建筑结构抗震的设计

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[摘 要]根据作者多年经验,下文结合建筑结构本身的性质和地震的特点,结构抗震设计是由于概念设计、计算设计和构造措施等阐述,并强调概念设计是对抗震设计的宏观控制,进而分析了概念设计的一些问题.

[关 键 词]结构抗震概念设计内容

通常建筑物本身是一个庞大而又复杂的系统,各种构件以相当复杂的方式共同工作,在遭受地震作用后它的破坏机理和破坏过程相应的都十分复杂.由于地震作用的随机性、不确定性和复杂性,结构计算模型的基本假定与实际情况的差异,在结构分析方面不能充分考虑结构的空间作用、非弹性性质、材料时效、阻尼变化等多种因素,要准确预测结构所遭遇地震的特性和参数是很难做到的,即存在着不确定性.

因此,建筑结构工程抗震设计问题中,不是完全依赖结构抗震计算设计解决,应立足于工程抗震基本理论和长期工程抗震经验总结的工程抗震基本概念,从结构抗震概念设计的角度,遵循结构的破坏过程和破坏机理,着眼于结构的总体地震反应,灵活运用抗震设计准则,全面合理地解决结构抗震设计中的基本问题,最终提高结构的抗震能力.

一、建筑结构抗震设计的内容

根据《建筑结构抗震规范》条文里明确提出：“结构抗震设计性能的决定因素是良好的概念设计”.由概念设计是指依靠设计者的知识和经验,运用思维和判断正确地的决定结构的总体方案和细部构造,做到合理的抗震设计；由计算设计是仅靠计算分析得出的数据进行的抗震设计（也称为数值设计）；由抗震构造措施是指根据抗震概念设计原则,一般不需要计算而对结构和非结构各部分必须采取的各种细部要求,以保证形成塑性铰的部位具有足够的塑性变形能力和塑性耗能能力,同时保证结构的整体性.

概念设计与计算设计之间存在着辩证逻辑关系.概念设计不仅弥补了计算设计的一些不足,使计算设计的结果尽可能地反映结构的实际地震反应,同时概念设计对计算设计提出了更高的要求,从而促进了计算方法和计算手段（比如三维空间分析、弹塑性时程分析等）的不断发展,而且也使概念设计的某些内容能够通过计算设计来体现.当然计算方法和计算手段的发展,也深化了概念设计.正是概念设计与计算设计之间的这种关系,促使了结构抗震设计水平的不断提高和发展.

在结构抗震设计中概念设计、计算设计和抗震构造措施应当有效地融合.针对传统设计将规范或规程中规定的功能指标作为归宿,一旦计算或验算满足设计即宣告设计的完成,而对结构的实际工作性能及结构的破坏过程、破坏模式等无法预期,应当变被动设计为主动设计,即将结构物的功能作为起点和控制的目标,反过来对结构物提出各种要求,从而克服盲目性,提高设计的自觉性.因此,结构抗震设计本身就是概念设计的具体表现,但同时它又不仅仅只是概念设计,它是一套完整的设计理念、计算方法和设计构造,即是概念设计、计算设计与构造措施的融合.

二、概念设计的内容

造成建筑物震害的原因是多方面的,针对各方面的原因,概念设计主要包括以下几个方面的内容.

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.对建筑抗震不利的地段,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.

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.

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.

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.

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.

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.

总之,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,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.