【结构学院】建筑结构抗震概念设计的核心是什么?

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建筑结构抗震设计包含了两个设计范畴,即概念设计和参数设计。建筑结构抗震概念设计主要针对地震的不确定性和近似性,从概念上,特别是从结构总体上考虑抗震的工程决策;建筑结构的参数设计主要是采用二阶段的抗震设计方法(地震作用计算、构件强度验算和结构变形验算等)实现三水准的抗震设防要求。 两者是相辅相成的。作为一个正确的抗震设计,必须重视抗震概念设计,灵活而又合理地运用抗震设计思想,才能不致陷入盲目的计算工作。

建筑结构抗震设计包含了两个设计范畴,即概念设计和参数设计。建筑结构抗震概念设计主要针对地震的不确定性和近似性,从概念上,特别是从结构总体上考虑抗震的工程决策;建筑结构的参数设计主要是采用二阶段的抗震设计方法(地震作用计算、构件强度验算和结构变形验算等)实现三水准的抗震设防要求。


两者是相辅相成的。作为一个正确的抗震设计,必须重视抗震概念设计,灵活而又合理地运用抗震设计思想,才能不致陷入盲目的计算工作。


01

结构概念设计的主要内容


1.1合理的建筑体型和结构形体:

1)使风荷载效应最小;

2)使地震作用效应最小。


1.2合理的结构选型:

1)应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径。

2)应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。

3)应具备必要的抗震承载力,良好的变形能力和消耗地震能量的能力。

4)宜有多道抗震防线。

5)宜具有合理的刚度和承载力分布,避免因局部削弱或突变形成薄弱部位,产生过大的应力集中或塑性变形集中。

6)结构在两个主轴方向的动力特性宜相近。


1.3合理的结构布置:

结构平面布置宜规则对称

1)竖向构件沿周边对称布置;

2)剪力墙带翼缘;

3)承载力大的地方布置竖向构件。


结构侧向刚度沿竖向宜均匀变化

竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小、避免侧向刚度和承载力突变。

1)刚度如太小,则地震时的侧移大,导致非结构构件和结构构件的破坏加重;刚度如太大,则地震力将增加。

2)结构的抗剪、抗弯、抗压、抗拉、抗扭等强度均应满足抗震要求。

3)四强四弱:

①强柱弱梁;②强剪弱弯;③强节点弱构件;④强压弱拉。

整体为弯曲变形而非剪切变形

尽量避免扭转变形。


1.4采用高强轻质的材料

充分发挥构件材料性能:延性(变形能力)要强。结构在保持一定强度条件下,如具有稳定的塑性变形能力,则在地震中可消耗输入于结构的地震能量,减少地震力,防止结构发生严重脆性破坏或倒塌。


1.5整体性要好:

整体性可防止结构构件及非结构构件在地震时被震散掉落,同时它也是结构发挥空间作用的基本条件。


1.6合理设置抗震缝、伸缩缝、沉降缝。


1.7合理选择基础类型。


1.8施工质量要精良。


1.9造价要合理。


02

场地与地基的概念设计

场地影响结构的地震反应,结构地震反应的大小决定了结构的震害。一般来说,在深厚的软土层上,高层建筑的地震反应较为强烈;在浅薄的硬土层上,则自振周期较短的结构的地震反应较为强烈。因此,在设计软土地基上的房屋时,要注意柔性结构的反应;反之,在设计硬土地基上的房屋时,要注意刚性结构的反应。


在地基和基础设计中,要注意同一结构单元不宜设置在性质截然不同的地基土上以及采用不同类型的基础,地基有软弱粘性土、液化土、新近填土或严重不均匀土层时,宜加强基础的整体性和刚性


03

结构布置的概念设计

地震后的震害调查和理论分析证明,结构体型简单,刚度中心和质量中心一致,沿平面、竖向的质量分布及刚度分布均匀的建筑物,有更好的抗震能力,震害小。因此,在概念设计中,对结构的布置要注意以下几点:


3.1建筑物平面布置宜简单、对称、质量中心与刚度中心重合

从抗震观点看,方形、矩形、圆形、正多边形等简单平面最有利。平面伸出的翼部较长,有凹角,而且在某一方向上不对称,属于不规则平面,地震时,扭转效应将使远离刚度中心的翼肢端产生较大的位移而开裂、倒塌,或使凹角处产生应力集中而开裂。

这里要注意,即使平面规则、对称的建筑,仍要求质量和刚度的平面分布使刚度中心与质量中心一致,否则扭转效应仍会发生,使远离刚度中心的构件产生较大的震害。


3.2建筑物竖向的刚度分布应均匀和连续

不宜有刚度突然消弱的层次,否则地震时易造成塑性变形集中的薄弱层;也不宜使最上面几层的刚度减去太多,否则地震时易形成鞭梢效应,加重震害。


3.3建筑物平、立面布置很复杂时,可以考虑用防震缝将结构分离成若干个独立的单体

但要注意两点:

1)设置防震缝的目的是把复杂平、立面的建筑,分割成简单体型的建筑物。由于设缝后也改变了结构的自振周期(一般情况下周期变长),反而有可能和地基土的固有周期接近;而且分隔后的各单体的抗震构件要安排得当,刚度均匀对称,否则也会增加震害。

由此可见,防震缝的设置与否应根据地震反应大小和结构布置以及地基土的特性,从概念上加以决策,必要时还要作地震反应分析的比较。

2)如决定设置防震缝,则结构要自上而下(基础以上)断开,缝两侧设双柱或双墙,并有足够的缝宽,注意不能被建筑垃圾堵塞而不起作用,也不能因硬质封盖材料卡缝而失效。防震缝的相关条文详见《抗规》-3.4.5 条和《高规》-3.4.9 条。


04

构件及结构的大变形利用

在抗震概念设计中,人们应不仅着眼于小震不坏,还要考虑大震不倒。长期实践使人们认识到,仅利用材料的弹性阶段去抗御罕遇的大地震是不明智的,应该利用材料的弹塑性性能通过构件以至结构的塑性变形性能来消耗地震时输入结构的能量。


钢、钢筋混凝土的适筋受弯构件,因其都有明显的屈服点,可以通过大变形来消耗输入的地震能量,而钢筋混凝土受剪构件、轴压比高的柱子、短柱、节点以及砌体等却不太具备这些特点。因此,在概念设计中要扬长避短,或加以改造使之改性:

4.1在钢筋混凝土框架结构中,梁、柱、节点三者的关系:

任何一部分进入屈服,另外两个部分可得到一定的保护。因此,考虑到梁、柱、节点的塑性性能的差异,在设计中,要考虑强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件的关系,促使梁以受弯屈服的形式产生大变形来消耗地震时输入的能量,从而避免修复困难的柱、节点的破坏和尽可能的防止倒塌。


4.2砌体是一种脆性材料,但在达到极限承载能力后还有一定的变形能力

为了利用这些变形能力,可以用内配筋,即在水平灰缝和竖缝中配筋;或外配筋,即在墙的双面用钢筋网水泥砂浆面层以充分利用砌体大变形,使砌体在大变形时仍具有一定的强度。此外,在砌体内设置构造柱,形成约束砌体,从而可以充分利用砌体原有的变形能力。


05

平面刚度分布不均匀、不对称

产生的震害

建筑平面复杂,结构刚度不对称,地震时容易引起扭转和局部应力集中(尤其在凹角处),若未采取相应的加强措施,则将会造成严重震害。

例如:

天津市一栋六层的现浇钢筋混凝土框架结构,高 27m,平面呈 L形。由于设计时没有充分估计扭转的影响,唐山地震时其处于8度区,震后调查发现,二、三层角柱严重破坏,边柱在窗台处有水平裂缝,外墙和内填充墙产生不少裂缝。

又如天津市 754厂 11号厂房,平面为矩形,中间为五层现浇钢筋混凝土框架,两端均与刚度很大的砖砌楼电梯间相连,总平面布置对称。

但由于房屋长度达 110m,在中央处设置了一道伸缩缝,把整个房屋分成了两个刚度分布不均匀、不对称的独立单元,唐山地震时,该厂房产生了显著的扭转,致使框架柱严重扭裂,楼梯间墙体产生严重开裂和错位。


06

6.工程实例分析

6.1工程概况

广州市大沙头商住楼,地下3层车库,地上1-4层为商场,5层架空,6-33层分为两个塔楼,东塔为住宅楼,西塔为办公楼,总建筑面积60000余m²。

6.2结构设计特点

本工程平面和竖向都不规则,长边97.2m,短边34.4m,采用框支剪力墙结构,1-4层商场要求大空间,住宅楼和办公楼要求小空间,且商场中部有300m²的中庭,对楼板平面内刚度有较大削弱。住宅楼有两个电梯筒,要求左侧的一个不落地,必须在其他合适位置设置剪力墙以满足抗侧承载力要求。

6.3根据概念设计采取的抗震措施

场地经勘察,地质条件良好,无抗震不利地段。

本工程的建筑平面和立面都不规则,在结构抗震设计时,对水平地震作用和内力计算都进行了必要的调整,并对薄弱部位采取有效地抗震构造措施,比如中庭周边的楼板加厚至150mm,以减少该处楼板升洞对平面内刚度的削弱影响。

为了在建筑底部做成较大空间,本工程采用上刚下柔的框支剪力墙结构,框支柱采用钢骨混凝土柱,很好的满足了延性要求,设计中重点提高转换层以下的各层的构件延性,同时减小受压构件的轴压比。

适当处理构件的强弱关系,按“强柱弱梁”、“强剪弱弯”的原则对梁、柱、墙的承载力。


07

结语

抗震概念设计在结构设计中非常重要,是展现结构设计者先进设计思想和深厚设计功底的一个关键环节。结构设计者应该使抗震概念设计贯穿于结构设计的整个过程,不断思考、不断创新,同时把握好设计的大原则,这样才能保证设计成果的科学性和严谨性。


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