它也是結構發揮空間作用的基本條件。

06合理設置抗震縫、伸縮縫、沉降縫。

07合理選擇基礎類型。

08施工質量要精良。

09造價要合理。

2、場地與地基的概念設計

場地影響結構的地震反應,結構地震反應的大小決定了結構的震害。一般來說,在深厚的軟土層上,高層建筑的地震反應較為強烈;在淺薄的硬土層上,則自振周期較短的結構的地震反應較為強烈。因此,在設計軟土地基上的房屋時,要注意柔性結構的反應;反之,在設計硬土地基上的房屋時,要注意剛性結構的反應。

在地基和基礎設計中,要注意同一結構單元不宜設置在性質截然不同的地基土上以及采用不同類型的基礎,地基有軟弱粘性土、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性。

3、結構布置的概念設計

地震后的震害調查和理論分析證明,結構體型簡單,剛度中心和質量中心一致,沿平面、豎向的質量分布及剛度分布均勻的建筑物,有更好的抗震能力,震害小。因此,在概念設計中,對結構的布置要注意以下幾點:

01建筑物平面布置宜簡單、對稱、質量中心與剛度中心重合

從抗震觀點看,方形、矩形、圓形、正多邊形等簡單平面最有利。平面伸出的翼部較長,有凹角,而且在某一方向上不對稱,屬于不規則平面,地震時,扭轉效應將使遠離剛度中心的翼肢端產生較大的位移而開裂、倒塌,或使凹角處產生應力集中而開裂。

這里要注意,即使平面規則、對稱的建筑,仍要求質量和剛度的平面分布使剛度中心與質量中心一致,否則扭轉效應仍會發生,使遠離剛度中心的構件產生較大的震害。

02建筑物豎向的剛度分布應均勻和連續

不宜有剛度突然消弱的層次,否則地震時易造成塑性變形集中的薄弱層;也不宜使最上面幾層的剛度減去太多,否則地震時易形成鞭梢效應,加重震害。

03建筑物平、立面布置很復雜時,可以考慮用防震縫將結構分離成若干個獨立的單體

但要注意兩點:

1)設置防震縫的目的是把復雜平、立面的建筑,分割成簡單體型的建筑物。由于設縫后也改變了結構的自振周期(一般情況下周期變長),反而有可能和地基土的固有周期接近;而且分隔后的各單體的抗震構件要安排得當,剛度均勻對稱,否則也會增加震害。

由此可見,防震縫的設置與否應根據地震反應大小和結構布置以及地基土的特性,從概念上加以決策,必要時還要作地震反應分析的比較。

2)如決定設置防震縫,則結構要自上而下(基礎以上)斷開,縫兩側設雙柱或雙墻,并有足夠的縫寬,注意不能被建筑垃圾堵塞而不起作用,也不能因硬質封蓋材料卡縫而失效。防震縫的相關條文詳見《抗規》-3.4.5條和《高規》-3.4.9條。

4、構件及結構的大變形利用

在抗震概念設計中,人們應不僅著眼于小震不壞,還要考慮大震不倒。長期實踐使人們認識到,僅利用材料的彈性階段去抗御罕遇的大地震是不明智的,應該利用材料的彈塑性性能通過構件以至結構的塑性變形性能來消耗地震時輸入結構的能量。

鋼、鋼筋混凝土的適筋受彎構件,因其都有明顯的屈服點,可以通過大變形來消耗輸入的地震能量,而鋼筋混凝土受剪構件、軸壓比高的柱子、短柱、節點以及砌體等卻不太具備這些特點。因此,在概念設計中要揚長避短,或加以改造使之改性:

01在鋼筋混凝土框架結構中,梁、柱、節點三者的關系:

任何一部分進入屈服,另外兩個部分可得到一定的保護。因此,考慮到梁、柱、節點的塑性性能的差異,在設計中,要考慮強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱構件的關系,促使梁以受彎屈服的形式產生大變形來消耗地震時輸入的能量,從而避免修復困難的柱、節點的破壞和盡可能的防止倒塌。

02砌體是一種脆性材料,但在達到極限承載能力后還有一定的變形能力

為了利用這些變形能力,可以用內配筋,即在水平灰縫和豎縫中配筋;或外配筋,即在墻的雙面用鋼筋網水泥砂漿面層以充分利用砌體大變形,使砌體在大變形時仍具有一定的強度。此外,在砌體內設置構造柱,形成約束砌體,從而可以充分利用砌體原有的變形能力。

5、平面剛度分布不均勻、不對稱

產生的震害

建筑平面復雜,結構剛度不對稱,地震時容易引起扭轉和局部應力集中(尤其在凹角處),若未采取相應的加強措施,則將會造成嚴重震害。

例如:

天津市一棟六層的現澆鋼筋混凝土框架結構,高27m,平面呈L形。由于設計時沒有充分估計扭轉的影響,唐山地震時其處于8度區,震后調查發現,二、三層角柱嚴重破壞,邊柱在窗臺處有水平裂縫,外墻和內填充墻產生不少裂縫。

又如天津市754廠11號廠房,平面為矩形,中間為五層現澆鋼筋混凝土框架,兩端均與剛度很大的磚砌樓電梯間相連,總平面布置對稱。

但由于房屋長度達110m,在中央處設置了一道伸縮縫,把整個房屋分成了兩個剛度分布不均勻、不對稱的獨立單元,唐山地震時,該廠房產生了顯著的扭轉,致使框架柱嚴重扭裂,樓梯間墻體產生嚴重開裂和錯位。

6、結語

抗震概念設計在結構設計中非常重要,是展現結構設計者先進設計思想和深厚設計功底的一個關鍵環節。結構設計者應該使抗震概念設計貫穿于結構設計的整個過程,不斷思考、不斷創新,同時把握好設計的大原則,這樣才能保證設計成果的科學性和嚴謹性。

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