時間:2023-03-24 15:24:11
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建筑設計是否考慮抗震要求,從總體上起著直接的控制主導作用。結(jié)構(gòu)設計很難對建筑設計有較大的修改,建筑設計定了,結(jié)構(gòu)設計原則上只能是服從于建筑設計的要求。如果建筑師能在建筑方案、初步設計階段中較好地考慮抗震的要求,則結(jié)構(gòu)工程師就可以對結(jié)構(gòu)構(gòu)件系統(tǒng)進行合理的布置,建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度分布以及相應產(chǎn)生的地震作用和結(jié)構(gòu)受力與變形比較均勻協(xié)調(diào),使建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能和抗震承載力得到較大的改善和提高;如果建筑師提供的建筑設計沒有很好地考慮抗震要求,那就會給結(jié)構(gòu)的抗震設計帶來較多困難,使結(jié)構(gòu)的抗震布置和設計受到建筑布置的限制,甚至造成設計的不合理。有時為了提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震承載力,不得不增大構(gòu)件的截面或配筋用量,造成不必要的投資浪費。由此可見,建筑
設計是否考慮抗震要求,對整個建筑起著很重要的作用。因此,我們在建筑抗震設計過程別要注重以下幾個問題。
一、建筑體型設計問題
建筑體型包括建筑的平面形狀和主體的空間形狀的設計。震害表明,許多平面形狀復雜,如平面上的外凸和凹進、側(cè)翼的過多伸懸、不對稱的側(cè)翼布置等在地震中都遭到了不同程度的破壞。唐山地震就有不少這樣的震例。平面形狀簡單規(guī)則的建筑在地震中未出現(xiàn)較重的破壞,有的甚至保持完好無損。沿高度立體空間形狀上的復雜和不規(guī)則在地震時都會造成震害。特別是在建筑結(jié)構(gòu)剛度發(fā)生突變的部位更易產(chǎn)生破壞。因此在建筑體型的設計中,應盡可能地使平面和空間的形狀簡潔、規(guī)則;在平面形狀上,矩形、圓形、扇形、方形等對抗震來說都是較好的體型。盡可能少做外凸和內(nèi)凹的體型,盡可能少做不對稱的側(cè)翼和過長的伸翼。在體型布置上盡可能使建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度比較均勻地分布,避免產(chǎn)生因體型不對稱導致質(zhì)量與剛度不對稱的扭轉(zhuǎn)反應。
二、建筑平面布置設計問題
建筑物的平面布置在建筑設計中是十分重要的部分,它直接反映建筑的使用功能和要求。柱子的距離、內(nèi)墻的布置、空間活動面積的大小、通道和樓梯的位置、電梯井的布置、房間的數(shù)量和布置等,都要在建筑的平面布置圖上明確下來。而且,由于建筑使用功能不同,每個樓層的布置有可能差異很大,建筑平面上的墻體,包括填充墻、內(nèi)隔墻、有相應強度和剛度的非承重內(nèi)隔墻等等布置不對稱,墻體與柱子分布的不對稱、不協(xié)調(diào),使建筑物在地震時產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)地震作用,對抗震很不利。有的建筑物,其剛度很大的電梯井筒被布置在建筑平面的角部或是平面的一側(cè),結(jié)果在地震中造成靠電梯一側(cè)建筑物的嚴重破壞。這是因為電梯井筒具有極大的抗側(cè)力剛度,吸引了地震作用的主要部分[3]。有的建筑物,在平面布置上一側(cè)的墻體很多,而另一側(cè)的墻體稀少,這就造成平面上剛度分布的很不對稱,質(zhì)量分布也偏心,使結(jié)構(gòu)的受力和變形不協(xié)調(diào),導致扭轉(zhuǎn)地震作用效應,帶來局部墻面的破壞。有的建筑物,如底層為商場的臨街建筑,臨街一側(cè)往往不設墻體,而其另一側(cè)則有剛度很大的墻體封閉,兩側(cè)在剛度上相差很多,也將在地震時引起扭轉(zhuǎn)地震作用,對抗震不利。還有的建筑平面布置上,經(jīng)常出現(xiàn)內(nèi)隔墻不對齊或中斷,使剛度發(fā)生突變和地震力傳遞受阻,對抗震也帶來不利,客易引起結(jié)構(gòu)的局部破壞。建筑平面布置設計對建筑抗震關(guān)系很大,從概念上要解決的一個核心問題是:建筑平面布置設計上要盡可能做到使結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度分布均勻,對稱協(xié)調(diào),避免突變,防止產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應。在建筑平面布置的總體設計上要盡可能為結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件的合理布置創(chuàng)造條件,使建筑使用功能要求與建筑結(jié)構(gòu)抗震要求融合成一體,充分發(fā)揮建筑設計在建筑抗震中的作用。
三、建筑豎向布置設計問題
建筑的豎向布置設計問題在建筑設計中主要反映在建筑沿高度(樓層)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度分布設計上。無論是單層或多層,還是高層建筑或超高建筑,這個問題是比較突出的。存在的這個主要問題是,由于建筑使用功能的不同要求,如底層或下面幾層是商場、購物中心,建筑上要求是大柱距、大空間;而上面的樓層則是開間較大的寫字樓或布置多樣化的公寓樓,低層設柱、墻很少,而上面則是以墻為主,柱很少。有的建筑在布置上還設有面積很大的公用天井大廳,在不同樓層上設有大會議廳、展廳、報告廳等,建筑使用功能的不同,形成了建筑物沿高度分布的質(zhì)量和剛度的嚴重不均勻、不協(xié)調(diào)。突出的問題是沿上下相鄰樓層的質(zhì)量和剛度相差過大,形成突變[3]。在剛度最差的樓層形成對抗震極為不利的抗震承載力不足和變形很大的薄弱層。這是在建筑設計中必須高度重視的問題。在實際設計中,在建筑使用功能不同的情況下,很可能出現(xiàn)上下相鄰樓層的墻體不對齊,柱子不對齊,墻體不連續(xù),不到底;上層墻多,下層墻少;上層有柱,下層無柱等,使地震力的傳遞受阻或不通;抗震用的剪力墻設置不能直通到底層、剪力墻布置嚴重不對稱或數(shù)量太少。所有這些布置都將給建筑物帶來地震作用分布的不均勻、不對稱和對建筑物很不利的扭轉(zhuǎn)作用。多次大震害表明,建筑物豎向樓層剛度的過大變化,給建筑物造成很多破壞,甚至是整個樓層的倒塌。在1995年的日本阪神大地震中,有多棟鋼筋混凝土高層建筑發(fā)生了中間樓層的整體坐落倒塌破壞。因此,盡可能使剪力墻布置比較均勻并使其能沿豎向貫通到建筑物底部,不宜中斷或不到底。盡量避免其某樓層剛度過少,盡量避免產(chǎn)生地震時的鈕轉(zhuǎn)效應。
四、建筑上應滿足的設計限值控制問題
根據(jù)大量震害的經(jīng)驗總結(jié),現(xiàn)行《建筑抗震設計規(guī)范》(GBJll-89)對房屋建筑在建筑設計中應考慮的一些抗震要求的限值控制提出了規(guī)定。這些規(guī)定,建筑設計應予遵守:一是房屋的建筑總高度和層數(shù);二是對房屋抗震橫墻問題和局部墻體尺寸的限值控制。
五、屋頂建筑的抗震設計問題
在高層和超高層建筑設計中,屋頂建筑是一個重要的設計部分。從近幾年對一些高層建筑抗震設計審查結(jié)果來看,屋頂建筑存在的主要問題,一是過高,二是過重。這樣的屋頂建筑加大了變形,也加大了地震作用。對屋頂建筑自身和其下的建筑物的抗震都不利。屋頂建筑的重心與下部建筑的重心不在一條線上,且前者的抗側(cè)力墻與其下樓層的抗側(cè)力墻體上下不連續(xù)時,更會帶來地震的扭轉(zhuǎn)作用,對建筑物抗震更不利。為此,在屋頂建筑設計中,宜盡量降低其高度。采用高強輕質(zhì)的建筑材料和剛度分布比較均勻、地震作用沿結(jié)構(gòu)的傳遞比較通暢,使屋頂重心與其下部建筑物的重心盡可能一致;當屋頂建筑較高時,要使其具有較好的抗震定性,使屋頂建筑的地震作用及其變形較小,而且不發(fā)生扭轉(zhuǎn)地震作用。
六、結(jié)束語
總的來說,建筑設計是建筑杭震設計的一個重要方面,建筑設計與建筑
抗震設計有著密切關(guān)系。它對建筑抗震起著重要的基礎(chǔ)作用。一個優(yōu)良的建筑抗震設計,必須是在建筑設計與結(jié)構(gòu)設計相互配合協(xié)作共同考慮抗震的設計基礎(chǔ)上完成。為此,要充分重視建筑設計在建筑抗震設計中的重要性,在建筑抗震設計中更好地發(fā)揮建筑設計應有的作用。
參考文獻:
[1]《建筑抗震設計規(guī)范》(CBJll-89),中國建筑工業(yè)出版社,2005。
建筑設計是否考慮抗震要求,從總體上起著直接的控制主導作用。結(jié)構(gòu)設計很難對建筑設計有較大的修改,建筑設計定了,結(jié)構(gòu)設計原則上只能是服從于建筑設計的要求。如果建筑師能在建筑方案、初步設計階段中較好地考慮抗震的要求,則結(jié)構(gòu)工程師就可以對結(jié)構(gòu)構(gòu)件系統(tǒng)進行合理的布置,建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度分布以及相應產(chǎn)生的地震作用和結(jié)構(gòu)受力與變形比較均勻協(xié)調(diào),使建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能和抗震承載力得到較大的改善和提高;如果建筑師提供的建筑設計沒有很好地考慮抗震要求,那就會給結(jié)構(gòu)的抗震設計帶來較多困難,使結(jié)構(gòu)的抗震布置和設計受到建筑布置的限制,甚至造成設計的不合理。有時為了提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震承載力,不得不增大構(gòu)件的截面或配筋用量,造成不必要的投資浪費。由此可見,建筑設計是否考慮抗震要求,對整個建筑起著很重要的作用。因此,我們在建筑抗震設計過程別要注重以下幾個問題。
一、建筑體型設計問題
建筑體型包括建筑的平面形狀和主體的空間形狀的設計。震害表明,許多平面形狀復雜,如平面上的外凸和凹進、側(cè)翼的過多伸懸、不對稱的側(cè)翼布置等在地震中都遭到了不同程度的破壞。唐山地震就有不少這樣的震例。平面形狀簡單規(guī)則的建筑在地震中未出現(xiàn)較重的破壞,有的甚至保持完好無損。沿高度立體空間形狀上的復雜和不規(guī)則在地震時都會造成震害。特別是在建筑結(jié)構(gòu)剛度發(fā)生突變的部位更易產(chǎn)生破壞。因此在建筑體型的設計中,應盡可能地使平面和空間的形狀簡潔、規(guī)則;在平面形狀上,矩形、圓形、扇形、方形等對抗震來說都是較好的體型。盡可能少做外凸和內(nèi)凹的體型,盡可能少做不對稱的側(cè)翼和過長的伸翼。在體型布置上盡可能使建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度比較均勻地分布,避免產(chǎn)生因體型不對稱導致質(zhì)量與剛度不對稱的扭轉(zhuǎn)反應。
二、建筑平面布置設計問題
建筑物的平面布置在建筑設計中是十分重要的部分,它直接反映建筑的使用功能和要求。柱子的距離、內(nèi)墻的布置、空間活動面積的大小、通道和樓梯的位置、電梯井的布置、房間的數(shù)量和布置等,都要在建筑的平面布置圖上明確下來。而且,由于建筑使用功能不同,每個樓層的布置有可能差異很大,建筑平面上的墻體,包括填充墻、內(nèi)隔墻、有相應強度和剛度的非承重內(nèi)隔墻等等布置不對稱,墻體與柱子分布的不對稱、不協(xié)調(diào),使建筑物在地震時產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)地震作用,對抗震很不利。有的建筑物,其剛度很大的電梯井筒被布置在建筑平面的角部或是平面的一側(cè),結(jié)果在地震中造成靠電梯一側(cè)建筑物的嚴重破壞。這是因為電梯井筒具有極大的抗側(cè)力剛度,吸引了地震作用的主要部分[3]。有的建筑物,在平面布置上一側(cè)的墻體很多,而另一側(cè)的墻體稀少,這就造成平面上剛度分布的很不對稱,質(zhì)量分布也偏心,使結(jié)構(gòu)的受力和變形不協(xié)調(diào),導致扭轉(zhuǎn)地震作用效應,帶來局部墻面的破壞。有的建筑物,如底層為商場的臨街建筑,臨街一側(cè)往往不設墻體,而其另一側(cè)則有剛度很大的墻體封閉,兩側(cè)在剛度上相差很多,也將在地震時引起扭轉(zhuǎn)地震作用,對抗震不利。還有的建筑平面布置上,經(jīng)常出現(xiàn)內(nèi)隔墻不對齊或中斷,使剛度發(fā)生突變和地震力傳遞受阻,對抗震也帶來不利,客易引起結(jié)構(gòu)的局部破壞。建筑平面布置設計對建筑抗震關(guān)系很大,從概念上要解決的一個核心問題是:建筑平面布置設計上要盡可能做到使結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度分布均勻,對稱協(xié)調(diào),避免突變,防止產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應。在建筑平面布置的總體設計上要盡可能為結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件的合理布置創(chuàng)造條件,使建筑使用功能要求與建筑結(jié)構(gòu)抗震要求融合成一體,充分發(fā)揮建筑設計在建筑抗震中的作用。
三、建筑豎向布置設計問題
建筑的豎向布置設計問題在建筑設計中主要反映在建筑沿高度(樓層)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度分布設計上。無論是單層或多層,還是高層建筑或超高建筑,這個問題是比較突出的。存在的這個主要問題是,由于建筑使用功能的不同要求,如底層或下面幾層是商場、購物中心,建筑上要求是大柱距、大空間;而上面的樓層則是開間較大的寫字樓或布置多樣化的公寓樓,低層設柱、墻很少,而上面則是以墻為主,柱很少。有的建筑在布置上還設有面積很大的公用天井大廳,在不同樓層上設有大會議廳、展廳、報告廳等,建筑使用功能的不同,形成了建筑物沿高度分布的質(zhì)量和剛度的嚴重不均勻、不協(xié)調(diào)。突出的問題是沿上下相鄰樓層的質(zhì)量和剛度相差過大,形成突變[3]。在剛度最差的樓層形成對抗震極為不利的抗震承載力不足和變形很大的薄弱層。這是在建筑設計中必須高度重視的問題。在實際設計中,在建筑使用功能不同的情況下,很可能出現(xiàn)上下相鄰樓層的墻體不對齊,柱子不對齊,墻體不連續(xù),不到底;上層墻多,下層墻少;上層有柱,下層無柱等,使地震力的傳遞受阻或不通;抗震用的剪力墻設置不能直通到底層、剪力墻布置嚴重不對稱或數(shù)量太少。所有這些布置都將給建筑物帶來地震作用分布的不均勻、不對稱和對建筑物很不利的扭轉(zhuǎn)作用。多次大震害表明,建筑物豎向樓層剛度的過大變化,給建筑物造成很多破壞,甚至是整個樓層的倒塌。在1995年的日本阪神大地震中,有多棟鋼筋混凝土高層建筑發(fā)生了中間樓層的整體坐落倒塌破壞。因此,盡可能使剪力墻布置比較均勻并使其能沿豎向貫通到建筑物底部,不宜中斷或不到底。盡量避免其某樓層剛度過少,盡量避免產(chǎn)生地震時的鈕轉(zhuǎn)效應。
四、建筑上應滿足的設計限值控制問題
根據(jù)大量震害的經(jīng)驗總結(jié),現(xiàn)行《建筑抗震設計規(guī)范》(GBJll-89)對房屋建筑在建筑設計中應考慮的一些抗震要求的限值控制提出了規(guī)定。這些規(guī)定,建筑設計應予遵守:一是房屋的建筑總高度和層數(shù);二是對房屋抗震橫墻問題和局部墻體尺寸的限值控制。
五、屋頂建筑的抗震設計問題
在高層和超高層建筑設計中,屋頂建筑是一個重要的設計部分。從近幾年對一些高層建筑抗震設計審查結(jié)果來看,屋頂建筑存在的主要問題,一是過高,二是過重。這樣的屋頂建筑加大了變形,也加大了地震作用。對屋頂建筑自身和其下的建筑物的抗震都不利。屋頂建筑的重心與下部建筑的重心不在一條線上,且前者的抗側(cè)力墻與其下樓層的抗側(cè)力墻體上下不連續(xù)時,更會帶來地震的扭轉(zhuǎn)作用,對建筑物抗震更不利。為此,在屋頂建筑設計中,宜盡量降低其高度。采用高強輕質(zhì)的建筑材料和剛度分布比較均勻、地震作用沿結(jié)構(gòu)的傳遞比較通暢,使屋頂重心與其下部建筑物的重心盡可能一致;當屋頂建筑較高時,要使其具有較好的抗震定性,使屋頂建筑的地震作用及其變形較小,而且不發(fā)生扭轉(zhuǎn)地震作用。超級秘書網(wǎng)
六、結(jié)束語
總的來說,建筑設計是建筑杭震設計的一個重要方面,建筑設計與建筑
抗震設計有著密切關(guān)系。它對建筑抗震起著重要的基礎(chǔ)作用。一個優(yōu)良的建筑抗震設計,必須是在建筑設計與結(jié)構(gòu)設計相互配合協(xié)作共同考慮抗震的設計基礎(chǔ)上完成。為此,要充分重視建筑設計在建筑抗震設計中的重要性,在建筑抗震設計中更好地發(fā)揮建筑設計應有的作用。
參考文獻:
[1]《建筑抗震設計規(guī)范》(CBJll-89),中國建筑工業(yè)出版社,2005。
1.1工程師缺乏實際工程經(jīng)驗
由于我國的科技水平不高,不能準確的判斷地震的成因,并且對其預測,造成居民的很大損失,還有在地質(zhì)地震等方面的研究不夠,特別是建筑物的抗震能力方面。這就導致我國建筑設計中抗震設計的發(fā)展滯后,而且也沒有統(tǒng)一規(guī)范的設計理念,因而很難實現(xiàn)建筑設計的抗震目標。
1.2工程師對實際情況的考量不足
目前,很多建筑工程師只是根據(jù)數(shù)據(jù)和固有的一些參數(shù)進行施工,缺少對地區(qū)的實際情況進行考量。因為不同地區(qū)地質(zhì)的構(gòu)造截面的實際承載能力不同,所以要結(jié)合實際情況進行檢測計算。不能根據(jù)固定地震降級系數(shù)來進行施工,例如,我國建筑抗震設計中的把地震降級系數(shù)固定為2.81,容易導致工程師把小級別的抗震應用到建筑抗震設計中,當遭到大級別的地震時,建筑物不具備抗震能力,會造成很大的損失。
2.建筑抗震設計的注意要點
2.1堅持建筑結(jié)構(gòu)設計的對稱原則
目前,根據(jù)相關(guān)的建筑抗震設計規(guī)定,建筑工程師要堅持建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則,同時要求結(jié)構(gòu)設計師做大簡單、規(guī)則的設計,從而做到建筑物遇到小級地震不壞、中級地震可以修補、高級地震不會倒的目標。并且要求工程結(jié)構(gòu)設計師遵循豎向形態(tài)的建筑規(guī)則,通常選擇方形和圓形的形狀,因為矩形和梯形的形狀規(guī)則比較均勻。按照此類形狀設計的建筑物,在遇到地震時內(nèi)部構(gòu)件承受力比較均衡,通常只會出現(xiàn)平移震動,而一些非對稱結(jié)構(gòu)的建筑在地面平移時,會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)震動,主要是因為建筑物的質(zhì)心和剛心不能重合,當發(fā)生地震時,建筑物的內(nèi)部構(gòu)件會遭到嚴重的破壞,發(fā)生變形。
2.2注重建筑構(gòu)件與連接點處質(zhì)量
在建筑工程設計和施工過程中建筑構(gòu)件的合理配置以及連接點處的質(zhì)量與建筑施工安全質(zhì)量存在直接的聯(lián)系。并且在新型建筑材料問世的同時建筑物的外部設計大都會采用新型建筑材料,例如大理石、瓷磚等。而建筑室內(nèi)裝飾也會使用到吊頂?shù)燃夹g(shù)。這些室內(nèi)以及立面裝飾本身存在抗震性能的問題,并且其與建筑主體的牢固連接也是抗震設計的關(guān)鍵。近幾年,在一些地震災害中,發(fā)生過很多下“玻璃雨”的事情,主要原因是目前的技術(shù)還不能防止地震中玻璃幕墻的變形,因此,在很多地震中,一些高層建筑的玻璃幕墻會遭到很大的破壞。所以,如果在建筑中采用玻璃幕墻,必須提高建筑構(gòu)件與連接處的質(zhì)量,從而保證玻璃幕墻在地震時不會變形。并且在遭遇地震時能夠與建筑物脫離,將所受到破壞的程度降到最小。此外,在內(nèi)隔墻、玻璃隔斷等構(gòu)件的設計上也要提高連接點的質(zhì)量,保證建筑主體連接點的牢固性,從而提高建筑物的抗震性。
2.3關(guān)注建筑頂部抗震
建筑屋頂?shù)目拐鹪O計對于高層建筑物有重要的影響。這就要求設計師十分重視建筑頂部的抗震設計,在遭遇地震時,建筑屋頂過高、過重都會加重建筑的變形程度,特別是我國的高層建筑物中普遍存在這樣的問題,如果不重視高層建筑屋頂?shù)目拐鹪O計,發(fā)生地震時,下層建筑物會受到很大的影響。如建筑的屋頂與下層建筑的重心沒有位于同一條直線上,那么建筑屋頂?shù)目箓?cè)力墻也會與下層建筑的抗側(cè)力墻出現(xiàn)分離,當?shù)卣鸪霈F(xiàn)時則會加劇損壞。因此在高層或超高層建筑設計中應該使用新型高強度輕質(zhì)的建筑材料,盡可能保證屋頂?shù)闹匦呐c下層建筑的重心位于通一條直線。當建筑屋頂?shù)妮^高時要保證其抗震定性,緩解地震帶來的變形作用。此外頂部結(jié)構(gòu)的設計也適當?shù)倪x用強度高、剛性均勻輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)材料。
2.4建筑豎向布置
建筑豎向布置主要體現(xiàn)在建筑物的高度結(jié)構(gòu)質(zhì)量以及剛度的設計中,特別是在高層或超高層建筑中建筑的豎向布置對于建筑抗震設計來說更加重要。建筑樓層的使用功能差異導致建筑物樓層分布的質(zhì)量和剛度均不一致,例如樓層包括游泳池、會議室、健身房等。樓層的功能導致樓層上下之間的剛度差異過大。高層建筑中剛度最差的樓層的抗震性能最為薄弱,在出現(xiàn)地震時即為變形嚴重的薄弱層。在建筑設計中由于樓層功能不同導致的墻體不連續(xù),柱子不對稱等極大的限制了抗震性能。因此在建筑抗震設計中應該盡量保證豎向的剛度分布靠近,尤其是在結(jié)構(gòu)上剛度轉(zhuǎn)換層更加要著重注意。
2.5建筑設計需要達到的設計限值
在實際的工程操作以及設計時,一定要嚴格遵循我國相關(guān)部門的標準規(guī)范要求,例如在8度的防烈度情況下,粘土磚多對地震降級系數(shù)固定為2層建筑物的高度不能夠高于18m,建筑層數(shù)不能大于6層等。一旦超過相關(guān)的規(guī)定,就會嚴重影響到建筑物的抗震能力,除此之外,對于建筑物局部的墻體尺度也要控制它的最小值,保與實際情況結(jié)合在一起證墻體截面的抗震強度能夠滿足抗震要求,避免墻體在地震時不會出現(xiàn)開裂或者倒塌等破壞情況的發(fā)生。
磚混結(jié)構(gòu)是一種較為傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu),隨著現(xiàn)代建筑技術(shù)的發(fā)展,磚混結(jié)構(gòu)由于抗震性能較差已經(jīng)逐漸被框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)和框剪結(jié)構(gòu)等所取代。但是,保定周邊的一些學校在建設的過程中,出于各種各樣的原因,依然采取了磚混結(jié)構(gòu),這導致在地震災害發(fā)生時,由于建筑整體的穩(wěn)定性較差,很容易發(fā)生坍塌,造成很大的損壞。同時,一些磚混結(jié)構(gòu)的建筑在使用一定時間之后,容易發(fā)生裂縫,導致抗震安全性能降低。要想提升磚混結(jié)構(gòu)建筑的抗震安全性,首先,采用抗震性能較高的鋼結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)來構(gòu)建學校校舍,保障學校師生的生命和財產(chǎn)安全。這樣做雖然能夠從根本上改善磚混結(jié)構(gòu)抗震性能較差的弊端,但是所需資金較大,并且推倒再建耗時較長,需要大量的備用教室,難以大規(guī)模推廣,各學??梢愿鶕?jù)自身的情況進行相應的選擇。其次,對磚混結(jié)構(gòu)的建筑進行加固,提高磚混結(jié)構(gòu)建筑的抗震性能。在具體的操作過程中,可以通過設置圈梁、加強建筑頂部混凝土的強度來提高中小學磚混建筑的抗震性,保障師生的生命安全。再次,通過增加構(gòu)造柱的方式提高磚混結(jié)構(gòu)建筑的抗震安全性。在磚混結(jié)構(gòu)的建筑中增加混凝土構(gòu)造柱是提高磚混結(jié)構(gòu)建筑抗震安全性的重要策略,實踐表明,增加了構(gòu)造柱的磚混結(jié)構(gòu)建筑相對于沒有增加構(gòu)造柱的磚混結(jié)構(gòu)建筑抗震能力大大增強。因此,在進行磚混結(jié)構(gòu)建筑加固的過程中,需要在合適的地方增加構(gòu)造柱,并與圈梁相結(jié)合,從而使建筑物的抗震安全性獲得有效地提升。最后,通過增加磚混結(jié)構(gòu)建筑底層的抗震能力來使整個建筑物的抗震能力獲得顯著提升。在地震發(fā)生時,磚混結(jié)構(gòu)建筑的底層受損較為嚴重,而底層一旦嚴重受損,整座建筑就會發(fā)生坍塌,因此,我們需要增強磚混結(jié)構(gòu)建筑底層的抗震能力??梢酝ㄟ^增加底層承重墻體的面積來增加對地震的承受性,保障整個建筑的安全,同時還需要增加砂漿強度以減少地震時墻體在承受外力的狀況下裂開的程度,從而達到提升抗震能力的目的。
(二)樓梯間的設置存在問題
樓梯間是發(fā)生地震時師生逃生的生命通道,但是,通過我們調(diào)查發(fā)現(xiàn),保定地區(qū)的很多樓梯間的設置都存在問題,很多樓梯間都設置在建筑的端部,導致地震災害發(fā)生樓梯間應力非常集中,建筑難以整體扭轉(zhuǎn),樓梯間承重較重極易坍塌等,阻礙了師生的逃生。[2]其次,樓梯間沒有進行科學地加固。地震發(fā)生時一旦樓梯坍塌,逃生通道被堵。與樓梯間設置中存在的問題相對應,要想解決樓梯間設置中存在的問題,首先需要合理規(guī)劃樓梯間的位置,將樓梯間設置于建筑中間,盡量避免設置于樓梯端部和拐角處,以平衡地震發(fā)生時建筑的整體受力,保障樓梯間的正常使用。其次,在具體的加固過程,一定要深刻認識到樓梯間的重要性和存在的短板,對樓梯間進行科學的加固,提高樓梯間的抗震性能。
(三)一些建筑建造和使用的時間較長,抗震性能較差
通過我們對保定周邊的學校進行調(diào)查發(fā)現(xiàn),一些中小學校的建筑建造和使用的時間較長,抗震性能較差,存在很大的安全隱患。首先,一些較老的建筑在建設初期,由于科技水平達不到等原因,所以本身抗震性能較差,難以抵御高震級地震的沖擊。其次,一些建筑使用時間較長,加上在使用的過程中不注意合理及時的維修,導致抗震性能不斷降低,甚至成為了危房,影響中小學師生的生命安全。我們要想解決建筑使用時間較長帶來的抗震安全性下降的問題,首先需要對這些老舊建筑進行評估,可以繼續(xù)使用的我們通過合理的加固改造,提高其抗震性能繼續(xù)使用。其次,在使用過程中,提高警惕定期檢查,出現(xiàn)問題要及時維修,絕不能讓小問題任其發(fā)展成為大問題。最后,對一些改造價值不大的危房,為保證安全學校應該爭取早日進行重建,及時消除隱患。
二、隔震技術(shù)的應用
隔震技術(shù)是指在建筑物上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設置隔震層,阻止地震能量向上傳遞,從而達到減弱地震危害、提升建筑抗震性能的目的。我國在很久之前就開始了隔震技術(shù)的應用,主要是應用煮過的糯米和石灰來達到隔震的效果,在現(xiàn)代,隔震技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟并得到推廣,我們一般使用橡膠支座作為隔震層,在建筑、橋梁各個領(lǐng)域的應用證明了隔震支座對提高建筑抗震性能效果非常顯著。我們在中小學建筑的改造過程中,可以在適當?shù)奈恢眉臃畔軠p震裝置來很快的消耗地震傳來的能量,減小地震造成的危害;在新建建筑中可以在基礎(chǔ)上放入隔震層,使得建筑由剛性抗震轉(zhuǎn)為柔性抗震,有效提升建筑的抗震性能。
在我國,框架結(jié)構(gòu)在設計的過程中,基本采用的純框架的設計理論。填充墻做為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件,結(jié)構(gòu)計算時只是在進行荷載計算時將填充墻的自重附加在計算模型上,沒有考慮到填充墻與框架本身的拉結(jié)關(guān)系的影響。
《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[4](以下簡稱《高規(guī)》)中4.3.17條明文規(guī)定:當非承重墻體為砌體墻時,框架結(jié)構(gòu)的計算自震周期可取0.6~0.7的折減系數(shù)。這是因為大量的科學實測數(shù)據(jù)表明:實際工程當中,建筑自身的自振周期小于理論計算出來的周期。特別是墻體采用實心磚填充墻的框架結(jié)構(gòu),因為實心磚填充墻的剛度大于框架的剛度,其影響更為顯著。大量數(shù)據(jù)表明,實測周期約為計算周期的50%~60%。
在建筑的施工過程中,為了填充墻的穩(wěn)定、施工方便,通常會采取填充墻與框架柱、梁周邊拉結(jié)的做法,或者通過拉結(jié)鋼筋來加強框架和填充墻之間的聯(lián)系,這樣的施工方法有利于填充墻整體的穩(wěn)定和防止裂縫的生成,并且對于隔音、防水、保溫、隔熱也是有利的。這一做法也直接導致了框架填充墻結(jié)構(gòu)體在水平或豎向動力作用下,作為一個整體來共同作用。
但是,就算按照目前采用的地震三水準的設防目標,“小震不壞、中震可修、大震不倒“的抗震設計原則,只能做到對于建筑的結(jié)構(gòu)構(gòu)件不發(fā)生破壞或者倒塌,建筑當中存在的大量的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件還是存在被破壞的可能。從以往的震害當中可以看到,非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞也是相當嚴重的,并對人的生命安全和財產(chǎn)安全造成了極大的破壞。造成這種局面的最主要的原因是在結(jié)構(gòu)設計的時候?qū)Ψ墙Y(jié)構(gòu)構(gòu)件譬如填充墻等的對抗震的影響被忽略,缺乏對其受力性能的分析和細致的研究。
實驗表明:填充墻與結(jié)構(gòu)框架的之間的相互作用明顯的改變了建筑主體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布情況。目前設計的現(xiàn)況是將本身的填充墻框架結(jié)構(gòu)考慮成空的框架結(jié)構(gòu),并不能反映主體結(jié)構(gòu)的真實的內(nèi)力分布,同時抗震設計規(guī)范中所給出的柱端彎矩增大系數(shù)雖然考慮了節(jié)點兩側(cè)柱端彎矩之和的放大,但不能反映填充墻的影響,柱端和梁端彎矩比很可能超過柱端彎矩增大系數(shù)及附加軸力的情況,導致了計算過程中對柱的實際內(nèi)力估計不足,造成結(jié)構(gòu)設計上的偏差。
2 框架填充墻的抗震受力分析
根據(jù)大量震害調(diào)查結(jié)果,數(shù)據(jù)表明如果沒有考慮到結(jié)構(gòu)因為填充墻而引起的整體剛度變化,會造成不必要的震害。一般我們會采用以下幾種方法來計算填充墻的受力:(1)框架填充墻在進行線彈性受力分析時,一般采用的底部剪力法進行分析。(2)由于豎向荷載對于結(jié)構(gòu)的側(cè)翼影響很小,所以一般不必考慮。(3)在水平力作用下的框架結(jié)構(gòu),其側(cè)移包括截面彎矩引起的側(cè)翼、彎曲型變形和截面剪力引起的側(cè)移、剪切行變形。
3 鋼筋混凝土框架填充墻的破壞模式
影響鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)填充墻破壞的因素有很多,譬如填充墻的寬高比、框架和填充墻的剛度比、強度、選用的材料等,都可能導致墻體破壞的結(jié)果不同。一般情況出現(xiàn)的填充墻的破壞有以下幾種模式:
(1)彎曲破壞模式。當結(jié)構(gòu)開始受力時,因為整體結(jié)構(gòu)受到的側(cè)向荷載還比較小,填充墻及框架主體處于未分離的狀態(tài),因此彎曲單元使一個整體的形式,由于墻體本身屬于脆性材料,所以抗拉強度較低,因此在填充墻在受力過程中的受拉端出現(xiàn)了水平裂縫。這種破壞模式一般發(fā)生在細高框架結(jié)構(gòu)當中。
(2)剪切破壞模式。在結(jié)構(gòu)的側(cè)向荷載作用下,因為墻體的組成材料之一砂漿抗剪強度較低,所以受力過程中塊體間接觸面就會出現(xiàn)粘接滑移現(xiàn)象,導致墻體沿灰縫形成鋸齒形的裂縫。當填充墻高寬比較大時,鋸齒形裂縫由于受到墻體高寬比的限制而不能充分發(fā)展,于是就沿著墻體的水平灰縫向另一個受壓端繼續(xù)發(fā)展。
(3)對角破壞模式。填充墻中部處于拉壓應力狀態(tài),當主拉應力較大時,在填充墻中部一定區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)裂縫并向受壓端發(fā)展,形成填充墻斜壓桿傳力機制,導致形成對角破壞。 ?。?)局壓破壞模式。填充墻受壓端處于雙向壓應力狀態(tài),提高了填充墻的抗壓強度,但是高應力值使得受壓端發(fā)生局部壓碎破壞,形成局壓破壞。
4 填充墻對框架結(jié)構(gòu)的影響
(1)大幅度的提高了框架機構(gòu)的抗側(cè)剛度,顯著減小了框架結(jié)構(gòu)的自震周期。以某選礦廠主洗車間的實心粘土磚填充墻的多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為例,對建筑的自振周期進行了計算和實測。得到的結(jié)果是按照結(jié)構(gòu)為純框架的計算方法得到第一自振周期為0.671s;按現(xiàn)行的規(guī)范考慮填充墻的影響計入折減系數(shù),得到的第一自振周期為0.5s;工程建成以后,根據(jù)實際的情況對建筑進程測量,得到的第一自振周期為0.41s。
由此可見,填充墻對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的自振周期的影響時非常大的。
(2)當框架結(jié)構(gòu)不考慮填充墻作用時,填充墻的存在增大了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度,減少了結(jié)構(gòu)整體在動荷載作用下的位移反應,提高了整體結(jié)構(gòu)的抗震性能。
(3)填充墻是地震作用時耗散結(jié)構(gòu)非彈性能量的主要構(gòu)件,能夠減少作用在框架主體結(jié)構(gòu)的地震作用,在抗震中充分發(fā)揮著抗震第一道防線的作用,能夠延緩主體結(jié)構(gòu)在地震中的破壞。
(4)考慮填充墻的作用能非常明顯的改變主體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布,并增大了柱端分擔的彎矩,會導致柱端和梁端彎矩比超過規(guī)范的規(guī)定,出現(xiàn)了地震作用下柱破壞先于梁破壞的現(xiàn)象。并且部分填充墻承擔的側(cè)向力由柱直接向下傳遞,使柱的軸向壓力增大,進一步加劇了柱的破壞。如圖1所示。
圖1 柱頭的剪切破壞
(5)框架結(jié)構(gòu)如果使用砌體填充墻,當墻體的布置不當時,常能造成結(jié)構(gòu)的豎向剛度變化過大,或形成短柱,或形成較大的剛度偏心。由于填充墻的布置由建筑專業(yè)完成,結(jié)構(gòu)圖紙上不予表示,所以容易被忽略而造成震害。所以《高規(guī)》[4]6.1.3明文規(guī)定:抗震設計時,框架結(jié)構(gòu)如采用砌體填充墻,其布置應符合下列規(guī)定:①避免形成上、下剛度變化過大。②避免形成短柱。③減少因抗側(cè)剛度偏心造成的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)。
5 填充墻在設計和施工過程中應注意的問題:
(1)在墻體施工中增加構(gòu)造柱;當墻體高度超過一定范圍時,增加圈梁或小梁;圈梁和構(gòu)造的使用在一定程度上提高了墻體的延性,增強了墻體本身的抗震性能,可以成為結(jié)構(gòu)的第二道抗震防線。通過對前幾次震害的調(diào)查研究,圈梁和構(gòu)造柱在地震中的有利作用非常明顯;
(2)當墻于不同的位置時,設計時應按區(qū)域劃分設計;如果墻只是考慮起到隔墻的作用,那么在設計中可以傾向于考慮滑移變位的材料。當墻體作為耗能構(gòu)件時,則重點應考慮起在能耗機制方向的設計。當墻體可以與結(jié)構(gòu)構(gòu)件共同起到抗側(cè)剛度的時候,應仿照剪力墻對其進行設計。
(3)做好墻體與周圍構(gòu)件的連接處理,盡可能使用柔性連接;剛性連接是目前工程中采用最多的連接方式,但是其不利的地方在于抗震時填充墻參與受力,對結(jié)構(gòu)的影響較大。
性能設計提出小震不壞,中震可修,大震不倒的設計宗旨。與常規(guī)抗震設計的區(qū)別在于,第一,它的設計目標主要針對小地震,中型地震還有大型地震。而且還通過對全國65個城鎮(zhèn)的地震所發(fā)生的概率,從而再對地震的強烈程度進行衡量,確保房屋建筑不發(fā)生破壞,達到可修,不倒的目標,通過對這些要求的論述可以看出,這些大多數(shù)都是針對建筑在宏觀性能方面的控制。第二,為了實際施工中的效果有有據(jù)可依,最終選用了分兩個階段的簡化分析方法,第一個步驟是對結(jié)構(gòu)的構(gòu)建進行驗算,主要是對它的承載力進行計算。對這個計算,具體是選用了在地震比較小的情況下,按照相應的彈性反映理論,通過計算得到在小震作用下的標準值,以及相應的地震作用下的內(nèi)力以及形變效應。通過可靠的分析,從而得到構(gòu)件承載力的具體結(jié)果。隨后將概念設計有關(guān)的內(nèi)力進行調(diào)整,從而放大抗震的結(jié)構(gòu)構(gòu)造,這種措施可以有效滿足對第二水準以及第三水準在地震宏觀性能方面的控制要求。第二個階段,就是要對構(gòu)件結(jié)構(gòu)的彈塑性以及其中的變形進行驗算,同時還要對地震在倒塌狀況下的結(jié)構(gòu),或者是有特殊要求的一些建筑結(jié)構(gòu),一定要對它的薄弱部位進行加固,以此來適應在大震發(fā)生時不會倒塌,或者是發(fā)生位移的情況,。
1.2常規(guī)設計和性能設計方法的比較分析
對于常規(guī)的抗震設計而言,它的設計目標是小震不壞,中震可修,大震不倒,具體而言就是在小地震的情況下有相關(guān)的性能指標,而在大型地震下有一定的位移要求,剩下的就是宏觀方面的指標,在建筑的使用功能上,具體的分為了甲乙丙丁四種級別,在這四種級別的建筑當中,對防倒塌的要求不盡相同,其余的基本都是一樣的,而針對性能的抗震設計,它是按照使用的功能來劃分的,并且在這個領(lǐng)域提出了很多的預期性能目標,其內(nèi)容不僅涉及了建筑的結(jié)構(gòu),同時還包括非結(jié)構(gòu)的,還有一些設施的具體指標。而在具體的實施方法上,常規(guī)的抗震設計是按照指令性和處方的形式進行規(guī)劃和設計的,根據(jù)不同的建筑結(jié)構(gòu)概念而進行設計,比如小型地震下的彈性設計,在經(jīng)驗方面的內(nèi)力調(diào)整內(nèi)容,以及對構(gòu)造的放大處理等,這些都是為了達到預期的宏觀設計而落實的具體措施。而針對性能方面的抗震設計,除了滿足最基本的要求以外,還要提出一些滿足預期具體要求的有利論證來作為依據(jù)。這方面的內(nèi)容主要包括建筑結(jié)構(gòu)的體系,依據(jù)比較細致的分析內(nèi)容,還有對完成抗震指標的具體試驗措施等。還要有對這些內(nèi)容的專業(yè)評價等。通過這幾個方面的對比分析不難發(fā)現(xiàn),針對于建筑的抗震在性能要求方面的設計方法的提出,成為了當前的發(fā)展趨勢,而且在目前來看,在對高層建筑的結(jié)構(gòu)設計當中,其可行性是非常好的。如果想要在所有的建筑結(jié)構(gòu)中進行推廣,還需要對其進行更深一步的探討,還有相關(guān)設計人員自己的理解與掌握。
2高層結(jié)構(gòu)的抗震性能優(yōu)化
在地震水準不同的情況下,對高層的建筑結(jié)構(gòu)在性能水準,還有性能目標方面的要求也不同,具體而言,它的抗震結(jié)構(gòu)性能可以分為下面幾個標準。第一,高層結(jié)構(gòu)在發(fā)生地震之后,最好是完好無損傷,同時在一般的情況下,是不需要進行修理就可以繼續(xù)使用的,而且建筑還要可以進行正常的安全出入以及使用。第二,如果地震發(fā)生后,其結(jié)構(gòu)發(fā)生了非常明顯的損壞,而且大多數(shù)的構(gòu)件都發(fā)生了中等的損壞,從而進入屈服狀態(tài),在有比較明顯的裂縫下,大部分的構(gòu)件都有很嚴重的損壞程度,但是其整體的結(jié)構(gòu)并不會發(fā)生倒塌,同時也沒有局部倒塌的情況,建筑中的人員會有一定程度的傷害,但是對他們的生命安全卻沒有太大的威脅。
3結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化計算及試驗要求
3.1建筑結(jié)構(gòu)的模型設計分析
對高層建筑結(jié)構(gòu),尤其是在性能設計方面的計算要特別嚴格,不僅要對構(gòu)件的承載力,還有變形進行計算,還要考慮構(gòu)件在屈服之后其性能發(fā)生的變化。對這些方面的正確計算,對分析建筑的抗震性能,還有結(jié)構(gòu)的實際所受應力情況都能夠直觀表現(xiàn)出來。但是這些計算都是要在合理的力學模型上來計算,而且結(jié)果不能脫離實際,否則沒有任何參考價值的,在對結(jié)構(gòu)抗震性能在彈性方面的計算,還有非線性方面的計算中,一定要分析結(jié)構(gòu)的整體模型狀況,還有構(gòu)件以及節(jié)點的各種數(shù)據(jù)參數(shù),必須保證其正確合理。如果建筑結(jié)構(gòu)中擁有水平轉(zhuǎn)換的構(gòu)件,同時在區(qū)分這些問題的時候,還要對樓層的層數(shù)和層高進行計算。在涉及到剪力墻的計算方面,一定要關(guān)注對非線性的計算和分析,這對計算出模型的相關(guān)參數(shù)方面至關(guān)重要。如果建筑設計中選用了滑動的支座結(jié)構(gòu),必須對支座兩側(cè)的結(jié)構(gòu),以及它們之間的相互作用關(guān)系進行考慮,否則會對整體的計算模型產(chǎn)生嚴重的影響。
3.2結(jié)構(gòu)抗震試驗的設計要求
在進行高層建筑結(jié)構(gòu)抗震方面的設計時候,在某些方面沒有設計理念,缺乏一些相關(guān)的依據(jù)時,進行相關(guān)的模型試驗很有必要。比如說選用的混凝土要有很高的含鋼率,用這種材料來建設梁柱和剪力墻,在對擁有型鋼的異形截面構(gòu)件,或者是一些新型的構(gòu)件進行使用的時候,對這些構(gòu)件必須要進行相關(guān)的模型試驗。在使用桿件比較多的鑄鐵點,還有多級的轉(zhuǎn)換層,以及讓樓梁側(cè)面的樓板發(fā)生開洞,使樓梁本身和梁柱的節(jié)點地方不和樓板產(chǎn)生直接有相連接的關(guān)系時,對這些新設計結(jié)構(gòu)的部件必須進行模型試驗。
自從1886年世界上第一棟近代高層建筑——美國芝加哥家庭保險公司大樓(HomeIuranceBuilding,10層,高55m)建成以來,至今已有100多年的歷史了。高層建筑不僅在材料和結(jié)構(gòu)體系上逐漸多樣化,而且在高度上也有大幅度增長。而一次又一次地震災難及教訓,警示人們:防震減災任重道遠,刻不容緩。
從上個世紀開始,各國的專家、學者對抗震設計進行了一系列研究。進入90年代,結(jié)構(gòu)抗震分析和設計已提到各國建筑設計的歷史日程。特別是我國處于地震多發(fā)區(qū)(地震基本烈度6度及其以上的地震區(qū)面積約占全國面積的60%),高層抗震設計設防更是工程設計面臨的迫切的任務。作為工程抗震設計的依據(jù),高層建筑抗震分析更處于非常重要的地位。
二、材料的選用和結(jié)構(gòu)體系問題在地震多發(fā)區(qū),采用何種建筑材料或結(jié)構(gòu)體系較為合理應該得到人們的重視。
我國高層建筑中常采用的結(jié)構(gòu)體系有:框架、框架-剪力墻、剪力墻和筒體等幾種體系,這也是其他國家高層建筑采用的主要體系。但國外,特別地震區(qū),是以剛結(jié)構(gòu)為主,而在我國鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)幾混合結(jié)構(gòu)卻占了90%.如此高的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及混合結(jié)構(gòu),國內(nèi)外都還沒有經(jīng)受較大的考驗。鋼結(jié)構(gòu)同混凝土結(jié)構(gòu)相比,具有優(yōu)越的強度、韌性和延性,強度重量比,總體上看抗震性能好,抗震能力強。
震害調(diào)查表明,鋼結(jié)構(gòu)較少出現(xiàn)倒塌破壞情況。在高層建筑中采用框架-核心筒體系,因其比鋼結(jié)構(gòu)的用鋼量少,又可減少柱子斷面,故常被業(yè)主所看中?;旌辖Y(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土內(nèi)往往要承受80%以上的震層剪力,有的高達90%以上。由于結(jié)構(gòu)以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的位移值為基準。但因其彎曲變形的側(cè)移較大,靠剛度很小的鋼框架協(xié)同工作減小側(cè)移,不僅增加了鋼結(jié)構(gòu)的負擔,而且效果不大,有時不得不加大混凝土筒的剛度或設置伸臂結(jié)構(gòu),形成加強層才能滿足規(guī)范側(cè)移限值;
此外,在結(jié)構(gòu)體系或柱距變化時,需要設置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。加強層和轉(zhuǎn)換層都在本層形成剛度而導致結(jié)構(gòu)剛度突變,常常會使與加強層或轉(zhuǎn)換層相鄰的柱構(gòu)件剪力突然加大,加強層伸臂構(gòu)件或轉(zhuǎn)換層構(gòu)件與外框架柱連接處很難實現(xiàn)強柱弱梁。因此在需要設置加強層及轉(zhuǎn)換層時,要慎重選擇其結(jié)構(gòu)模式,盡量減小其本身剛度,減小其不利影響。
唐山鋼鐵廠震害調(diào)查資料統(tǒng)計參數(shù)結(jié)構(gòu)形式總建筑面積(萬㎡)倒塌和嚴重破壞比例(%)中等破壞比例(%)鋼結(jié)構(gòu)3.6709.3鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)4.0623.247.9砌體結(jié)構(gòu)3.0941.220.9在高層建筑中,應注意結(jié)構(gòu)體系及材料的優(yōu)選?,F(xiàn)在我國鋼材產(chǎn)量已居世界前列,建筑鋼材的類型及品種也在逐漸增多,鋼結(jié)構(gòu)的加工制造能力已有了很大提高,因此在有條件的地方,建議盡可能采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)(SRC)、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)(CFS)或鋼結(jié)構(gòu)(S或),以減小柱斷面尺寸,并改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。
在超過一定高度后,由于鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量較輕而且較柔,為減小風振而需要采用混凝土材料,鋼骨(鋼管)混凝土,通常作為首選。工程經(jīng)驗表明:利用鋼管混凝土承重柱自重可減輕65%左右,由于柱截面減小而相應增加使用面積,鋼材消耗指標與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相近,而工程造價和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比可降低15%左右,工程施工工期縮短1/2.此外鋼管混凝土結(jié)構(gòu)顯示出良好的延性和韌性。
2.建筑結(jié)構(gòu)抗震設計方法
2.1結(jié)構(gòu)地震分析法
結(jié)構(gòu)抗震設計的首要任務就是對結(jié)構(gòu)最大地震反應的分析,需要確定內(nèi)力組合及截面設計的地震作用值。常用的地震分析法有底部剪力法、彈性時程分析方法、振型分解反應譜法、非線彈性靜力分析法以及非線彈性時程分析法。其中最為簡單的屬底部剪力法,其在質(zhì)量、剛度沿高度分布較均勻的結(jié)構(gòu)中較為適用。假設結(jié)構(gòu)的地震反應以線性倒三角形的第一振型為主。并通過第一振型周期的估計來確定地震影響系數(shù)。對于較為復雜的結(jié)構(gòu)體系,采用振型分解反應譜法來計算,它的思路就是根據(jù)振型疊加原理,將各種振型對應的地震作用、作用效應以一定方式疊加起來得到結(jié)構(gòu)總的地震作用、作用效應。而彈性時程分析適用于特別不規(guī)則和特別重要的結(jié)構(gòu)中,將建筑物看作彈性或彈塑性振動系統(tǒng),直接輸入地面振動加速度記錄,對運動方程積分,從而得到各質(zhì)點的位移、速度、加速度和剪力時程變化曲線。非線彈性時程分析法可以準確完整的反映結(jié)構(gòu)在地震作用下反應的全過程。按非線彈性時程分析法進行抗震設計,能改善結(jié)構(gòu)抗震能力和提高抗震水平。非線彈性靜力分析法考慮了結(jié)構(gòu)彈塑性特性,在結(jié)構(gòu)分析模型上施加某種特定傾向力模擬地震水平側(cè)向力,并逐級單調(diào)增大,構(gòu)件一旦屈服,修改其剛度直到結(jié)構(gòu)達到預定的狀態(tài)。
2.2建筑結(jié)構(gòu)抗震設計方法
為了確保建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力最佳,所設計的結(jié)構(gòu)在強度、剛度、延性及耗能能力等方面都達到最佳,質(zhì)量分布均勻,平面對稱、規(guī)則抗側(cè)向力較好的體系及剛度與承載能力變化連續(xù)的結(jié)構(gòu)體系是優(yōu)先考慮的設計方案,從而經(jīng)濟地實現(xiàn)“小震不壞,中震可修,大震不倒”的目的。
(1)根據(jù)我國的抗震設計規(guī)范,建筑持力層的選擇非常重要,它關(guān)系著整個建筑物的安全性能,同時規(guī)范還指出,建筑的形體要適當,要求建筑的形狀及抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置宜規(guī)則,并有整體性,不宜用軸壓比很大的鋼筋混凝土框架柱作為第一道防線。
(2)抗震結(jié)構(gòu)體系布置是建筑結(jié)構(gòu)抗震設計的關(guān)鍵問題,如房屋建造中框架結(jié)構(gòu)體系和砌體結(jié)構(gòu)的選擇問題。地震后會有余震,抗震結(jié)構(gòu)體系應具有多道抗震防線。如框架結(jié)構(gòu)設計中為了避免部分構(gòu)件破壞而導致整個體系喪失抗震能力,將不承受重力荷載的構(gòu)件用作傳遞途徑。
(3)傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震是通過增強結(jié)構(gòu)本身的抗震性能(強度、剛度、延性)來抵御地震作用的,即由結(jié)構(gòu)本身儲存和消耗地震能量。消能減震設計指在結(jié)構(gòu)中設置消能器來消耗地震輸入的能量,減輕結(jié)構(gòu)的地震反應,減小結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞和避免結(jié)構(gòu)物直接倒塌以達到預期防震減震要求。隔震設計指在建筑物基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設置隔離層,即安裝隔震裝置,通過隔震裝置延長結(jié)構(gòu)的基本周期,避免地震能量集中使結(jié)構(gòu)發(fā)生屈服和破壞。這是一種以柔克剛積極主動的抗震對策,是一種新方法、新對策、新途徑。
(4)盡可能多設置幾道抗震防線,一個較好的抗震建筑結(jié)構(gòu)由若干個延性較好的分體系組成,并由延性較好的結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接協(xié)同工作。強烈地震之后往往伴隨多次余震,如果只有一道防線,則在第一次破壞后再遭余震,將會因損傷積累導致倒塌。如像教學樓這種相對大開間、單跨、大窗口、懸臂走廊的純框架結(jié)構(gòu),其縱、橫方向的剛度不均勻,很容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞,而整個結(jié)構(gòu)只有框架一道防線,一旦柱子發(fā)生破壞,沒有其他約束措施,整個框架因喪失全部承載能力而倒塌。防止脆性和失穩(wěn)破壞,增加延展性。設計不良的細部結(jié)構(gòu)常常發(fā)生脆性和失穩(wěn)破壞,應該防止。剛度的選擇有助于控制變形,在不增加結(jié)構(gòu)的重量的基礎(chǔ)上,改變結(jié)構(gòu)剛度,提高結(jié)構(gòu)的整體剛度和延展性是有效的抗震途徑。
(5)場地條件就是導致建筑震害過于嚴重的關(guān)鍵因素,所以選擇最為有利的地形最大限度的防止建筑物出現(xiàn)在不利于抗震功能發(fā)揮的區(qū)域。選擇在抗震過于危險的區(qū)域來建造房屋,有可能對人們的生命財產(chǎn)安全帶來危害。在汶川地震時,北川縣城西的房屋建造在有滑坡隱患的山體之下,在地震的作用下,山體崩塌、滑坡,將大量的房屋掩埋,死亡1600人,損失慘重。
我國建筑行業(yè)相比歐美一些建筑業(yè)比較發(fā)達的國家起步比較晚,而且在建筑行業(yè)起步初期人們只是一味的重視建筑的美觀性,認為只有修建的奢華和富麗堂皇才能彰顯出自己的社會地位和身份象征。只有符合人們審美趨勢的建筑才是好的建筑,就比如蘇州園林和一些南方比較具有代表性的園林等等。因此在這樣的社會背景下一個階段中阻礙了建筑業(yè)的發(fā)展,局限了建筑業(yè)的發(fā)展方向。人們對他的牢固性和抗災害性能沒有更高的要求,這也就使得一些建筑師為了迎合大眾的口味,不至于被社會所淘汰而沒有進行創(chuàng)造設計,因此設計的建筑也沒有長足的發(fā)展,抵擋不了天災的發(fā)生,對人們的生命財產(chǎn)構(gòu)成了一定的威脅。
1.2沒有處理好建筑設計與抗震設計之間的關(guān)系
建筑設計是在建筑施工之前就需要完成的工作,設計圖紙就像一張標注明確的地圖,它會指導人們應該去哪里,如何去哪里。因此建筑設計是十分重要的,一張表美的建筑圖紙就相當于工程量完成了三分之一,將抗震理念融入到這張圖紙中也是對抗震設計提出了更高層次的要求。但是由于目前的技術(shù)有限,建筑師還不能很好的將抗震設計融人到建筑設計中去,不能使兩者更好的協(xié)作,發(fā)揮很好的作用。因此說不能協(xié)調(diào)建筑設計與抗震設計的關(guān)系是抗震設計常見的最根本問題。
1.3缺乏實踐
為了提高建筑的抗震性,一些建筑師盲目的從國外引進先進的經(jīng)驗和技術(shù),并沒有結(jié)合我國建筑構(gòu)造的自身特點加以創(chuàng)新改造,而是為了講究工作效率,趕進度,生搬硬套地將這些所謂的先進前沿技術(shù)強加于一些本不符合的建筑物上,沒有起到應有的抗震作用反而在一定程度上弄巧成拙,破壞了建筑本身的美感,更嚴重的還會使建筑物在地震時產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)建筑物的作用,對人們的生命財產(chǎn)造成更大程度上的傷害。因此建筑師這種急于求成缺乏實踐精神的建造理念,不會對建筑物的抗震性能起到很好的作用。
1.4建筑設計問題
對于一些建筑的設計本身就存在不合理的問題,因此我們從以下幾個方面進行探究:第一,建筑體型的設計,目前人們越來越追求建筑美感,因此將部分建筑的外立面都涉及成凹凸不平或者一些沒有規(guī)則的不光滑表面,如果發(fā)生地震對這種建筑物的破壞是最大的,表面平滑的建筑則相對可以減少地震對他的破壞,盡可能的做到建筑物與鋼架結(jié)構(gòu)相對比較勻稱。第二,平面設計,對于一些建筑物人們會使用一些柱子、內(nèi)墻進行裝飾。但是在確定柱子的數(shù)量與距離上就需要好好的下功夫去研究,比如人民大會堂的柱子多少根,每根之間的間隔距離是多少這都是很有講究的,不對稱性、不協(xié)調(diào)性對抗震起到了負面的作用。第三,豎向布置問題,越來越多的大型商場隨著人們物質(zhì)生活的需要而產(chǎn)生,并且大型商場是人們比較容易聚集的地方,如果沒有很好的抗震性能則技術(shù)衾浼會對人們的生命財產(chǎn)造成很大的威脅。很多商場現(xiàn)在都是高層建筑,下層一般柱子相對較多、墻體較少,但是高層一般柱子較少、墻體較多,如果柱子與墻體分布不合理,這在地震中會起到特別不好的作用,也會加大對人們的傷害。下層柱子與上層柱子應該互相對齊,在空間上起到很好的支撐作用,對穩(wěn)定整個商場的空間結(jié)構(gòu)都起到了不可估量的作用。
一、抗震設計的重要性
從我們現(xiàn)在的經(jīng)濟發(fā)展狀況來講,城市人口越來越密集,房屋建筑也越來越多,若突然發(fā)生大的地震災難就會造成難以估量的損失。房屋建筑根本性質(zhì)就是為了給人們提供一個安全舒適的住宿,為人們的一個防護所,避免人們經(jīng)受風吹日曬以及其他極端天氣。地震則是我們目前所知的自然災害中最嚴重的一個災害,它所給人們造成極大的影響,地震不僅是簡單的震動,也會引起一系列海嘯、泥石流等自然災害,其破壞性不可小覷。由此可見,當一個破壞性極大的災難發(fā)生在人們最需要安全的避難所時,我們就不得不重視對于這一災難的防護。再加上我們目前生活水平的提高,我們目前對于房屋建筑的要求應該是更為舒適,使用壽命更強,這就進一步要求我們對于房屋建筑的整體抗震性有更加完善的技術(shù)從而更好地保證我們生活的舒適性。
二、房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設計規(guī)定
在我國,房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設計的標準一般分為特殊設防類、重點設防類、標準設防類、適度設防類等四個類別,簡稱甲、乙、丙、丁。在甲乙類建筑體系設計中應按高于本地區(qū)抗震設防烈度提高一度的要求加強其抗震措施,9度時應按比9度更高要求采取抗震措施。而丙類建筑應按本地區(qū)抗震設防確定其抗震措施。在丁類建筑中地震作用應按本地抗震設防烈度確定,但抗震措施(6度除外)允許比本地抗震設防烈度的要求適當降低。在多層和高層現(xiàn)澆鋼筋混凝土房屋的結(jié)構(gòu)類型中,當平面和豎向均不規(guī)則的結(jié)構(gòu)或建造于Ⅳ類場地的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)時,適用最大高度應適當減少。在鋼筋混凝土房屋抗震等級的要求中,它的抗震設計一般要滿足,如果是框架部分承受的地震傾覆力矩大于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的50%的話,那么它的框架抗震等級應按框架結(jié)構(gòu)來定。另外當?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)的嵌固部位時,地下一層的抗震等級應與上部結(jié)構(gòu)相同,地下一層一下抗震構(gòu)造措施的抗震等級可逐層降低一級,但不應低于四級。地下室中無上部結(jié)構(gòu)的部分,抗震構(gòu)造措施的抗震等級可根據(jù)具體情況采用三級或者四級。對于那些筒體房屋結(jié)構(gòu)抗震的設計要求來說,筒體部分與框架部分樓板一般采用梁板體系。在施工程序及連接構(gòu)造上我們采取減小結(jié)構(gòu)豎向溫度變形及軸向壓縮對加強層影響措施來解決。當?shù)陀?度采用加強層時,加強層的大梁或桁架與周邊框架柱的連接宜采用鉸接或半剛性連接。需要注意的是如果是9度的情況出現(xiàn)時就不要采用加強層了。
三、抗震設計在房屋建筑結(jié)構(gòu)設計中的運用
抗震的設計在整個建筑中可以說是十分關(guān)鍵的一環(huán),我們可以從一下幾個方面進行理解,從而體會抗震設計時如何在房屋建筑結(jié)構(gòu)設計中進行運用,進而理解抗震設計在房屋建筑中的重要性。(1)提高房屋建筑結(jié)構(gòu)的抗震力??拐鹪O計,顧名思義,就是保障房屋建筑能夠在地震時將其破壞程度保障到最小范圍。所以在進行房屋建筑結(jié)構(gòu)的設計師,首先就要保障有一個穩(wěn)固的地基。地基是整個建筑的基礎(chǔ),其抗震性能也就在一定程度上決定著整個建筑的抗震能力。其次,房屋的整體結(jié)構(gòu)上要建造抗震能力強的結(jié)構(gòu)。比如我們知道的一些幾何圖形具有穩(wěn)定的效能,我們就可以將其運用在房屋的結(jié)構(gòu)當中。規(guī)則、對稱的建筑結(jié)構(gòu)也能有利于保障房屋的穩(wěn)定性,從而減少地震對于房屋建筑變形的影響。在房屋建筑中的一些小細節(jié)上注意到對于抗震的作用。(2)我們完善了房屋的抗震設計之后,可以再從地震一方面來思考如何降低地震作用對房屋建筑的影響。我們目前所采取的辦法就是在建筑物的基礎(chǔ)與主體之間加一個隔震層,也有人提出在建筑物的頂端部分設立一個“反擺”。這樣的設計首先能夠有效避免發(fā)生地震時建筑物之間互相碰撞,并且能夠有效緩解在地震來臨時房屋的震動幅度,從而保障房屋內(nèi)部物品的安全。這樣的設想我們目前已經(jīng)有所應用,在一些實際的經(jīng)驗中我們也發(fā)現(xiàn)了這一方法的可行性。(3)保證建筑的剛度,建筑結(jié)構(gòu)上的防護以及外部的防護之后,還有保障房屋建筑自身的堅硬程度。首先,就需要考慮到在進行建筑時,使用鋼筋混凝土材料,保障房屋的穩(wěn)固。其次,就是在我們已有的建筑結(jié)構(gòu)上對整個建筑進行進一步的加固。這一方面我們目前已經(jīng)有相關(guān)的規(guī)定,明確告訴我們?nèi)绾螌τ诓煌ㄖ愋瓦M行不同的外層加固。目前,我們也仍需對于房屋建筑的使用材料進行進一步的探究,努力尋找優(yōu)化建筑材料的辦法,能夠幫我們在建造房屋時一方面減少不必要的材料浪費,另一方面就是將優(yōu)質(zhì)的材料的性能充分地體現(xiàn)在房屋建筑整體的抗震性能上。
四、房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設計措施
1.房屋建筑位置的選擇,房屋建筑位置的選擇在一定意義上來說決定著房屋質(zhì)量的好壞,一般地地震可以導致房屋建筑周圍地表變化,這樣就會造成地基的開裂,導致房屋出現(xiàn)問題。因此在地理位置的選擇上,設計人員要對房屋建筑進行合理化選擇:如選擇開闊的堅硬場地,考慮場地土的剛度大小和場地覆蓋層的厚度等。2.房屋建筑材料的選擇,抗震性房屋建筑材料要選擇那些質(zhì)量優(yōu)等的材料。要綜合考慮保暖、防火等多種因素的存在,比如良好的鋼、鋁合金結(jié)構(gòu)、木質(zhì)結(jié)構(gòu)及輕型復合材料等建筑材料作為主體材料。3.選擇合適的建筑結(jié)構(gòu)體系,結(jié)構(gòu)體系要滿足穩(wěn)定性,要與建筑結(jié)構(gòu)相配套。此外要注意建筑物傳力途徑的明確性,以及受力計算的明確性,保障在建筑體系中不使用轉(zhuǎn)換層,這樣就會保障有地震發(fā)生時候避免建筑傾斜或局部受損等現(xiàn)象的發(fā)生。4.做好底層框架抗震墻設計,鑒于我國的地震災害多數(shù)發(fā)生在底層,一般突出表現(xiàn)為“上輕下重”的這樣一個現(xiàn)象,所以在設計時候要突出底層的墻體比框架柱重,框架柱又要比梁重。這樣的設計就會在發(fā)生地震時底層破壞的程度比房屋的底層輕得多。5.鋼筋混凝土框架抗震內(nèi)力設計。我們盡可能做到在地震作用下的框架呈現(xiàn)梁鉸型延性機構(gòu),為減少梁端塑性鉸區(qū)發(fā)生脆性剪切破壞的可能性,對梁端的剪力適當調(diào)整,使斜截面受剪承載力高于正截面受彎承載力,做到“強剪弱彎”。在實際運用中如不采取這個措施,柱端很可能比梁端先出現(xiàn)塑性鉸。因此適當調(diào)整柱計算內(nèi)力并增大配筋,使塑性鉸首先出現(xiàn)在梁端,抗震性能較好。
五、結(jié)語
地震是人類生活面臨的重要的自然災害,危及著人民的生命與財產(chǎn)安全。在我國,目前人們對于房屋建筑無論是安全性還是舒適性的要求越來越高,房屋建筑行業(yè)不斷改善自己的設計和技術(shù),不斷為人們提供更好更優(yōu)質(zhì)的服務。在建筑結(jié)構(gòu)設計的時候,必須充分考慮抗震設計,并有采取適當?shù)目拐鸫胧M最大可能確保房屋質(zhì)量,才能減少地震的危害。我們要進行不斷地探索,對于抗災設計有所重視,不斷改善我們的技術(shù),建造更優(yōu)質(zhì)的建筑。