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結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)的核心,你知道嗎?

建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)包含了兩個(gè)設(shè)計(jì)范疇,即概念設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)。建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)主要針對(duì)地震的不確定性和近似性,從概念上,特別是從結(jié)構(gòu)總體上考慮抗震的工程決策;建筑結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)主要是采用二階段的抗震設(shè)計(jì)方法(地震作用計(jì)算、構(gòu)件強(qiáng)度驗(yàn)算和結(jié)構(gòu)變形驗(yàn)算等)實(shí)現(xiàn)三水準(zhǔn)的抗震設(shè)防要求。


兩者是相輔相成的。作為一個(gè)正確的抗震設(shè)計(jì),必須重視抗震概念設(shè)計(jì),靈活而又合理地運(yùn)用抗震設(shè)計(jì)思想,才能不致陷入盲目的計(jì)算工作。


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場(chǎng)地與地基的概念設(shè)計(jì)


場(chǎng)地影響結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的大小決定了結(jié)構(gòu)的震害。一般來(lái)說(shuō),在深厚的軟土層上,高層建筑的地震反應(yīng)較為強(qiáng)烈;在淺薄的硬土層上,則自振周期較短的結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)較為強(qiáng)烈。因此,在設(shè)計(jì)軟土地基上的房屋時(shí),要注意柔性結(jié)構(gòu)的反應(yīng);反之,在設(shè)計(jì)硬土地基上的房屋時(shí),要注意剛性結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。


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在地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中,要注意:同一結(jié)構(gòu)單元不宜設(shè)置在性質(zhì)截然不同的地基土上以及采用不同類型的基礎(chǔ),地基有軟弱粘性土、液化土、新近填土或嚴(yán)重不均勻土層時(shí),宜加強(qiáng)基礎(chǔ)的整體性和剛性


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結(jié)構(gòu)布置的概念設(shè)計(jì)


地震后的震害調(diào)查和理論分析證明,結(jié)構(gòu)體型簡(jiǎn)單,剛度中心和質(zhì)量中心一致,沿平面、豎向的質(zhì)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(shè)計(jì)中,對(duì)結(jié)構(gòu)的布置要注意以下幾點(diǎn):


1、建筑物平面布置宜簡(jiǎn)單、對(duì)稱、質(zhì)量中心與剛度中心重合


從抗震觀點(diǎn)看,方形、矩形、圓形、正多邊形等簡(jiǎn)單平面最有利。平面伸出的翼部較長(zhǎng),有凹角,而且在某一方向上不對(duì)稱,屬于不規(guī)則平面,地震時(shí),扭轉(zhuǎn)效應(yīng)將使遠(yuǎn)離剛度中心的翼肢端產(chǎn)生較大的位移而開裂、倒塌,或使凹角處產(chǎn)生應(yīng)力集中而開裂。


這里要注意,即使平面規(guī)則、對(duì)稱的建筑,仍要求質(zhì)量和剛度的平面分布使剛度中心與質(zhì)量中心一致,否則扭轉(zhuǎn)效應(yīng)仍會(huì)發(fā)生,使遠(yuǎn)離剛度中心的構(gòu)件產(chǎn)生較大的震害。


2、建筑物豎向的剛度分布應(yīng)均勻和連續(xù)


不宜有剛度突然消弱的層次,否則地震時(shí)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(shí)易形成鞭梢效應(yīng),加重震害。


3、建筑物平、立面布置很復(fù)雜時(shí),可以考慮用防震縫將結(jié)構(gòu)分離成若干個(gè)獨(dú)立的單體。但要注意兩點(diǎn):


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1)設(shè)置防震縫的目的是把復(fù)雜平、立面的建筑,分割成簡(jiǎn)單體型的建筑物。由于設(shè)縫后也改變了結(jié)構(gòu)的自振周期(一般情況下周期變長(zhǎng)),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(gòu)件要安排得當(dāng),剛度均勻?qū)ΨQ,否則也會(huì)增加震害。


由此可見,防震縫的設(shè)置與否應(yīng)根據(jù)地震反應(yīng)大小和結(jié)構(gòu)布置以及地基土的特性,從概念上加以決策,必要時(shí)還要作地震反應(yīng)分析的比較。


2)如決定設(shè)置防震縫:則結(jié)構(gòu)要自上而下(基礎(chǔ)以上)斷開,縫兩側(cè)設(shè)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(zhì)封蓋材料卡縫而失效。防震縫的相關(guān)條文詳見《抗規(guī)》-3.4.5 條和《高規(guī)》-3.4.9 條。


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構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的大變形利用


在抗震概念設(shè)計(jì)中,人們應(yīng)不僅著眼于小震不壞,還要考慮大震不倒。長(zhǎng)期實(shí)踐使人們認(rèn)識(shí)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(yīng)該利用材料的彈塑性性能通過(guò)構(gòu)件以至結(jié)構(gòu)的塑性變形性能來(lái)消耗地震時(shí)輸入結(jié)構(gòu)的能量。


鋼、鋼筋混凝土的適筋受彎構(gòu)件,因其都有明顯的屈服點(diǎn),可以通過(guò)大變形來(lái)消耗輸入的地震能量,而鋼筋混凝土受剪構(gòu)件、軸壓比高的柱子、短柱、節(jié)點(diǎn)以及砌體等卻不太具備這些特點(diǎn)。因此,在概念設(shè)計(jì)中要揚(yáng)長(zhǎng)避短,或加以改造使之改性:


1、在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中,梁、柱、節(jié)點(diǎn)三者的關(guān)系:


任何一部分進(jìn)入屈服,另外兩個(gè)部分可得到一定的保護(hù)。因此,考慮到梁、柱、節(jié)點(diǎn)的塑性性能的差異,在設(shè)計(jì)中,要考慮強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的關(guān)系,促使梁以受彎屈服的形式產(chǎn)生大變形來(lái)消耗地震時(shí)輸入的能量,從而避免修復(fù)困難的柱、節(jié)點(diǎn)的破壞和盡可能的防止倒塌。


2、砌體是一種脆性材料,但在達(dá)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(nèi)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(wǎng)水泥砂漿面層以充分利用砌體大變形,使砌體在大變形時(shí)仍具有一定的強(qiáng)度。此外,在砌體內(nèi)設(shè)置構(gòu)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。


4

平面剛度分布不均勻、不對(duì)稱


產(chǎn)生的震害:


建筑平面復(fù)雜,結(jié)構(gòu)剛度不對(duì)稱,地震時(shí)容易引起扭轉(zhuǎn)和局部應(yīng)力集中(尤其在凹角處),若未采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施,則將會(huì)造成嚴(yán)重震害。


例如:


天津市一棟六層的現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),高 27m,平面呈 L形。由于設(shè)計(jì)時(shí)沒有充分估計(jì)扭轉(zhuǎn)的影響,唐山地震時(shí)其處于8度區(qū),震后調(diào)查發(fā)現(xiàn),二、三層角柱嚴(yán)重破壞,邊柱在窗臺(tái)處有水平裂縫,外墻和內(nèi)填充墻產(chǎn)生不少裂縫。


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又如天津市 754廠 11號(hào)廠房,平面為矩形,中間為五層現(xiàn)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(duì)稱。


但由于房屋長(zhǎng)度達(dá) 110m,在中央處設(shè)置了一道伸縮縫,把整個(gè)房屋分成了兩個(gè)剛度分布不均勻、不對(duì)稱的獨(dú)立單元,唐山地震時(shí),該廠房產(chǎn)生了顯著的扭轉(zhuǎn),致使框架柱嚴(yán)重扭裂,樓梯間墻體產(chǎn)生嚴(yán)重開裂和錯(cuò)位。


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結(jié)語(yǔ)


抗震概念設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中非常重要,是展現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者先進(jìn)設(shè)計(jì)思想和深厚設(shè)計(jì)功底的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者應(yīng)該使抗震概念設(shè)計(jì)貫穿于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程,不斷思考、不斷創(chuàng)新,同時(shí)把握好設(shè)計(jì)的大原則,這樣才能保證設(shè)計(jì)成果的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性。


END


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