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关键词:结构设计高层建筑 安全性
中图分类号:TU208文献标识码: A
随着经济的快速发展,城市用地日趋紧张,这使得高层建筑成为了目前阶段建筑设计的主要形式。高层建筑的广泛出现,既节约了建筑的占地面积,增加了使用空间,又丰富了城市的景观。但高层建筑美化城市的同时,也给建筑设计师们在安全设计性方面提供了诸多挑战。其中,结构安全设计就是一个十分重要的部分。
建筑结构设计是整个建筑的精髓,是整个建筑工程的骨骼,因此对于建筑结构的设计至关重要。其合理的设计是保证建筑质量及安全性的重要方法。高层建筑的结构特点是需同时承受水平和竖向的荷载或间接作用。低层建筑结构通常以抵抗竖向荷载为主,水平荷载和作用的影响较小。如风荷载和地震作用,它们所产生的内力和位移较小,一般可以忽略。因此在低层建筑结构中,竖向荷载往往就是设计的控制因素。但在高层建筑结构中,较大的建筑高度造成了完全不同的受力情况,水平荷载和作用不仅是主要荷载的一种,跟竖向荷载共同起作用,而且往往还成为设计中的控制因素。因此,在水平荷载作用下,若高层建筑结构的抵抗侧向变形能力或侧向刚度不足,将会产生过大的侧向变形,不仅使人产生不舒服的感觉,而且会使结构在竖向荷载作用下产生附加内力,会使填充墙、建筑装修和电梯轨道等服务设施出现裂缝、变形,甚至会导致结构性的损伤或裂缝,从而危及结构的正常使用和耐久性。因此设计高层建筑结构时,不仅要求结构有足够的强度,而且要求结构有合理的刚度,使水平荷载所产生的侧向变形限制在规定的范围内。同时,有抗震设防要求的高层建筑还应具有良好的抗震性能,使结构在可能的强震作用下当构件进入屈服阶段后,仍具有良好的塑性变形能力,即具有良好的延性性能。综合高层建筑的上述受力特点可知,与低层结构不同,高层建筑结构在强度、刚度和延性三方面要满足更多的设计要求。抗侧力结构的设计成为高层建筑结构设计的关键。
关键词:带转换层; 高层建筑;抗震设计
Abstract: With the rapid development of high-rise buildings in our country, as well as to the building structure with transfer function requirements, more and more high-rise structure, and set the location of the conversion layer is also more and more high. Therefore, this paper analysis of tall building structures with transfer story is not difference between seismic and seismic fortification intensity six seismic designs, for the majority of the engineering design personnel to deepen understanding, provide reference for different situations to take different measures to achieve the economic design, the purpose of safety.
Keywords: with the conversion layer of high-rise building; seismic design;
中图分类号:[TU208.3]文献标识码A 文章编号
六度抗震地区与非抗震地区在带转换层高层建筑结构设计上的存在区别,不同区域的建筑结构设计,根据抗震等级不同也存在区别,对不同地区进行整体结构概念设计,应避免在实际设计工程中造成不必要的浪费或者安全度偏大,以达到节省建筑工程造价的目的。
一、带转换层结构的设计原则
带转换层建筑结构是一种受力复杂、不利于抗震的结构体系,在结构总体设计时,特别是在抗震设防地区,应遵循的如下原则:
首先,传力直接,避免多次转换。布置转换层上下主体竖向结构时,要尽量使水平转换结构传力直接,通过结构的合理布置,使不落地的剪力墙通过转换托梁直接传给竖向承重构件,尽可能的避免转换次梁及水平多级转换,实现传力路劲的最短化。
其次,强化下部、弱化上部。要保证底部大空间有适宜的刚度、强度、延性和抗震能力,要有意识的强化转换层下部主体结构刚度,弱化转换层上部主体结构的刚度,使得转换层上下部主体结构的刚度及变形特征尽量接近,以避免出现薄弱层。
再次,计算全面准确。必须将转换结构作为整体结构中一个重要组成部分,采用符合实际受力变形状态的正确计算模型进行三维空间整体结构计算分析。采用有限元方法对转换结构进行局部补充计算时,转换结构以上至少取2层结构进入局部计算模型,同时应计及转换层及所有楼盖平面内刚度,计及实际结构三维空间盒子效应,采用比较符合实际边界条件的正确计算模型。
二、建筑结构平面布置
关于建筑物的结构平面布置,仅在《高层建筑混凝土结构技术规程》表4.3. 3中对建筑物在考虑地震作用时的平面长宽比以及局部凹凸进行明确规定;并且在4.3.5条中对建筑的位移比和周期比进行严格的限制。非抗震设计时,由于对周期比没有严格的限制,故在设计转换层以上的小开间住宅部分的竖向构件时,可以只按照竖向构件的承载力进行设计;作抗震设计时,为了使周期比满足规范要求的限值,必须对建筑物周围的竖向构件进行加强处理,这就人为地增大了转换层上部的建筑物结构刚度,也增加了竖向构件的数量或者截面,同时也会引起转换层下部刚度相应增大。
三、建筑结构竖向布置
考虑地震作用下,仅在《高层建筑混凝土结构技术规程》中4.4.2和4.4.3条对建筑物的侧向刚度进行限制,保证建筑物的侧向刚度的连续。4.4.5条对建筑物的竖向收进和外挑进行限制。
(1)底部大空间为1层时,可近似采用转换层上、下层结构等效剪切刚度比γ表示转换层上、下层结构刚度的变化,γ宜接近1,非抗震设计时γ 不应大于3,抗震设计时γ不应大于2。
(2)底部大空间层数大于1层时,其转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比γe宜接近1,非抗震设计时γe不应大于2,抗震设计时γe不应大于1.3。由于转换层结构上部建筑多为住宅,根据建筑住宅使用功能的要求,房间分隔较小且对结构梁高进行限制,故造成上部住宅部分的竖向构件柱子或短肢剪力墙数量较多,梁较密。并且转换层上部住宅部分层高一般比下部大开间的商场部分小得多。这些都是造成转换层上部结构刚度远远大于下部结构刚度的客观原因。为了增加下部结构刚度,只能在适当位置处增加竖向构件或原竖向构件的截面尺寸。上、下部刚度越要求接近,则增加的下部竖向构件越多或者截面越大。
因此,高层建筑转换层结构设计时一定要注意按照转换层所在位置的三种不同情况,分别采用三种不同的控制方法,特别要注意的是当转换层在3 层及3 层以上时,应采用同时满足等效剪切刚度比和楼层侧向刚度比的两个控制条件,才能满足安全的要求。
四、结构构件承载力设计的区别
《高层建筑混凝土结构技术规程》4.7.1 条中规定:无地震作用时,构件承载力设计值大于等于结构作用效应组合的设计值与结构重要性系数的乘值(结构重要性系数的取值在1.~1.1之间);有地震作用组合时,构件承载力设计值大于等于结构作用效应组合的设计值与结构构件承载力抗震调整系数的乘值(结构构件承载力抗震调整系数的取值在1.0~1.33之间)。
以上分析均针对非抗震设计和抗震设计在结构概念设计上的区别,属于确定建筑方案前需要考虑的结构体系对建筑物的总体影响,是非抗震设计和抗震设计在性能设计上的根本区别,需要在建筑方案确定前进行经济综合性比较分析。整体结构概念设计是实现非抗震结构性能经济性设计的根本方向。
五、具体建筑构件单项比较分析
1.框支梁
梁上、下部纵向钢筋的最小配筋率,非抗震设计时不应小于0.30%;抗震设计时,特一、一和二级不应小于0.60%、0.50%和0.40%;加密区箍筋最小面积含箍率在非抗震设计时不应小于0.9ft/f yv;抗震设计时,特一、一和二级不应小于1.3ft/fyv、1.2ft/fyv和1.1ft/fyv。
梁截面高度在抗震设计时不应小于计算跨度的1/ 6,非抗震设计时不应小于计算跨度的1/ 8;框支梁截面组合的最大剪力设计值应符合下列要求:
无地震作用组合时:V≤0.2β cfcbh0;
有地震作用组合时:V≤0. 15β cfcbh0/γRE。
2.框支柱
框支柱截面组合的最大剪力设计值应符合下列要求:无地震作用组合时,V≤0.2β cfcbh0;有地震作用组合时,V≤0.15β cfcbh0/γRE。
柱截面宽度,非抗震设计时不宜小于400mm,抗震设计时不应小于450mm;柱截面高度,非抗震设计时不宜小于框支梁跨度的1/15,抗震设计时不宜小于框支梁跨度的1/12;
非抗震设计时,框支柱宜采用复合螺旋箍或井字复合箍,箍筋体积配箍率不宜小于0.8%,箍筋直径不宜小于10mm,箍筋间距不宜大于150mm。
3.剪力墙
部分框支剪力墙结构,剪力墙底部应加强部位墙体的水平和竖向分布钢筋最小配筋率,抗震设计时不应小于0.3%,非抗震设计时不应小于0.25%;
错层处平面外受力的剪力墙,其截面厚度,非抗震设计时不应小于200mm,抗震设计时不应小于250mm,并均应设置与之垂直的墙肢或扶壁柱;抗震等级应提高一级采用。错层处剪力墙的混凝土强度等级不应低于C30,水平和竖向分布钢筋的配筋率,非抗震设计时不应小于0.3%,抗震设计时不应小于0.5%。
4.一般框架梁、柱、抗震墙
根据对国内外规范最小配筋率取值情况的研究成果,可知各国设计规范梁类构件受拉钢筋最小配筋率取值存在两种体系。
一种是对抗震及非抗震情况取用相同的最小配筋率,如美国、新西兰规范。另一种是对抗震及非抗震情况分别取用大小不同的最小配筋率,如欧共体混凝土结构设计规范EC2 和抗震设计规范EC8。后者非抗震最小配筋率的取值水准比第一种取值体系明显偏低。结合我国现行规范分析如下:
(1)《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)第9.5.1 条规定在非抗震的情况下,钢筋混凝土结构构件中纵向受力钢筋的最小配筋百分率。具体规定如下:①受压构件。全部纵向钢筋最小配筋百分率0. 6%;一侧纵向钢筋最小配筋百分率0.2%。②受弯构件、偏心受拉、轴心受拉构件一侧的受拉钢筋最小配筋百分率0.2和45ft/fy中的较大值。
(2)《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)第6.3.3 条规定在考虑抗震的情况下,梁端截面的底面和顶面纵向钢筋配筋量的比值,除按计算确定外,一级不应小于0.5,二、三级不应小于0.3。《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)第10.2.6 条规定当梁端实际受到部分约束但按简支计算时,应在支座区上部设置纵向构造钢筋,其截面面积不应小于梁跨中下部纵向受力钢筋计算所需截面面积的0. 25。故在非抗震的情况下部分符合该情况的梁局部支座负筋可比考虑抗震时低25%左右。
(3)《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)第6.3.8.1 条规定在考虑抗震的情况下,根据抗震等级的不同,中柱和边柱截面纵向钢筋的最小总配筋率由0. 6%逐步递增到1.0%;角柱、框支柱截面纵向钢筋的最小总配筋率由0.8%逐步递增到1.2%。故在非抗震的情况下,当柱截面配筋均为构造配筋时,柱截面纵向钢筋仅为考虑抗震时的50%~75%左右。
(4)《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)第6.4.3 条规定在考虑抗震的情况下,一、二、三级抗震墙的竖向和横向分布钢筋最小配筋率不应小于0.25%;四级抗震墙不应小于0.20%。故当剪力墙竖向和横向配筋均为构造配筋时,在非抗震的情况下的剪力墙配筋与四级情况下的剪力墙配筋相同,但仅为考虑地震作用时一、二、三级剪力墙配筋的80%左右。
关键词:砌体结构;概念设计;构造措施
1、建筑设计
1.1设计应符合抗震概念设计要求
平面不规则的建筑由于平面上质量和刚度中心偏移距离较大,而在地震中产生较大的扭转变形。地震作用计算一般采用底部剪力法,此法的前提是以剪切变形为主、且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构;竖向不规则的建筑、竖向抗侧力构件不连续,将影响水平力的传递途径,引起水平力的重分配和应力集中。2008年5月12日的汶川大地震就有力地诠释了这个概念:平面规则的建筑破坏相对较小,而那些平面不规则的如H型、L型、T型、回型等建筑破坏相对较大。
1.2设计应严格控制房屋高度、层数和层高
《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)第7.1.2条明确规定了各种设防烈度下房屋的层数和总高度限值。经过对多栋建筑(8烈度设防)抗震计算结果分析可知总高度和层数接近或达到抗震规范表7.1.2规定的限值时,不但横墙的间距、洞口的尺寸、窗间墙等都远大于本规范的限值,而且构造柱的设置数量远大于本规范的构造规定。即使计算能通过,建筑造价也要大幅增加。同样,抗震规范表7.1.5规定了砌体房屋的层高限值,若超过了限值则要通过一系列措施来加强,如增加墙的厚度、加密构造柱等,无形中增加了很多造价。因此,建筑方案设计时应尽量避免房屋的高度、层数和层高接近、达到或超过抗震规范规定的限值。
1.3控制房屋的高宽比和房屋中砌体墙段的局部尺寸
房屋的高宽较大时,在水平力作用下,建筑的变形中不仅有剪切变形,而且产生较大的整体弯曲变形,与底部剪力法的计算假定条件不符,计算结果可想而知。依据有关资料,多层砌体房屋一般可以不做整体变曲验算,但为了保证房屋的稳定性,在设计中一定要控制建筑的高宽比。
墙体是多层砌体房屋最基本的承重构件和抗侧力构件,地震时房屋的倒塌往往是从墙体破坏开始的。应保证房屋的各道墙体能同时发挥它们的最大抗剪强度,并避免由于个别墙段抗震强度不足首先破坏,导致逐个破坏进而造成整栋房屋的破坏甚至倒塌。抗震规范第7.1.6条明确对房屋中砌体墙段的局部尺寸作了详细的限值规定,这一条与地震剪力的分配密切相关。抗震规范第7.2.3条明确了墙段的高宽比对刚度计算的影响,如高宽比较大时,等效侧向刚度取0,在抵抗地震作用时,不能发挥作用。同样,在设计时必须注意洞口的大小和布置,避免形成许多高宽比较大的墙垛,影响墙体的侧向刚度。
1.4合理设置砌体房屋的变形缝、楼梯间并采用合理的结构体系
为防止或减轻砌体房屋在正常使用条件下,由温差和砌体干缩引起墙体竖向裂缝,应在墙体中设置伸缩缝,设置条件详见《砌体结构设计规范》(GB50003-2011)第6.3.1条;当建筑物高度差异或荷载差异较大时,应设置沉降缝将其分开,以适应结构竖向沉降变形,沉降缝的设置详见《建筑地基基础设计规范》(GB5007-2011)第7.3.1、7.3.2条;在软弱地基上建设时,还要符合第7.4.3条对建筑长高比的限值。如果是在抗震设防区,需要设置沉降缝时,应符合《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)的相关要求。
《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)第7.1.7条明确规定:为保证房屋抗震能力,多层砌体的纵横向墙体数量不宜相差过大,在房屋宽度的中部应设有内纵墙且多道内纵墙开洞后累计长度≥房屋纵向长度的60%;避免采用混凝土墙与砌体墙混合称重的体系,防止不同材料性能的墙体各个被击破;房屋转角处不应设窗,避免局部破坏严重。
2、结构设计
2.1设计说明
首先依据《建筑结构可靠设计统一标准》(GB50068-2001)确定建筑的设计使用年限;按照《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)第3.4.1条明确钢筋混凝土构件的环境类别;建筑结构的安全等级应根据《砌体结构设计规范》(GB5003-2011)第4.1.4条选用。对抗震设防区的结构设计,还须参照现行国家标准《建筑抗震设防分类标准区分建筑抗震设防类别》(GB50223-2008)。为了能准确采用块体和砂浆的强度等级,应注明砌体的施工质量控制等级;为了能合理地对地基基础进行设计,应注明地基基础设计等级。
2.2材料选用
《砌体结构设计规范》(GB50003-2011)对材料的等级进行了调整,如取消了MU7.5烧结普通砖等;《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)第3.4.2~3.4.6条的规定限制了在各种环境类别和设计使用年限建筑应采用的混凝土等级及其它要求。如在抗震设防区须同时满足《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)第3.9.2~3.9.3条中对混凝土结构材料的要求,如混凝土的强度等级中框支梁、框支柱及抗震等级为一级的框架梁、柱、节点核芯区不应低于C30;构造柱、芯柱、圈梁及其他类构建不应低于C20等。
2.3抗震设计
由于墙体材料为脆性和整体性能差,使得砌体房屋的抗震性能相对较低。因此,抗震设计尤其重要。2008年5月12日的汶川大地震表明,严格按照现行规范进行设计、施工和使用的建筑,在遭遇比当地设防烈度高一度的地震作用下,没有出现倒塌破坏,有效地保护了人民的生命安全。进行抗震设计时,多层砌体房屋只要符合现行有关规范,可采用底部剪力法进行抗震计算。
采用经过批准使用的软件进行计算,其计算过程和结果不用怀疑。在计算通不过时应从两方面进行调查:其一,检查方案是否合理,即平面竖向是否规则、墙体水平和纵向错位是否较多、窗间墙是否满足等情况;在底部大开间的商住楼设计中还发现由于洞口过多、过大超出《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)第7.3.14条第3款的限值,出现大量高宽比大于1的砌体墙段,这样墙体的抗侧向刚度必然减小,影响结构的抗震性能,此时应与建筑结构设计者协商变更方案。其二,经过建筑方案的调整抗震计算仍通不过时依然不能仅考虑增加墙厚和增设构造柱来调整,这样工程造价会增加过多。因此可以考虑在抗侧移能力较弱的方向设配筋砌体或将部分墙段由砌体改为钢筋混凝土,即增加部分剪力墙。
2.4构造措施
在抗震设防地区,为了增强房屋的整体性,提高房屋的抗震能力,结构设计时应严格按照《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)第7.3节的多层砖砌体房抗震构造措施进行抗震设计。由于钢筋混凝土构造柱的作用主要在于对墙体的约束,构造柱截面不必很大,但须与各层纵横墙的圈梁或现浇楼板连接,才能发挥约束作用。现浇楼板允许不设圈梁,楼板内须有足够的沿墙体周边加强钢筋(一般2φ10或2φ12)伸入构造柱内并满足锚固要求。构造柱和圈梁等延性构件的设置,对整个砌体房屋而言,承载力提高不多,而变形能力和耗能能力却大大增加。这样可以大大提高砌体房屋的抗倒塌能力,改善砌体结构的抗震性能。
参考文献:
关键词:梁柱节点,抗剪承载力,梁端加腋
如果说 “强柱弱梁,强剪弱弯”是提高结构变形能力的设计精髓,那么节点核心区截面抗震受剪承载力验算就是实现“强节点弱构件”的关键,也是建筑结构抗倒塌能力的关键。节点域内抗剪设计不足,遇到地震时会造成剪切破坏,属于脆性破坏,无征兆,致使建筑物瞬间垮塌。
根据建筑功能需要布置结构时,当遇到高层办公室或公寓等开间要求高的建筑,一般无法采用纯剪力墙,而是采用框架结构以及较为灵活的框架―剪力墙结构。框架结构在高层建筑因荷载关系,轴压比限制下结构柱截面较大;框剪结构由于剪力墙无法灵活布置,第一道防线较为薄弱,则第二道防线框架的竖向构件的结构柱截面也不会很小。当抗震等级为一、二级时,如结构梁截面宽度也为了满足建筑要求设置得较小时,通常无法很好约束结构柱,导致梁柱节点区抗剪承载力计算不通过。
以广州(7度区)某处的公寓式住宅楼为例。该工程为32层总高99m的框架―剪力墙结构,框架抗震等级为二级。因超长设置了抗震缝,其中分缝右边单体标准层局部结构布置如下:
上图中,结构柱截面边长1350mm,框架梁250mmx700mm,上机电算结构显示1-A轴的结构梁柱节点核心区抗剪不足。
由《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010的附录D 框架梁柱节点核芯区组合的剪力设计值,应符合下列要求:
Vj≤(0.3η jfcbjhj)/rRe
框架梁柱节点核芯区组合的截面抗震验算则符合以下公式要求:
由上面公式可知,影响框架梁柱节点核心区抗剪承载力的主要因素是核心区截面的有效验算宽度bj及梁的约束影响系数ηj,而bj和ηj都是跟梁柱截面的宽度有关。由于框架柱截面面积比较大,当结构梁截面宽度受限取值较小时,bj和ηj的也会相应较小,节点核心区抗剪承载力不足。
为了加大bj和ηj,我们考虑了以下措施:
1.加大框架梁的截面宽度。加大结构梁截面宽度是最有效的措施,但对建筑美观性要求有所降低,同时结构梁全截面加大造价也会相应提高;
2.梁端设置水平加腋。在框架梁的端部设置水平加腋,以加大框架梁对两柱节点约束宽度,满足规范对框架梁柱节点核心区的抗剪承载力验算要求。采用此方法结构设计及施工复杂,但只是框架的端部截面增大,对建筑的影响小,造价也不会提高很多,经济性指标好。
3.加强节点区域。类似无梁楼盖的柱帽做法,把节点位置包大。该做法比水平加腋更复杂些,经济性也不及水平加腋。
当然提高混凝土强度等级也是一个方法。当梁柱砼相差超过两个等级时应分开浇捣,隔网在施工时容易出现问题。
综合分析以上几点,最后选择了在结构梁的梁端部设置水平加腋,做法如下图:
计算显示梁柱节点区抗剪承载力通过。由上面分析及计算得知,梁水平加腋是提高梁柱节点区抗剪承载力而不影响建筑、不过多增加造价的较好方法。
依据《建筑抗震设计规范》,节点核心区是保证框架承载力和抗倒塌能力的关键部位,《混凝土结构设计规范》也对节点核心区做了明确规定。在结构设计中针对规范中的抗震验算规定进行验算,当验算不满足规范要求时,宜先检查η j 正交梁的约束影响系数是否正确,再针对fc、bj、 hj 进行合理调整,如提高砼强度等级标号,增加节点域面积,能够有效提高抗剪承载力,直到满足规范要求。
参考文献:
【1】《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010
【2】《混凝土结构设计规范》 GB50010-2010
关键词:抗震设计;计算方法;基于性能
Abstract: earthquake has the characteristics of sudden, forecast is still very low. Earthquake disaster is one of severe natural disasters human beings are facing. Our country two seismic zone in the middle, ring the Pacific seismic zone in the east, west of the Mediterranean - Himalayan seismic belt, is one of the earthquake more countries in the world. So the seismic performance of structures in our country has full of necessity.
Key words: seismic design; Calculation method; Based on the performance
中图分类: TU973+.31 文献标识码:A 文章编号:
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。
二、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,我国《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。
三、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。
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。
结构应采取的构造措施,对于多层砌体结构,在构造上应采取设置构造柱、在砌体内配置横向和竖向钢筋等措施。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。
四、基于性能的抗震设计
按现行的以保障生命安全为基本目标的抗震设计规范所设计和建造的建筑物,在地震中虽然可以避免倒塌,但其破坏却造成了严重的直接和间接经济损失,甚至影响到社会和经济的可持续发展。这些破坏和损失远超出了设计者、建造者和业主原先的估计。
为了强化结构抗震的安全目标和提高结构抗震的功能要求,提出了基于性能的抗震设计思想和方法。结构基于性能抗震设计通常采用的方法为非线性时程分析法与非线性静力分析法。非线性时程分析法从建立在层模型到建立在截面多弹簧模型上的方法,再到当前正在研究发展的建立在截面纤维滞回本构关系的纤维模型法,准确程度正在不断提高。基本思路是通过适当数值方法建立和求解动力方程,从而得到结构各个时刻的反应量。非线性静力分析法,从本质上说是一种静力非线性计算方法,先以某种方法求得结构在地震作用下所对应的目标位移,然后在对结构施加竖向荷载的同时,将表征地震作用的水平静力荷载以单调递增的形式作用到结构上,在达到目标位移时停止荷载递增,最后再对结构进行抗震性能评估,判断结构是否可满足在水平地震作用下功能需求。
基于性能的抗震设计与传统的抗震思想相比具有以下特点:(1)从着眼于单体抗震设防转向同时考虑单体工程和所相关系统的抗震。(2)将抗震设计以保障人民的生命安全为基本目标转变为在不同风险水平的地震作用下满足不同的性能目标,即将统一的设防标准改变为满足不同性能要求的更合理的设防目标和标准。(3)设计人员可根据业主的要求,通过费用—效应的工程决策分析确定最优的设防标准和设计方案,以满足不同业主、不同建筑物的不同抗震要求。
五、结束语
我国在学习借鉴世界其他各国抗震研究成果的基础上,逐渐形成了自己的一套较为先进的抗震设计思路。其中大部分内容都符合现代抗震设计理念,但是也有许多考虑欠妥的地方。我国的抗震设计思路应该在完善自身不足的同时,不断向前发展。
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