摘要:现阶段结构设计的抗震设计要将设计规范中规定的功能指标作为基础,结合建筑抗震设计中的实际运作及其破坏过程及模式等因素,争取做到对建筑物的主动设计,即将结构的功能作为起点和控制的目标。就此,笔者通过多年实际工作经验,简要阐述了抗震设计在结构设计中的运用。
关键词:结构设计;概念设计运用;应用分析
1.概念设计的内容
建筑结构抗震设计的主要注意问题:注意选择有利场地,合理选用建筑体型和结构布置,采用合理的抗震结构体系,提高结构的延性,保证非结构构件的安全以确保结构的整体性,采用隔震消能技术等。
1.1注意选择有利场地
选择工程场地时,首先应进行详细的勘察,搞清楚地形、地质、地貌以及地下的情况,挑选对建筑物抗震有利的地段,一般指位于开阔平坦地带的坚硬场地土或密实均匀中硬场地土,在此类场地上建造的建筑物一般不会发生由于地基失效而导致的震害,是从根本上减轻地震对建筑物震害的手段之一。对建筑抗震不利的地段,就场地土质而言,一般是指软弱土、易液化土、旧河道、断层破碎带、暗埋塘浜沟谷或半挖半填地基等,以及在平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的地段;就地形而言,一般是指条状突出的山嘴、孤立的山包和山梁的顶部、高差较大的台地边缘、非岩质的陡坡、河岸和边坡的边缘。选择时应尽可能避开这类地段,任何情况下都不得在抗震危险地段上建造可能引起人员伤亡或较大经济损失的建筑物,因为由于场地因素引起的震害往往特别严重,而且有些情况仅仅依靠工程措施来弥补是很困难的。
1.2合理选用建筑体型和结构布置
建筑结构的动力性能主要取决于建筑物的建筑体型和结构布置。建筑体型简单合理,结构布置符合抗震原则,就能从根本上保证房屋良好的抗震性能。实践表明,简单、规则、对称的建筑物抗震能力较强,容易准确计算其地震反应,可以保证地震作用具有明确直接的传递途径,容易采取抗震构造措施和进行细部处理,在地震时不易被破坏;反之,如果房屋体形不规则,平面上凸出凹进,立面上高低错落,在地震时就容易产生震害。
1.3采用合理的抗震结构体系
抗震结构体系是结构抗震设计中应考虑的关键问题,抗震规范对建筑结构体系有明确的规定:结构体系应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径。目前主要应用的结构体系按结构材料分类有砌体结构、钢结构、钢筋混凝土结构、钢-混凝土结构等;按结构形式分类有框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构、简体结构等。结构体系的合理与否受到抗震设防烈度、建筑高度、场地条件以及建筑材料、施工条件、经济条件等诸多方面因素的影响,是一个综合的技术经济问题,需进行周密考虑确定。
1.4提高结构的延性
延性对抗震来说是极为重要的一个性质。结构的延性可定义为结构在承载力无明显降低的前提下发生非弹性变形的能力。结构的延性反映了结构的变形能力,是防止建筑物在地震作用下倒塌的关键因素之一。对于梁柱等构件,延性的影响因素最终可归纳为最根本的两点:混凝土极限压应变;破坏时的受压区高度。影响延性的其他因素实质都是这两个根本因素的延伸。在结构抗震设计中为了保证结构的延性,经常采用以下的措施:控制受拉钢筋的配筋率,保证一定数量的受压钢筋,通过加箍筋保证纵筋不局部压屈失稳,约束受压混凝土,以及对柱子限制轴压比等。
1.5保证非结构构件的安全以确保结构的整体性
结构是由许多构件连接组合而成的一个整体,并通过各个构件的协调工作来有效地抵抗地震作用。所以建筑结构应有使结构在地震作用时能够保持整体的结构连续性,有满足传递地震力时的强度要求,有适应地震大变形的延性要求,有保证构件之间的可靠连接,有使结构沿纵、横 2 个方向足够的整体竖向刚度,并使房屋基础具有较强的整体性,以抵抗地震时可能发生的地基不均匀沉降及地面裂隙穿过房屋时所造成的危害。若结构在地震作用下丧失了整体性,则结构各构件的抗震能力不能充分发挥,这样容易使结构成为机动体而倒塌。因此,结构的整体性是保证结构各个部分在地震作用下协调工作的重要条件,确保结构的整体性是抗震概念设计的重要内容。
1.6采用隔震消能技术
隔震消能的基本思想是使基础和上部房屋结构分离,隔离地震能量向建筑物的输入。实现地震时地动而建筑物基本不动,达到保证建筑物安全的目的。地震时,地面运动能量经过基础输入到房屋结构,致使房屋结构发生振动、变形,甚至倒塌。目前常用的基础隔震方法是在建筑物和构筑物基础部位设置橡胶支座,利用橡胶支座水平柔性形成的柔性隔离层吸收或散耗地震能量,阻止或减小地震能量向建筑物和构筑物上部结构传递,使整个建筑物和构筑物自振周期延长,从而减小建筑物和构筑物上部结构对地震的反应。
2.概念设计的应用分析
2.1概念设计应重视结构规律
在建筑的概念设计中应当对建筑的体型设计进行合理的概念化修正,力求简单、规则、对称、在质量和刚度上分布应当均匀,避免局部刚性过大。建筑和结构的布局是否对抗震有利是概念设计中首先要思考的问题。简单对称的建筑在地震中的实际反映和应力分析都是容易做到的,且容易达到一致。凹凸的立面和错层设计虽然可以达到很好的艺术效果,但是在地震时却会产生复杂的地震效应,很难实现抗震的最佳效果。
2.2概念设计在结构体系上的应用
任何建筑结构都是由水平构件和竖向构件组成的空间结构,竖向荷载由水平构件承担并传递给竖向构件,最后传递给基础。水平荷载由水平构件和竖向构件共同组成抗侧力体系承担并传递给基础。不同的竖向构件组成不同的抗侧力体系,常见的抗侧力体系有框架、剪力墙、框架-剪力墙、框架-核心筒、筒中筒、束筒等以及这些抗侧力体系的组合。抗侧力体系是结构是否安全、合理、经济的关键。概念设计在结构体系上的应用就是依据建筑物的抗震等级和建筑物的高度选择合适的抗侧力体系并合理布置,通过概念近似手算来确定结构设计方案的可行性及主要构件的基本尺寸。延性是建筑结构一个很重要的特性。建筑结构的承载力和延性是一对矛盾,概念设计就是要选择合适的结构体系并合理布置,使结构的承载力和延性相协调。地震中的扭转对结构的危害很大,刚度大的抗侧力构件沿结构外围布置有利于结构抵抗扭转。
2.3概念设计在结构构件上的应用
抗震的实现还要有构件的支持,因此在抗震结构中各种构件都应当具备合理的强度和刚度,并且形成可靠性连接。建筑结构是一个多次超静定结构,抗震结构应设置多道抗震防线,在地震作用下允许部分构件先屈服或破坏,剩余的结构依然能形成独立的结构,可以承受竖向荷载和地震力,这是结构抗震耗能的一种措施。合理预见并控制结构先屈服或破坏的部位,适当处理构件强弱关系,使结构形成多道抗震防线,是结构概念设计的重要内容。概念设计中应避免非结构构件的设置不合理,从而影响到整个结构的受力情况,导致抗震效果的下降。所以在设计中可以采用如下方法:做好细部构造的设计,防止非结构构件直接进入到抗震体系;防止非结构构件在地震的作用下出现平面性的损毁;避免非结构性构件的连续损毁。
3.结语
抗震概念设计是指根据地震灾害和工程经验等所形成的总体设计准则,设计思想进行建筑和结构的总体布置,确定细部构造的设计过程,对从根本上消除建筑中的抗震薄弱环节,构造良好的结构抗震性能具有重要的决定作用;抗震计算和验算为抗震设计提供定量手段;抗震构造措施可以保证结构的整体性,加强局部薄弱环节以及保证抗震计算结果的有效性。抗震设计中的概念设计、计算设计、构造措施是不可分割的整体,忽视任何一部分,都可能导致抗震设计的失败。
参考文献
[1]祝英杰,谷伟.结构抗震设计[M],北京大学出版社,2009
[2]米兰·扎塞克.建筑抗震概论[M],中国建筑工业出版社,2010