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【关键词】工程场地地震安全性评价;建筑抗震设计
一.应用中存在的问题
场地设计地震动参数确定和场地震害效应评价是设计人员必须重点关注的,所以应用中出现的问题也多为涉及这两个方面的内容,主要有以下几点:(1)安评报告提供的场地设计反应谱曲线下降段的衰减指数与《建筑抗震设计规范》不一致,造成电算程序无法计算;(2)按照安评报告提供的场地设计反应谱计算的地震效应比按照《建筑抗震设计规范》反应谱计算的结果大很多,甚至超过50%以上;(3)安评报告提供的地震动时程分析结果与反应谱计算结果相差较大;(4)有些安评报告没有地震边坡效应的评估,或地震边坡效应评估不充分,缺乏对处于危险地段的边坡进行治理的可行性评价。
二.几点建议
2.1反应谱的表示形式宜规准化
《工程场地地震安全性评价》第12.1.2条规定:反应谱宜以规准化形式表示。反应谱以规准化形式表示,可以方便工程抗震设计使用,同时能在一定程度上消除随机因素所造成的谱值随周期剧烈变化的不合理性。考虑到建筑设计单位现有计算软件的条件限制,建议安评报告给出的建筑抗震设计反应谱采用《建筑抗震设计规范》中的标准反应谱的形式,反应谱的形状参数应符合该标准第5.1.5条的规定:
(1)直线上升段,周期小于0.1s的区段;(2)水平段,自0.1s至特征周期区段(水平地震影响系数最大值αmax);(3)曲线下降段,自特征周期至5倍特征周期区段,衰减指数应取0.9;(4)直线下降段,自5倍特征周期至6s区段,下降斜率调整系数应取0.02。
2.2反应谱曲线下降段衰减指数与《建筑抗震设计规范》不一致的处理
在某些特殊地质条件下,安评报告给出的反应谱曲线下降段的衰减指数与《建筑抗震设计规范》不一致时(通常为1.0或1.1),可以按规范规定的衰减指数0.9进行计算,但不能直接采用电算结果,应利用程序中的地震作用调整系数对地震作用进行调整。根据各振型自振周期下的安评报告反应谱与《建筑抗震设计规范》反应谱地震影响系数的比值调整各振型的地震作用,并按照振型分解反应谱法的振型组合原则求得振型组合后的地震作用,这个地震作用与按衰减指数0.9计算的地震作用的比值即为调整系数。显而易见,这种计算方法较为繁琐,一般情况下,对于低阶振型起主要作用的建筑,亦可直接取结构基本自振周期下的安评报告反应谱与《建筑抗震设计规范》的反应谱的地震影响系数的比值作为地震作用计算的调整系数来调整地震效应,经多个实际工程的复核验算表明误差大至在10%之内。
2.3关于反应谱的平台高度值和特征周期值
安评报告反应谱的平台高度值(地震影响系数最大值)是在考虑覆盖土层条件的影响下,依据地震危险性分析计算得到的基岩地震动参数,进行场地地震反应分析计算给出的。由于种种原因,安评报告的反应谱的平台高度值总是大于《建筑抗震设计规范》反应谱的平台高度值,这是造成安评报告反应谱计算的地震效应比按照《建筑抗震设计规范》反应谱计算的结果大很多的原因之一。
原因之二是安评报告给出的反应谱特征周期值通常大于规范反应谱特征周期值,值得注意的是2010版抗震规范反应谱特征周期值己与《中国地震动参数区划图》8306-2001特征周期值基本吻合,故安评报告给出的反应谱特征周期值与规范反应谱特征周期值不应有太大差别。
安评报告反应谱计算的地震效应比按照《建筑抗震设计规范》反应谱计算的结果大很多的问题,应该引起我们的重视。在烈度七度、设计基本加速度0.1g区,如果地震效应大50%,实际上已达到0.15g区的效应。在烈度七度、设计基本加速度0.15g区,如果地震效应大33%,则已达到烈度八度区的效应。当工程场地已处于明确的抗震设防区划内,除非是可能发生严重次生灾害的工程、核电站和其他有特殊要求的核设施建设工程,其他工程则不应出现抗震设防要求跨区划的误差。
2.4关于地震动时程分析
《建筑抗震设计规范》规定振型分解反应谱法是基本方法,时程分析法作为补充计算方法,对于规范特别规定的建筑才要求采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算。
时程分析一般是针对建筑的规则性,进行较为准确的计算和捡查是否存在薄弱层、刚度突变等。正常情况下,弹性时程分析计算所得的结构底部剪力的平均值接近或小于振型分解反应谱法求得的底部剪力(但不应小于80%),所以建议安评给出的地震动时程应允许设计单位进行试算,必要时可进行调整,使之与振型分解反应谱法的计算结果(底部剪力)较为吻合。
三.重视地震边坡效应的评价
汶川地震灾害表明,由于地震引发地质灾害造成的建筑物破坏、人员伤亡在这次震害中占有很大的比例。震后修订的《建筑抗震设计规范》(2008年版)新增3.3.5条,要求山区建筑的地基基础,应注意设置符合抗震要求的边坡工程,并避开土质和强风花岩石边坡的边缘;并将第4.1.8条改为强制性条文,要求在陡坡和边坡边缘等不利地段建造丙类及丙类以上建筑时,应注意稳定性和地震放大作用。规范的修订是为了进一步增强山区建筑的抗震能力,也说明重视地震边坡影响的重要性。
当边坡在地震时可能发生滑坡、崩塌,边坡塌滑区或边坡塌方影响区则属于危险地段,规范规定严禁建造甲、乙类建筑且不应建造丙类建筑。但由于社会经济的发展,在边坡塌滑区或边坡塌方影响区内建造建筑物的情况已不可避免,如何对属于危险地段的边坡进行综合治理,其抗震设防标准如何确定,国内现行规范还没有统一、明确的规定。考虑到“大震不倒”的设计原则,这种情况下的边坡工程在大震时,支护结构不能发生失效性破坏、边坡不能发生滑坡、崩塌是最基本的要求。要满足这个要求,安评报告对建筑边坡地震效应进行完整、全面的评价是十分重要的。
关键词:建筑;抗震;设计
为了贯彻执行国家有关建筑工程、防震减灾的法律法规并实行以预防为主的方针,使建筑经抗震设防后,减轻建筑的地震破坏,避免人员伤亡,减少经济损失,从而制定了《建筑抗震设计规范》,在最新修订规范中,在第三章第10节中提出了建筑抗震性能化设计,本文主要针对这一内容进行探讨。
一、建筑抗震性能化设计的提出
建筑抗震性能化设计在本质上应该采用反映谱理论以及结构能力设计的原则,既是用三个不同概率水准,两个阶段设计来体现出遇到小型地震不坏、遇到中型地震可以维修、遇到大型地震可以不倒塌的基本设防目标。但是这种设计方法依旧存在着许多的不足,因为地震是一个不能确定的地壳活动,就现在世界的科技手段还不能够准确的预测地震的发生时间和规律。地震具有强大的能量,破坏力超强,由于地震的不稳定性,使我们很难准确的了解建筑结构的抗震需求,然而采用反映谱理论的方法,有效的降低了地震作用计算的结构内力。
上个世纪七十年代,人们在总结了地震灾害经验中发现,建筑抗震设计对建筑的重要性,1990年1月份开始施行《建筑抗震设计规范》GBJ11-89中所列出的设计理念,在实际建筑工程设计中提高结构抗震能力方面发挥了重要的作用。在这一阶段,将设计理念应用于实际工程中取得了良好的效果,同时随着建筑行业的发展,发现早期建筑规范的内容还不够全面,所以在2002年1月对《建筑抗震设计规范》进行了更新,使得规范更加的全面,并增加了“建筑抗震性能化设计”。
在上个世纪九十年代,国外和国内工程界开始研究基于性能的抗震设计理念,其特点是:抗震设计从宏观定性的目标向具体量化的多重目标过渡,并由业主选择性能目标,对结构的抗震性能水准进行深入的分析,通过专家论证,反复进行修改,从而确定抗震设计。
现如今的抗震设计,一般都是按照现行《建筑抗震设计规范》所编制的条款进行的设计,比如结构的选型、地震作用的计算、房屋高度的限制、抗震等级选择等等。
二、建筑抗震性能化设计的计算要求
如上图所示,通过地震水准的三种情况,分析在情况发生过程中其性能所体现出来的程度,并根据这种程度的整体状态进行分析模拟。
1、模型分析
正确合理的反映地震作用的传递途径,建筑在不同地震动水准下是否整体或分块处于弹性工作状态。
2、弹性分析模拟
采用线性方法,弹塑性分析可根据性能目标所预期的结构弹塑性状态,分别采用增加阻尼的等效线性化方法以及静力或者动力非线性分析方法。
3、结构非线性分析模拟
结构非线性分析模拟与弹性分析模拟相对比较可以进行简化,但是二者在多遇地震的线性分析结构应该基本相同。
通过两个途径可以改善建筑物的抗震性能:一是针对结构平面布置的不规则性,调整局部构建的截面抗弯刚度,实现结构整体刚度内在的规则分布;二是采用被动耗能减震技术,通过设置阻尼器,为结构提供附加阻尼。
三、建筑抗震性能化设计的基本要求
1、选定地震动水准
对设计使用年限50年的结构,可以选用规范的多遇地震、设防地震和罕遇地震的地震作用。其中,设防地震的加速度应该按照《建筑抗震设计规范》中的抗震设防烈度和设计基本地震加速度值的对应关系进行设计,如图所示:
对设计使用年限超过50年的结构,应该考虑其实际效用,并经过专门的研究后对地震作用做出适当的调整。
2、选定性能目标
建筑抗震性能目标的选定是对于不同地震动水准的预期损坏状态或者使用功能,不低于抗震设防的基本目标。即当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时,主体结构不受损坏或者不需要进行修理就能够继续使用;当遭受相当于本地区抗震设防烈度的设防地震影响时,有可能发生损坏,但是经过一般的修理仍然可以继续使用;当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响时,不致倒塌或者危及生命。
3、选定性能设计指标
设计应选定分别提高结构或者关键部位的抗震承载力、变形能力或者同时提高抗震承载力和变形能力的具体指标,尚应计及不同水准地震作用取值的不确定性而留有余地。
总结:
总而言之,建筑抗震性能化设计,具有着很强的灵活性和针对性,当前我国建筑行业应用抗震技术主要还是在高层建筑方面或者是特别复杂的建筑,在一般的建筑工程设计上还没有得到广泛的应用,但是随着工程设计的不断创新,建筑抗震性能化设计最终会逐步的走向成熟。
参考文献:
[1] Anil K Chopera. Estimating Seismic Demands for Performance-Based Engineering of Buildings//13 thWorld Conference on Earthquake Engineering. Canada : 2004 : 5 007
[2] 汤保新, 叶列平, 陆新征. 丙类与乙类设防RC框架结构抗地震倒塌能力对比[J]. 建筑结构学报, 2011,(10)
[3] 姜有生. 中小学建筑抗震设计若干问题[J]. 青海师范大学学报(自然科学版), 2011,(03).
[4] 罗丹, 谷学东, 高夕良, 龙波. 《建筑抗震设计规范》设计方法相关问题的讨论[J]. 四川建筑, 2011,(04)
(石河子大学,新疆 石河子 832003)
摘 要:“建筑抗震设计”是一门理论性、实践性、综合性都很强的课程,震害分析在教学过程中处于核心地位,是培养学生分析解决问题的重要手段。文章结合石河子大学“建筑抗震设计”课程建设经验,介绍了基于震害分析的建筑抗震设计教学方法的基本思路,并以在混凝土结构抗震设计中的实践应用为例,具体分析以震害分析为核心的教学方法在概念设计、抗震计算,以及抗震构造措施等方面的应用。
关键词:建筑抗震设计;震害分析;教学思路;教学实践
中图分类号:G642.0 文献标识码:A文章编号:1002-4107(2015)09-0009-02
收稿日期:2014-12-28
作者简介:袁康(1982—),男,重庆合川人,石河子大学水利建筑工程学院土木工程系主任,博士,副教授,国家一级注册结构工程师,主要从事建筑结构工程研究。
基金项目:石河子大学一类课程“建筑抗震设计”
新疆地处亚欧大陆腹地,受南印度洋板块与欧亚板块碰撞作用以及来自北西伯利亚板块的挤压,构造运动强烈,是我国主要的内陆地震活动区域,也是国务院确定的地震重点监视防御区之一。进入20世纪以来,新疆境内发生6级以上地震100多次,平均每年一次以上,全区抗震设防烈度在6度以上的区域占全区总面积的80%以上,其中7度以上高烈度区域面积占60%以上,面临严峻的抗震形势[1]。因此,新疆地处地震高发区和高烈度区的抗震形势对当地建筑设计、施工等技术人员提出了更高要求。因而,建筑抗震设计在当地本科教学中的重要性更加突出。
随着近年来全球地震进入活跃期,强震频发,大量的工程震害为学生学习抗震知识和技能提供了生动的教学素材,尤其是汶川、玉树等一系列大震灾害引起了大家的重视,对典型震害的分析成为了促使相关抗震设计、构造施工技术进步的重要因素,如汶川地震后,我国的《建筑抗震设计规范》(GB2010 0011-2010)就进行了相应的修编[2]。因此,开展基于震害分析的“建筑抗震设计”教学方法改革也是石河子大学建筑抗震设计课程组一直探索的目标,在多年课程建设过程中,取得了较好的教学效果。本文将在分析“建筑抗震设计”课程的特点,剖析存在问题的基础上,阐述基于震害分析的研究型教学思路,并以在混凝土结构抗震设计中的实践应用为例,具体分析以震害分析为核心的教学方法在概念设计、抗震计算,以及抗震构造措施等方面的应用,以供参考。
一、“建筑抗震设计”课程特点及现状
“建筑结构抗震设计”课程在石河子大学开课学时为48学时,包括理论教学40学时和试验教学8学时,是建筑工程专业必修课程之一,同时也是一门涉及学科较广、综合性较强的课程,经过本课程的学习,为后续的毕业设计奠定基础,是建筑工程专业学生知识结构中重要的组成部分。
(一)涉及知识面广,对学生理论基础知识要求高
该课程主要涉及数学、力学、材料、结构等方面的知识,其先修课主要有工程数学、理论力学、材料力学、结构力学、建筑材料、钢结构、钢筋混凝土结构设计原理、钢筋混凝土结构设计、砌体结构、施工技术等,尤其是“单自由度和多自由度弹性体系地震反应分析”章节与结构力学中的动力学部分联系密切,是典型的“老师难教、学生难学”的章节。
(二)课程与规范联系紧密,条文规定多
该课程内容一般包括场地、地震作用计算、各种结构抗震设计,以及隔震减震技术等章节,其设置与《建筑抗震设计规范》的编排思路大致相同,可以说是规范的说明书。因此,教材中有大量的规范条文规定告诉学生应该如何去进行抗震设计,如何让学生印象深刻地去理解各种条文规定背后的含义是关键。
(三)实践教学缺失
该课程的另一特点是实践性极强,抗震设计事关人民生命财产安全,从学生阶段就培养学生的工程实践意识至关重要,而目前多数高校在抗震的实践教学方面存在缺失现象,其原因主要是抗震的试验手段主要有拟静力试验和振动台试验两种,均需要较长的试验准备周期和较高的经费投入。
综上,由于“建筑抗震设计”课程教学存在的上述问题,要“化繁为简、通俗易懂”地讲解这门看似枯燥、却对工程技术人员又十分重要的课程,需要借助地震灾害这个天然的试验场。工程震害分析与试验研究、理论分析是抗震技术发展的基本手段[3],在地震灾害频发的今天,震害分析已经成为了抗震技术验证的最佳场所,如四川雅安芦山地震中,凡是按照新的抗震规范设计的建筑均实现了相应的抗震目标,没有出现房屋倒塌的现象。因此,在抗震教学环节中,专业教师更应当以震害分析为核心,来引导学生研究、学习工程震害,使学生能够有血有肉地理解书本知识。
二、基于震害分析的研究性教学思路
从各版“建筑抗震设计”教材不难发现,其在具体结构抗震设计中均是基于震害分析—概念设计—抗震计算—抗震构造的基本思路,可见震害分析是学习本课程的入手点,每种结构形式的震害现象对于后续的内容都具有强烈的指导意义。教学过程中尤其应当重视“分析”二字,在重视提高学生工程素质的当下,应当引导学生去理解每种震害发生的原因,设计、施工中如何去避免,从而使学生更加轻松地理解后续概念设计、抗震计算、抗震构造中大量的定量条文规定。
基于震害分析的研究型教学思路,即是在整个教学过程中始终紧扣震害分析这一前提,注重发挥学生的主观能动性去分析解决问题,在震害分析章节将震害现象归类为概念设计、抗震计算、抗震构造不符合规范要求的几种情况,设置研究问题,并告诉学生将在后续学习中逐步解决;在讲解到具体涉及前面设置问题的内容时,再带着学生一起解决问题。
三、基于震害分析的研究性教学实践
本文以混凝土框架结构抗震设计教学为例,阐述基于震害分析的研究型教学实践过程,具体教学思路如图1所示。
(一)基于震害分析的问题设置
混凝土框架结构是建筑工程领域最为常见的一种结构体系,尤其是在公共建筑当中。在历次地震中框架结构表现出了较好的抗震性能,但也有一些共性的震害现象得到了体现,因此,在讲述本章内容时,有必要将一些常见的震害现象集中梳理,设置研究问题(如下),在后续学习中不断解决。
1.框架结构中某一层集中倒塌现象。
2.建筑平面中角部破坏严重。
3.楼梯间框架柱剪切破坏。
4.邻近房屋碰撞破坏。
(二)基于震害分析的概念设计
中国的抗震设防采用“三水准设防、两阶段设计”[4],其具体实施主要通过概念设计、抗震计算和构造措施三个方面,其中概念设计是对结构体型、结构体系、刚度分布、构件延性的总体把握,是结构抗震设计的最为重要问题。但由于学生对于知识的学习未通过毕业设计的综合实践锻炼,尚停留在碎片化的阶段,无法站在全局的高度来看待概念设计的重要性。此外,长久以来的应试教育模式培养出来学生更喜欢依靠计算解决问题的特性,认为只要进行了抗震计算就能够保证建筑结构的抗震能力,对概念设计的认识不足。因此,有必要从一开始就将各条概念设计规定与相应的震害对应起来,并逐条解决,基本主线为:概念设计条文—对应工程问题—工程震害现象—解决途径,即通过工程实例中发生的震害现象,追溯其在设计阶段不符合抗震概念设计的情况,引导学生探寻相关解决途径。
(三)基于震害分析的抗震计算
结构抗震计算包括地震作用计算,地震力分配、内力组合及调整、截面承载力抗震设计、节点设计等内容,其中内力调整是此部分内容的核心问题,是实现框架结构合理破坏模式的关键所在,主要包括了“强节点弱构件、强柱弱梁、强剪弱弯”的内力调整思路[5],以及底层柱、角柱的内力放大。在讲述这些关键问题的时候可回到历次震害中发现的震害问题,引出震害分析中设置的问题:大量的结构并未实现梁端出铰的合理破坏模式,而是某一层柱集中倒塌的情况;以及底层柱和角柱的破坏往往更为严重的现象。带领学生以工程师的角度去从设计、施工角度查找出现上述问题的原因,理解按照合理破坏模式要求的内力放大调整方法。以汶川地震为例,当出现远超设防烈度的地震作用时,几乎没有一栋建筑实现了强柱弱梁的破坏形式,是值得工程人员深省的,因此,《建筑抗震设计规范》(GB2010 0011-2010)在内力调整系数上进一步放大。
(四)基于震害分析的抗震构造措施
抗震构造措施,是根据抗震概念设计原则,不需要计算而对结构和非结构部分必须采取的各种细部要求,主要包括对梁、柱截面尺寸的限制,钢筋直径、间距的限值等等,此部分内容与震害分析中的构件层面破坏密切相关,讲解中若采用完全“顺向讲授式”教学,学生很难记住相关的条文规定。教学中应结合震害分析,采用“反向研讨式”教学,即思考若不按条文规定会出现什么震害问题。例如,在讲授节点核心区配箍率的要求时,可联系震害中典型节点破坏的现象——由于节点区箍筋不足或间距过大,柱纵筋压曲外鼓,引导学生明白节点对结构维持大震不倒的重要性,以及箍筋体积配箍率可确保节点延性的意义。
“建筑抗震设计”是一门理论性、实践性、综合性都很强的课程,涉及大量的规范条文,如何生动地让学生理解相关条文背后的依据是关键,而大量的规范条文修编都是以无数次强震为代价。因此,震害分析在教学过程中处于核心地位,是培养学生分析解决问题的重要手段,课程组在教学改革过程中的成效表明,不断穿插震害分析不但可以提高学生的专业兴趣,更使学生在理论知识综合应用、工程质量意识等方面得到了锻炼,在毕业设计环节中更加得心应手。
参考文献:
[1]张勇.新疆农村抗震民居房屋结构类型及应用[J].震灾防御技术,2006,(4).
[2][4]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.
关键词:抗震概念设计;抗震计算方法;提高结构抗震性能的措施
中图分类号:TU37 文献标识码:A
1 抗震概念设计及思路
抗震设防的基本目的是在一定的经济条件下,最大限度地限制和减轻建筑物的地震破坏,保障人民生命财产的安全。为了实现这一目的,抗震设计规范以“小震不坏,中震可修,大震不倒”,即三水准的抗震设防要求作为建筑抗震设计的基本原则。
一般来说,建筑抗震设计包括三个方面的内容与要求:概念设计、抗震计算与构造措施。概念设计在整体上把握抗震设计的主要原则,减少由于建筑结构自身带来地震作用及结构地震反映的复杂性而造成抗震计算不准确;抗震计算为结构抗震设计提供定量依据;构造措施则是抗震概念设计与抗震计算的有效保障。结构抗震设计三个方面的内容是一个不可分割的整体,忽略其中任何一部分都可能造成抗震设计的失效。
建筑结构抗震概念设计的目标是使整体结构能发挥耗散地震能量的作用,从而避免结构出现比较敏感的薄弱部位,导致结构过早的破坏。假定整个结构能发挥耗散地震能量的作用是抗震设计方法的前提之一,在此前提下才能以多遇地震作用进行结构计算与构造措施。
建筑结构抗震设计的基本原则包括:(1)结构的简单性,即结构在地震作用下具有比较明确的传力途径,结构的计算、内力及位移分析都易于把握。(2)结构的规则及均匀性,造型和结构布置比较均匀可以避免刚度、承载能力与传力途径的突变,以限制结构在竖向出现敏感的薄弱部位,建筑平面比较规则可以使建筑物质量分布与结构刚度分布协调,限制质量与刚度之间的偏心。(3)结构的刚度与抗震能力,结构布置应使结构在两个主轴方向具有足够的刚度和抗震能力、足够的抗扭刚度和抵抗扭转振动的能力。
2 结构抗震计算方法及抗震验算
结构抗震计算可分为地震作用计算和结构抗震验算两部分。进行结构抗震设计时,在确定结构方案后,首先应计算地震作用,然后计算结构和构件的地震作用效应,最后再将地震作用效应与其他荷载效应进行组合,验算结构和构件的承载力与变形,以满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防要求。
结构抗震计算的方法包括:(1)底部剪力法,特点是忽略高振型的影响,假定结构地震反应以基本振型为主,将基本振型简化为倒三角形进行计算,但是计算精度稍差。(2)振型分解反应谱法,利用振型分解的原理和反应谱理论进行结构最大地震反应分析,计算精度稍高。(3)时程分析法,选用一定的地震波直接输入到所设计的结构,然后对结构的运动微分方程进行逐步数值积分,求得结构在整个地震时程范围内的地震反应,计算精度高。
为了满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防标准,《建筑抗震设计规范》规定进行下列内容的抗震验算:(1)多遇地震下结构允许弹性变形验算,防止非结构构件的破坏,如隔墙、幕墙、建筑装饰等的破坏。(2)多遇地震下结构强度验算,防止结构构件因承载力不足而破坏。(3)罕遇地震下结构弹塑性变形验算,以防止结构因过大变形发生倒塌。
3 提高结构抗震性能的措施
结构的抗震性能决定于结构的整体性、延性,而结构的整体性和延性与结构布置、结构整体刚度、结构节点和构件的延性和强度密切相关。
结构布置时宜考虑多道抗震防线,一个抗震结构应由若干延性较好的分体系组成,通过构件的链接协同作用,有意识地在结构内部、外部建立一系列分布的屈服区,使结构在先屈服的部分耗散大量的地震能量,而使最后的“防线”得以保存,便于结构修复。即通常所说的“小震不坏,中震可修,大震不倒”,同时设计中应做到的“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点弱构件”。
如框架结构抗震设计原则为强柱弱梁设计,梁屈服后柱仍能保持稳定;框架--剪力墙结构抗震设计原则为连梁首先屈服,然后是墙肢,框架作为第三道防线;剪力墙结构抗震设计原则为通过构造措施保证连梁首先屈服,并通过空间整体性形成高次超静定。
结构应具有合理的刚度和承载力分布,建筑物的侧移刚度越大,则自振周期越短,地震作用也越大,要求结构构件具有较高的承载力。提高结构的抗侧刚度,往往以提高造价和降低结构变形能力为代价,因此在确定结构体系时,需要在刚度、承载力之间寻求较好的匹配关系。
垦利县育才华都工程为高层剪力墙结构,结构地上一层的侧向刚度小于相关范围地下一层侧向刚度的0.5倍,故采用地下室顶板作为上部结构的嵌固部位。在进行初步整体计算时,地震作用下局部X向最大层间位移角为1/900,超过了规范规定的1/1000。受地块限制,没有足够的场地布置车位,规划设计条件又要求车位比为1:1,所以地下二层必须设计为车库。受限于车库门最小净宽的要求,该部分剪力墙的长度无法再加长,经过多次试算,通过增加剪力墙连梁的高度提高了该部位的抗侧刚度,从而使层间位移角得到改善,满足了规范要求。
结构应采取的构造措施,对于多层砖砌体结构,在构造上应采取设置构造柱、现浇混凝土圈梁、在砖砌体内配置横向和竖向钢筋等措施。对于多层砌块结构在构造上应采取设置钢筋混凝土芯柱、圈梁等措施。对于钢筋混凝土结构,应通过混凝土材料、截面尺寸、纵向和横向的配筋来避免剪切破坏先于弯曲破坏、混凝土的压碎先于钢筋的屈服、钢筋的锚固黏结破坏先于构件的破坏。
山东威迪车轮有限公司倒班宿舍工程为四层砌体结构,依据《建筑抗震设计规范》在纵横墙相交处及楼梯间四角分别设置了现浇钢筋混凝土构造柱,并在每层楼面或屋面处设置现浇钢筋混凝土圈梁,使得构造柱、圈梁及钢筋混凝土楼板现浇为一空间整体,增强了结构整体稳定性,从而提高了该工程的抗震能力。
4 结束语
近几年,四川汶川、雅安及青海玉树等多地发生地震,且震害较严重,因此做好抗震设计是十分必要的,不仅要掌握好结构的抗震计算及抗震措施,更要注重结构的抗震概念设计。
参考文献
[1] 混凝土结构设计规范 GB 50010-2010 中国建筑工业出版社
[2] 建筑抗震设计规范 GB50011-2010 中国建筑工业出版社
[3] 高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010 中国建筑工业出版社
[4] 高层建筑钢筋混凝土结构概念设计方鄂华编著,机械工业出版社
关键词:地震安全性评价 抗震设防动参数
一、安评的由来
我国是世界上多震的国家之一,地震引起的建筑物及工程设施破坏、倒塌是造成地震灾害的最主要因素,只有使建筑物和工程设施具备适当的抗震能力才能有效减轻地震造成的人员伤亡及财产损失。确定合理的设防目标是抗震设计的前提,医院建筑作为事关国计民生、在地震灾害发生时又需要承担救治功能的重要建筑,其抗震设防目标应当高于普通民用建筑。《建筑工程抗震设防分类标准》规定:医疗建筑的抗震设防类别应当符合:“三级医院中承担特别重要医疗任务的门诊、医技、住院用房,抗震设防类别应划分为特殊设防类,二、三级医院的门诊、医技、住院用房,具有外科手术室或急诊科的乡镇卫生院的医疗用房……,抗震设防类别应划分为重点设防类”,这意味着大部分县级及以上医院的医疗用房其抗震设防类别应属于重点设防类(乙类)建筑,这一类建筑的抗震能力应当比住宅、办公等普通建筑更高,属于在地震发生时功能不能中断或需尽快恢复的生命线工程。
工程场地地震安全性评价是《中华人民共和国防震减灾法》确立的一项法律制度,《中华人民共和国防震减灾法》第三十五条:“重大建设工程和可能发生严重次生灾害的建设工程,应当按照国务院有关规定进行地震安全性评价,并按照经审定的地震安全性评价报告所确定的抗震设防要求进行抗震设防。”“国务院地震工作主管部门和省、自治区、直辖市人民政府负责管理地震工作的部门或者机构,负责审定建设工程的地震安全性评价报告,确定抗震设防要求。”并在附则中给出了“重大建设工程和可能发生严重次生灾害的建设工程”的范围,国务院颁布的《地震安全性评价管理条例》及各省市的地震安全性评价管理办法都对需要进行地震安全性评价的工程明确了范围,以《山东省地震安全性评价管理办法》为例,在附件中就明确了必须进行地震安全性评价的建设项目,“……300张床位以上医院的门诊楼、病房楼、医技楼、重要医疗设备用房以及中心血站等;”这意味着对我省绝大多数县级及以上的医院的主要医疗建筑及重要设备用房都需要进行地震安全性评价。《山东省防震减灾条例》明确规定:“重大建设工程和可能发生严重次生灾害的建设工程的抗震设防要求,由省级以上人民政府地震工作主管部门根据审定的地震安全性评价报告批准确定。”“学校、幼儿园、医院等人员密集场所的建设工程,应当在地震小区划结果、国家颁布的地震动参数区划图或者地震安全性评价结果的基础上提高一档确定抗震设防要求。”国家及各省市已从法律法规的角度对医院建筑抗震设防要求及应采用审定后的安评结果进行抗震设计作了明确规定。
二、安评的应用
《建筑抗震设计规范》GB50011指出:抗震设防烈度必须按国家规定的权限审批、颁发的文件(图件)确定,一般工程的抗震设防烈度应根据GB18306《中国地震动峰值加速度区划图A1》和《中国地震动反应谱特征周期(Tg)区划图B1》确定的地震基本烈度进行设防;在一定条件下,可采用经国家有关主管部门规定的权限批准的供设计采用的地震设防区划的地震动参数(如地面运动加速度峰值、反应谱值、地震影响系数曲线和地震加速度时程曲线)进行设防。
由于历史的原因,《建筑抗震设计规范》对抗震设防的表述采用双轨制,即按设计地震基本加速度和设防烈度进行表述。抗震设计一般包含地震作用计算及构造措施两方面的内容,对于医院等重点设防类建筑,《建筑工程抗震设防分类标准》GB50223不要求提高地震作用,只需提高其抗震措施,地震作用的计算是与设计基本地震加速度相关的,而抗震措施是按设防烈度确定的。《建筑抗震设计规范》明确指出:按国家规定权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度为本地区抗震设防烈度,一般情况下,取50年超越概率10%的地震烈度。50年设计基准期超越概率10%的地震加速度为设计基本地震加速度;《中国地震动峰值加速度区划图》和《中国地震动反应谱特征周期区划图》的设防水准为50年超越概率10%;因此根据安评报告进行抗震设防时应按提供的50年超越概率为10%的地震动峰值加速度对应的地震烈度,同时还应按提供的50年超越概率63%对应的设计地震加速度和反应谱参数值进行地震作用计算。对于设计使用年限为100年时,安评应分别提供100年设计基准期内超越概率为10%和63%的设计地震加速度和反应谱参数值,对需要进行时程分析及大震性能化设计有定量要求时都还应提供超越概率2%-3%对应的设计地震加速度和反应谱参数值。
规范中的小震对应50年超越概率为63.2%的水准,称为多遇地震;中震对应的是50年超越概率为10%的水准,称为设防地震;50年超越概率为2%~3%的地震烈度,称为“罕遇地震”。结构承载力验算时取第一水准的地震动参数计算结构的弹性地震作用标准值和相应的地震作用效应,采用《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068规定的分项系数设计表达式进行结构构件的截面承载力抗震验算。换句话说是通过小震对应的地震动参数计算地震作用来保证“小震不坏”,“中震可修、大震不倒”是通过概念设计和抗震构造措施来满足的。地震作用计算采用的规范反应谱是根据国内外大量实际地震加速度记录的加速度反应谱进行统计分析并结合工程经验和考虑技术条件的综合结果,因此是一个统计意义并进行了人工调整的数据,设计反应谱通常用以下三个参数来描述:最大地震影响系数αmax、特征周期Tg、长周期反应谱下降曲线的衰减系数γ。安评一般是针对特定工程建设场址周边一定范围内的地震危险性进行评估,假定某种地震动衰减模型、通过地震危险性进行计算,得到50年或100年(必要时)超越概率为63%、10%、2%场址基岩处的地震加速度峰值和反应谱,再通过概率方法运用一维或二维土层模型计算得到场地地表或不同深度土层处的地震动峰值及与反应谱有关的参数。理论上安评结果要比国家标准规定得更加有针对性和更加细化,但是,由于地震危险性评估方法、地震动衰减规律、基岩地震动输入及土层反应模型的不确定性,再加上从事安评工作的人员自身专业水平的差异,针对特定工程所提供的地震动参数可靠性和工程实用性大受影响。
对于提供了安评报告的工程的抗震设计,小震作用下,可分别按规范规定的和安评报告提供的地震动参数进行计算,取二者计算所得到的结构底部剪力较大者的楼层水平地震作用进行结构抗震验算以保证结构的安全。大震作用下,由于安评一般根据实际强震记录对长周期段的谱值变化规律按二次曲线衰减给出,规范反应谱把长周期段谱值变化规律修正为按直线下降,因此按安评结果进行结构验算有可能会偏于不安全,此时可按规范提供的地震动参数进行计算。
安评报告一般都给出了根据50年超越概率10%的动参数所在的基本地震加速度分区,对于一些没有明确给出加速度分区可的可参考《中国地震动参数区划图》宣贯教材中加速度分档进行划分;据此确定基本烈度,然后按有关的建筑抗震规范确定具体的设防要求。
工程实例一:青岛胶州市某医院门诊医技综合楼及病房楼,重点设防类,根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010附录,本地区设计基本地震加速度为0.05g,设计地震分组为第三组,场地特征周期为0.45s,依据地震安全性评价结果,该建设项目设计地震动参数如下:
设计地震动参数 超越概率水平
50年63% 50年10% 50年2%
Amax(cm/s2) 32 98 164
βm 2.7 2.7 2.7
T0(s) 0.10 0.10 0.10
Tg(s) 0.45 0.55 0.60
C 0.90 0.90 0.90
工程场地地表5%阻尼比50年超越概率10%水平向设计地震动加速度峰值为98gal,依据GB17741-2005《工程场地地震安全性评价》有关地震动加速度分区原则,本次结果属0.10g区。相当于地震基本烈度值为7度,根据《山东省防震减灾条例》,经地震主管部门批复后,该医院建筑的抗震设防要求按地震动峰值加速度0.15g确定。结构设计按7度、0.15g的基本地震加速度计算地震作用,按8度采取抗震措施。
工程实例二:济南市某医院综合病房楼,重点设防类,根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010附录,本地区设计基本地震加速度为0.05g,设计地震分组为第三组,场地类别为II类场地,场地特征周期为0.45s,依据地震安全性评价结果,该建设项目设计地震动参数如下:
设计地震动参数 超越概率水平
50年63% 50年10% 50年2%
Amax(cm/s2) 31 78 134
βm 2.6 2.6 2.6
T0(s) 0.10 0.10 0.10
Tg(s) 0.35 0.40 0.40
C 0.90 0.90 0.90
依据GB17741-2005《工程场地地震安全性评价》有关地震动加速度分区原则,工程场地50年超越概率10%的地震动峰值加速度位于0.05g范围,相当于地震基本烈度值为6度,根据《山东省防震减灾条例》,经地震主管部门批复后,该医院建筑的抗震设防要求按地震动峰值加速度0.10g确定。结构设计按7度、0.10g的基本地震加速度计算地震作用,按7度采取抗震措施。需要指出的是,特征周期是根据场地类别及设计地震分组确定的,现行抗震规范水平地震影响系数的最大值αmax与超越概率(小震、中震、大震)有关,而特征周期与超越概率无关,而安评报告的特征周期一般都与超越概率有关,大震反应谱的特征周期往往大于小震。当按安评报告的结果确定加速度档进行小震作用下的承载力验算时,应选用安评的地震动参数(基本加速度所在的档对于的小震地震影响系数及特征周期)进行计算,并按规范的动参数计算,取二者的较大值进行设计。
实际上从建筑工程抗震设防要求来讲,在地震时功能不能中断或者需尽快恢复的生命线相关工程,其抗震设防要求应该是在预估的罕遇地震作用下设置在结构中的设备和设施尽快恢复正常,这一类的建筑工程抗震设防规定的年限就不应该是50年超越概率10%的情况,建筑规范给出荷载及地震作用都是以50年基准期给出,不同规定期限建筑物抗震设计的三个水准的取值均可转化为50年的相应超越概率,这不在本文的讨论之列,具体可参考相关文献。
三、结论
对于医院这一类需要进行重点设防的建筑,大多需要进行地震安全性评价工作,安评的结论往往同抗震规范的地震动参数不一致,《防震减灾法》及防震减灾条例等法律法规规定的设防要求不尽相同,而且各地建设行政主管部门及施工图审查机构对相关的设防标准解读也存在差异,使得设计人员往往无所适从,本文从法律法规的有关条文及规范的相关规定出发,论述了医院建筑等重点设防类建筑工程在抗震设防时如何应用安评结果进行设防。并结合工程实例给出了抗震设防的具体做法及建议,供同行们参考。
参考文献: