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摘要:当前建筑结构的抗震设计越来越受到国内工程界的普遍重视,对于一般的建筑结构来说,采用基于性能抗震设计的方法,既可以提高建筑结构的牢固性,也能有效避免抗震安全隐患。本文对建筑结构的抗震设计和和抗震构造措施进行了简单探讨。
关键词:建筑结构;抗震设计;措施;建议;
中图分类号:TU2文献标识码: A
1、抗震设计的基本原则
建筑物抗震设计的基本要求是减轻建筑物在地震时的破坏,避免人员伤亡,减少经济损失。我国贯彻“小震不坏,中震可修,大震不倒”的原则。所谓“小震不坏”,即是指当遭受低于本地区抗震设防烈度的多次地震(50年内地震概率约为63%)时,一般不损坏或不需要修理可继续使用,所谓“中震可修”,是指当遭受相当于本地区抗震设计烈度的影响(50年内约为l0%的烈度,即达到中国地震烈度区划图规定的地层基本烈度,或新修订的中国地震参数区划图规定的加速度)时,可能损坏,经一般修理或不需要修理仍可继续使用,所谓“大震不倒”,是指当遭受高于本地区抗震设防烈度预估的罕遇地震影响(50年超越概率2%~3%的烈度)时,不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。抗震设计的指导思想为:选择对抗震有利的场地和地基;建筑体型简单,刚度和质量分布均匀;保证结构整体性连接可靠并具有延性;选择经济合理的抗震结构方案;减轻建筑物自重,降低其重心高度;尽量避免设计地震时易倒、易脱落的女儿墙、挑槽等装饰构件。抗震设计烈度为6度及6度以上地区的建筑,必须进行抗震设防。
2、建筑结构基于性能的抗震设计方法
2.1、性能抗震设计阶段
2.1.1、概念设计。根据用途和业主的要求,合理确定设防目标,通过场地、建筑平面等进行初步设计。
2.1.2、计算设计。根据预定的设防目标,计算出能影响各类因素的抗震参数,参数与预定目标不符要及时修改,直至满足参数需求。以基于位移的抗震性能设计为例,主要包括步骤有确定不同强度地震作用下性能目标;根据初步设计,确定结构内的位移的极限值;通过等效阻尼比等各类等效数值,确定等效刚度;设计采用必需的构造措施;评价结构强度要求和变形能力。以严谨、科学、合理的态度进行评估,如计算阶段有不符合,则需重复计算设计步骤,以不断完善结构设计。
2.1.3、性能评估。通过各类的分析法得出设计结果来确定该建筑结构的性能。
2.2、性能抗震设计方法
目前大致主要有:位移影响系数、能力谱、直接位移设计等方法。
2.2.1、位移影响系数法。基于結构性能设计方法,通过分析得出的最大期望
位移值,利用等效方法、模态进行确定。以达到此系数的修正作用。此方法还存在着由于它是整体抗震评估方法,无法具体体现主要结构、楼层的损坏情况与抗震水准等问题。
2.2.2、能力谱法。1975年被提出,随后不断改进。能力谱设计是将能力谱曲线与地震反应谱转化而来的需求谱,进行比较来评估其抗震性能。此方法侧重对结构的实际性能进行验算、评估。另外,能力谱设计法比较适用于平面结构可简化且分布较均匀的结构,否将会产生不小的误差。
2.2.3、直接位移设计法。侧重于结构性能设计,概念简单,根据地震等级来预期位移计算,使结构达到预定位移。此方法也存在着只能从建筑结构材料的极限变化得到数值,而不能考虑到预期以外的强震效应的不足。
3、抗震构造措施
为提高建筑物的抗震性能,有必要采取一定的构造措施。一般有设置防震缝、设构造柱、设圈梁、加强建筑物的整体性等构造措施。具体设置条件及构造如下。
3.1、设置防震缝
在地震区,当建筑物立面高差在6m以上,或建筑物有错层,或楼板错层高差较大,或建筑物各部分的结构刚度、重量相差悬殊时,应设防震缝将建筑物分为若干体型简单、结构刚度均匀的独立单元,以减轻地震时建筑物的破坏程度。防震缝一般仅在基础以上设置,宽度通常取50~100mm。然而根据近年来现场地震损害的房屋破坏来看,逐渐有专家提出在不同情况下不要随便使用防震缝措施,也就是说要根据实际情况出发,根据实际工程看是否适宜设置防震缝,而不是一看到建筑的体型不规则就一味的随便设置防震缝。
3.2、设置构造柱
构造柱是为了加强砌块建筑的整体高度、提高抗震能力而设置的。8度设计时构造柱一般设在建筑物的四角、内外墙交接处,楼梯间、电梯间以及某些较长的墙体中部等位置处,构造柱必须与圈梁及墙体紧密连接,一起形成空间骨架,从而增强建筑物的刚度,提高了墙体的应变能力,使墙体由脆性变为延性较好的结构,做到裂而不倒。施工时必须先砌墙,随着墙体的上升而逐段现浇钢筋混凝土柱身。构造柱下端应锚固于钢筋混凝土基础或基础梁内,柱截面应不小于180mm×240mm,主筋一般采用4×412mm,箍筋间距不大于250mm,墙与柱之间应沿墙高每500mm设2X46mm钢筋连接,每边伸入墙内不少于1m。
3.3、设量圈梁
圈梁又称腰箍、是沿外墙四周及部分内横墙设置的连续闭合的梁。圈梁配合楼板的作用可提高建筑物的空间刚度及整体性,增强墙体的稳定性,减少由于地基不均匀沉降而引起的墙身开裂,对抗震设防地区,利用圈梁加固墙身更显得必要。圈梁有钢筋砖圈梁和钢筋混凝土圈梁两种。钢筋砖圈梁多用于非抗震地区;钢筋混凝土圈梁其宽度通常与墙同厚,高度一般不少于120mm,常见的有180mm、240mm,其最小截面为240mm×120mm。这种圈梁是在楼层标高的墙身上,在砌体灰缝中加入钢筋,钢筋水泥间距不宜大于120mm,砂浆强度等级不宜低于M5,钢筋应分上、下两层布置。当遇到门、窗洞孔致使圈梁不能闭合时,应在洞口上部或下部设置一道不小于圈梁截面的附加圈梁。附加圈梁与圈梁的搭接长度不小于圈梁和附加圈梁垂直距离的2倍,也不小于1m。对于抗震设防地区,圈粱应完全闭合,不得被洞口所截断。
3.4、壁柱、门垛
当墙体的窗间墙上出现集中荷载,而墙厚又不足以承受其荷载时;或当墙体的长度和高度超过一定限度并影响墙体稳定性时(图1),常在墙身局部适当位置增设凸出墙面的壁柱以提高墙体刚度。壁柱突出墙面的尺寸一般为120mm×370mm、240mm×370mm、240mm×490mm等。凡在墙上开设门洞且门洞开在两墙转角处或丁字墙交接处时,为了便于门框的安装和保证墙体的承载能力及稳定性,应在门靠墙的转角部位或丁字交接的一边设置门垛。门垛尺寸不应小于10mm。
图1壁柱
3.5、对提高建筑结构抗震能力的建议
为了有效提高建筑结构抗震能力,需从以下几方面着手:首先,要合理的布局地震外力能量的传递吸收途径,保证支柱、墙和梁的轴线处于同一平面,从而形成构件双向抗侧力体系。使其在地震作用下呈弯剪破坏,并且塑性屈服尽量产生在墙的底部。而连梁宜在梁端塑性屈服,还有足够的变形能力。在墙段充分发挥抗震作用前,按照“强墙弱梁”的原则加强墙肢的承载力,避免墙肢的剪切破坏,提高建筑结构的抗震能力。其次,要按照抗震等级对梁、柱以及墙的节点采取相应的抗震构造措施确保建筑结构在地震作用下达到三个水准的设防标准。为了保证钢筋砼结构在地震作用下具有足够的延性和承载力,应按照“强剪弱弯”、“强柱弱梁”、“强节点弱构件”的原则进行设计,合理地选择柱截面尺寸,控制柱的轴压比,注意构造配筋要求,尤其是要加强节点的构造措施。最后,要设置多道抗震防线,即在一个抗震结构体系中,一部分延性好的构件在地震作用下,首先达到屈服,担负起第一道抗震防线的作用,其他构件则在第一道抗震防线屈服后才依次屈服,从而形成第二、第三或更多道抗震防线,这样的结构体系对保证结构的抗震安全性是非常有效的。
结语
要保证建筑结构抗震设计的高效完成,应当在遵循相关规范要求的原则上,对其进行科学合理的设计,使建筑物具有可靠的抗震性能。要以结构性能分析为基础,建筑物的性能目标以全面、科学的因素来确定,使建筑物在面对不同等级的地震时能够达到预期的抗震目标。
参考文献
[1]邹昀,吕西林.基于结构性能的抗震设计理论与方法[J].工业建筑.2006,36(9).
[2]倪广林.对建筑结构抗震设计的若干思考[J].山西建筑,2010,(09).
[3]陈育新.当前形势下的建筑结构抗震设计探讨[J].四川建材,2010,(04).
关键词:建筑结构;抗震设计;措施;建议;
中图分类号:TU2文献标识码: A
1、抗震设计的基本原则
建筑物抗震设计的基本要求是减轻建筑物在地震时的破坏,避免人员伤亡,减少经济损失。我国贯彻“小震不坏,中震可修,大震不倒”的原则。所谓“小震不坏”,即是指当遭受低于本地区抗震设防烈度的多次地震(50年内地震概率约为63%)时,一般不损坏或不需要修理可继续使用,所谓“中震可修”,是指当遭受相当于本地区抗震设计烈度的影响(50年内约为l0%的烈度,即达到中国地震烈度区划图规定的地层基本烈度,或新修订的中国地震参数区划图规定的加速度)时,可能损坏,经一般修理或不需要修理仍可继续使用,所谓“大震不倒”,是指当遭受高于本地区抗震设防烈度预估的罕遇地震影响(50年超越概率2%~3%的烈度)时,不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。抗震设计的指导思想为:选择对抗震有利的场地和地基;建筑体型简单,刚度和质量分布均匀;保证结构整体性连接可靠并具有延性;选择经济合理的抗震结构方案;减轻建筑物自重,降低其重心高度;尽量避免设计地震时易倒、易脱落的女儿墙、挑槽等装饰构件。抗震设计烈度为6度及6度以上地区的建筑,必须进行抗震设防。
2、建筑结构基于性能的抗震设计方法
2.1、性能抗震设计阶段
2.1.1、概念设计。根据用途和业主的要求,合理确定设防目标,通过场地、建筑平面等进行初步设计。
2.1.2、计算设计。根据预定的设防目标,计算出能影响各类因素的抗震参数,参数与预定目标不符要及时修改,直至满足参数需求。以基于位移的抗震性能设计为例,主要包括步骤有确定不同强度地震作用下性能目标;根据初步设计,确定结构内的位移的极限值;通过等效阻尼比等各类等效数值,确定等效刚度;设计采用必需的构造措施;评价结构强度要求和变形能力。以严谨、科学、合理的态度进行评估,如计算阶段有不符合,则需重复计算设计步骤,以不断完善结构设计。
2.1.3、性能评估。通过各类的分析法得出设计结果来确定该建筑结构的性能。
2.2、性能抗震设计方法
目前大致主要有:位移影响系数、能力谱、直接位移设计等方法。
2.2.1、位移影响系数法。基于結构性能设计方法,通过分析得出的最大期望
位移值,利用等效方法、模态进行确定。以达到此系数的修正作用。此方法还存在着由于它是整体抗震评估方法,无法具体体现主要结构、楼层的损坏情况与抗震水准等问题。
2.2.2、能力谱法。1975年被提出,随后不断改进。能力谱设计是将能力谱曲线与地震反应谱转化而来的需求谱,进行比较来评估其抗震性能。此方法侧重对结构的实际性能进行验算、评估。另外,能力谱设计法比较适用于平面结构可简化且分布较均匀的结构,否将会产生不小的误差。
2.2.3、直接位移设计法。侧重于结构性能设计,概念简单,根据地震等级来预期位移计算,使结构达到预定位移。此方法也存在着只能从建筑结构材料的极限变化得到数值,而不能考虑到预期以外的强震效应的不足。
3、抗震构造措施
为提高建筑物的抗震性能,有必要采取一定的构造措施。一般有设置防震缝、设构造柱、设圈梁、加强建筑物的整体性等构造措施。具体设置条件及构造如下。
3.1、设置防震缝
在地震区,当建筑物立面高差在6m以上,或建筑物有错层,或楼板错层高差较大,或建筑物各部分的结构刚度、重量相差悬殊时,应设防震缝将建筑物分为若干体型简单、结构刚度均匀的独立单元,以减轻地震时建筑物的破坏程度。防震缝一般仅在基础以上设置,宽度通常取50~100mm。然而根据近年来现场地震损害的房屋破坏来看,逐渐有专家提出在不同情况下不要随便使用防震缝措施,也就是说要根据实际情况出发,根据实际工程看是否适宜设置防震缝,而不是一看到建筑的体型不规则就一味的随便设置防震缝。
3.2、设置构造柱
构造柱是为了加强砌块建筑的整体高度、提高抗震能力而设置的。8度设计时构造柱一般设在建筑物的四角、内外墙交接处,楼梯间、电梯间以及某些较长的墙体中部等位置处,构造柱必须与圈梁及墙体紧密连接,一起形成空间骨架,从而增强建筑物的刚度,提高了墙体的应变能力,使墙体由脆性变为延性较好的结构,做到裂而不倒。施工时必须先砌墙,随着墙体的上升而逐段现浇钢筋混凝土柱身。构造柱下端应锚固于钢筋混凝土基础或基础梁内,柱截面应不小于180mm×240mm,主筋一般采用4×412mm,箍筋间距不大于250mm,墙与柱之间应沿墙高每500mm设2X46mm钢筋连接,每边伸入墙内不少于1m。
3.3、设量圈梁
圈梁又称腰箍、是沿外墙四周及部分内横墙设置的连续闭合的梁。圈梁配合楼板的作用可提高建筑物的空间刚度及整体性,增强墙体的稳定性,减少由于地基不均匀沉降而引起的墙身开裂,对抗震设防地区,利用圈梁加固墙身更显得必要。圈梁有钢筋砖圈梁和钢筋混凝土圈梁两种。钢筋砖圈梁多用于非抗震地区;钢筋混凝土圈梁其宽度通常与墙同厚,高度一般不少于120mm,常见的有180mm、240mm,其最小截面为240mm×120mm。这种圈梁是在楼层标高的墙身上,在砌体灰缝中加入钢筋,钢筋水泥间距不宜大于120mm,砂浆强度等级不宜低于M5,钢筋应分上、下两层布置。当遇到门、窗洞孔致使圈梁不能闭合时,应在洞口上部或下部设置一道不小于圈梁截面的附加圈梁。附加圈梁与圈梁的搭接长度不小于圈梁和附加圈梁垂直距离的2倍,也不小于1m。对于抗震设防地区,圈粱应完全闭合,不得被洞口所截断。
3.4、壁柱、门垛
当墙体的窗间墙上出现集中荷载,而墙厚又不足以承受其荷载时;或当墙体的长度和高度超过一定限度并影响墙体稳定性时(图1),常在墙身局部适当位置增设凸出墙面的壁柱以提高墙体刚度。壁柱突出墙面的尺寸一般为120mm×370mm、240mm×370mm、240mm×490mm等。凡在墙上开设门洞且门洞开在两墙转角处或丁字墙交接处时,为了便于门框的安装和保证墙体的承载能力及稳定性,应在门靠墙的转角部位或丁字交接的一边设置门垛。门垛尺寸不应小于10mm。
图1壁柱
3.5、对提高建筑结构抗震能力的建议
为了有效提高建筑结构抗震能力,需从以下几方面着手:首先,要合理的布局地震外力能量的传递吸收途径,保证支柱、墙和梁的轴线处于同一平面,从而形成构件双向抗侧力体系。使其在地震作用下呈弯剪破坏,并且塑性屈服尽量产生在墙的底部。而连梁宜在梁端塑性屈服,还有足够的变形能力。在墙段充分发挥抗震作用前,按照“强墙弱梁”的原则加强墙肢的承载力,避免墙肢的剪切破坏,提高建筑结构的抗震能力。其次,要按照抗震等级对梁、柱以及墙的节点采取相应的抗震构造措施确保建筑结构在地震作用下达到三个水准的设防标准。为了保证钢筋砼结构在地震作用下具有足够的延性和承载力,应按照“强剪弱弯”、“强柱弱梁”、“强节点弱构件”的原则进行设计,合理地选择柱截面尺寸,控制柱的轴压比,注意构造配筋要求,尤其是要加强节点的构造措施。最后,要设置多道抗震防线,即在一个抗震结构体系中,一部分延性好的构件在地震作用下,首先达到屈服,担负起第一道抗震防线的作用,其他构件则在第一道抗震防线屈服后才依次屈服,从而形成第二、第三或更多道抗震防线,这样的结构体系对保证结构的抗震安全性是非常有效的。
结语
要保证建筑结构抗震设计的高效完成,应当在遵循相关规范要求的原则上,对其进行科学合理的设计,使建筑物具有可靠的抗震性能。要以结构性能分析为基础,建筑物的性能目标以全面、科学的因素来确定,使建筑物在面对不同等级的地震时能够达到预期的抗震目标。
参考文献
[1]邹昀,吕西林.基于结构性能的抗震设计理论与方法[J].工业建筑.2006,36(9).
[2]倪广林.对建筑结构抗震设计的若干思考[J].山西建筑,2010,(09).
[3]陈育新.当前形势下的建筑结构抗震设计探讨[J].四川建材,2010,(04).