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結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計的核心,你知道嗎?建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計包含了兩個設(shè)計范疇,即概念設(shè)計和參數(shù)設(shè)計。建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計主要針對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)計主要是采用二階段的抗震設(shè)計方法(地震作用計算、構(gòu)件強度驗算和結(jié)構(gòu)變形驗算等)實現(xiàn)三水準的抗震設(shè)防要求。 兩者是相輔相成的。作為一個正確的抗震設(shè)計,必須重視抗震概念設(shè)計,靈活而又合理地運用抗震設(shè)計思想,才能不致陷入盲目的計算工作。 1 場地與地基的概念設(shè)計 場地影響結(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。一般來說,在深厚的軟土層上,高層建筑的地震反應(yīng)較為強烈;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)較為強烈。因此,在設(shè)計軟土地基上的房屋時,要注意柔性結(jié)構(gòu)的反應(yīng);反之,在設(shè)計硬土地基上的房屋時,要注意剛性結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。 在地基和基礎(chǔ)設(shè)計中,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、新近填土或嚴重不均勻土層時,宜加強基礎(chǔ)的整體性和剛性 2 結(jié)構(gòu)布置的概念設(shè)計 地震后的震害調(diào)查和理論分析證明,結(jié)構(gòu)體型簡單,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)計中,對結(jié)構(gòu)的布置要注意以下幾點: 1、建筑物平面布置宜簡單、對稱、質(zhì)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(guī)則平面,地震時,扭轉(zhuǎn)效應(yīng)將使遠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)仍會發(fā)生,使遠離剛度中心的構(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(yīng),加重震害。 3、建筑物平、立面布置很復(fù)雜時,可以考慮用防震縫將結(jié)構(gòu)分離成若干個獨立的單體。但要注意兩點: 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),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,剛度均勻?qū)ΨQ,否則也會增加震害。 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。 3 構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的大變形利用 在抗震概念設(shè)計中,人們應(yīng)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(yīng)該利用材料的彈塑性性能通過構(gòu)件以至結(jié)構(gòu)的塑性變形性能來消耗地震時輸入結(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,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(gòu)件、軸壓比高的柱子、短柱、節(jié)點以及砌體等卻不太具備這些特點。因此,在概念設(shè)計中要揚長避短,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)點三者的關(guān)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(jié)點的塑性性能的差異,在設(shè)計中,要考慮強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點弱構(gòu)件的關(guān)系,促使梁以受彎屈服的形式產(chǎn)生大變形來消耗地震時輸入的能量,從而避免修復(fù)困難的柱、節(jié)點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,使砌體在大變形時仍具有一定的強度。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、不對稱 產(chǎn)生的震害: 建筑平面復(fù)雜,結(jié)構(gòu)剛度不對稱,地震時容易引起扭轉(zhuǎn)和局部應(yīng)力集中(尤其在凹角處),若未采取相應(yīng)的加強措施,則將會造成嚴重震害。 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)計時沒有充分估計扭轉(zhuǎn)的影響,唐山地震時其處于8度區(qū),震后調(diào)查發(fā)現(xiàn),二、三層角柱嚴重破壞,邊柱在窗臺處有水平裂縫,外墻和內(nèi)填充墻產(chǎn)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(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,總平面布置對稱。 但由于房屋長度達 110m,在中央處設(shè)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(chǎn)生了顯著的扭轉(zhuǎn),致使框架柱嚴重扭裂,樓梯間墻體產(chǎn)生嚴重開裂和錯位。 5 結(jié)語 抗震概念設(shè)計在結(jié)構(gòu)設(shè)計中非常重要,是展現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計者先進設(shè)計思想和深厚設(shè)計功底的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。結(jié)構(gòu)設(shè)計者應(yīng)該使抗震概念設(shè)計貫穿于結(jié)構(gòu)設(shè)計的整個過程,不斷思考、不斷創(chuàng)新,同時把握好設(shè)計的大原則,這樣才能保證設(shè)計成果的科學性和嚴謹性。 |