浅析建筑结构设计中的抗震设计

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 浅析建筑结构设计中的抗震设计 摘要：针对目前建筑结构设计当 中墨守成规的现象，提倡采用概念设计 思想来促进结构工程师的创造性，推动 结构设计的发展。工程技术人员在建筑、 结构设计过程中必须充分运用抗震概念 设计的优化准则及其相应的构造措施， 确保工程质量。 中国论文网 /2/view-12895416.htm 关键词：建筑结构;抗震设计 Abstract: in view of the current structure design rules of the phenomenon, advocated by the conceptual design ideas to promote the structural engineers creative, and promote the development of the structure design. Engineering and -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 technical personnel in the construction, structure design process we must make good use of the optimization of the anti- seismic concept design rules and the corresponding structural measures, to ensure the quality of the project. Keywords: building structure “; Seismic design 中图分类号：TU973+.31 文献 标识码：A 文章编号： 引言：建筑设计是否考虑抗震 要求，从总体上起着直接的控制主导作 用。结构设计很难对建筑设计有较大的 修改，建筑设计定了，结构设计原则上 只能是服从于建筑设计的要求。如果建 筑师能在建筑方案、初步设计阶段中较 好地考虑抗震的要求，则结构工程师就 可以对结构构件系统进行合理的布置， 建筑结构的质量和刚度分布以及相应产 生的地震作用和结构受力与变形比较均 匀协调，使建筑结构的抗震性能和抗震 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 承载力得到较大的改善和提高；如果建 筑师提供的建筑设计没有很好地考虑抗 震要求，那就会给结构的抗震设计带来 较多困难，使结构的抗震布置和设计受 到建筑布置的限制，甚至造成设计的不 合理。有时为了提高结构构件的抗震承 载力，不得不增大构件的截面或配筋用 量，造成不必要的投资浪费。由此可见， 建筑设计是否考虑抗震要求，对整个建 筑起着很重要的作用。 1 概念设计的定义 我国结构计算理论经历了经验 估算、容许应力法、破损阶段计算、极 限状态计算，到目前普遍采用的概率极 限状态理论等阶段。现行的建筑结构 可靠度设计统一标准 （GB50068- 2001）则采用以概率理论为基础的结构 极限状态设计准则，以使建筑结构的设 计得以符合技术先进、经济合理、安全 适用的原则。概率极限状态设计法更科 学、更合理，但该法在运算过程中还带 有一定程度近似，只能视作近似概率法， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 并且仅凭极限状态设计也很难估算建筑 物的真正承载力。事实上，建筑物是一 个空间结构，各种构件以相当复杂的方 式共同工作，并非是脱离结构体系的单 独构件。 结构设计分为理论设计和概念 设计理论设计是结构工程师根据计算理 论和规范，在对结构进行计算模型的假 设及受力状态的假定的前提下，对结构 进行计算分析，得出数据式的结果，然 后利用结果进行设计。概念设计是指不 经数值计算，尤其在一些难以做出精确 理性分析或在规范中难以规定的问题中， 依据整体结构体系与分体系之间的力学 关系、结构破坏机理、震害、试验现象 和工程经验所获得的基本设计原则和设 计思想，从整体的角度来确定建筑结构 的总体布置和抗震细部措施的宏观控制。 在建筑设计的方案阶段，从总体出发， 采用概念性近似计算方法，能迅速、有 效地对结构体系进行构思、比较和选择。 这种方法虽有一定误差，但概念清楚、 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 定性准确、手算简单快捷，能很快选择 出最佳方案，具有较好的经济、可靠性 能，同时也是施工图设计阶段判断计算 机内力分析输出数据的主要依据。 2 概念设计的意义 概念设计的应用面非常广泛， 几乎包含了所有的结构设计。在不确定 因素多、受力状况变化较大的抗震设计、 高层建筑设计、基础设计中，概念设计 的应用尤显重要和突出。概念设计的重 要性，主要体现在三方面：一是因为现 行的结构设计理论与计算理论存在许多 缺陷或不可计算性。为了弥补计算理论 的缺陷，或实现对实际存在的大量无法 计算的结构构件的设计，都需要用概念 设计来满足结构设计的目的。二是由于 在方案设计阶段，初步设计过程是不能 借助于计算机来实现的。这就需要结构 工程师综合运用其掌握的结构概念，选 择效果最好、造价最低的结构方案。概 念设计在设计人员中提得比较多，但往 往被人们片面地理解，认为其主要是用 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 于一些大的原则，如确定结构方案、结 构布置等。其实，在设计中任何地方都 离不开科学的概念作指导。三是由于计 算机计算结果的高精度，容易给结构设 计人员带来对结构工作性能的误解，过 分地依赖于计算机和设计软件，进行习 惯性、传统的结构设计，对计算结果明 显不合理、甚至错误的地方不能及时发 现，使许多的建筑结构留下安全隐患。 因此，概念设计在结构设计中具有重要 的地位。 3 抗震概念设计的基本原则与要 求 3.1 选择有利场地。造成建筑物 震害的原因是多方面的，场地条件是其 中之一。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。因此，选择工 程场址时，应进行详细勘察，搞清地形、 地质情况，挑选对建筑抗震有利的地段， 尽可能避开对建筑抗震不利的地段，任 何情况下均不得在抗震危险地段上建造 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 可能引起人员伤亡或较大经济损失的建 筑物。 对建筑抗震有利的地段，一般 是指位于开阔平坦地带的坚硬场地上或 密实均匀中硬场地上。建造于这类场地 上的建筑一般不会发生由于地基失效导 致的震害，从而可从根本上减轻地震对 建筑物的影响。对建筑抗震不利的地段， 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；就场地土质而言，一般是指软 弱土、易液化土、故河道、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。 3.2 采用合理的建筑平立面。建 筑物的动力性能基本上取决于其建筑布 局和结构布置。建筑布局简单合理，结 构布置符合抗震原则，就能从根本上保 证房屋具有良好的抗震性能。 经验表明，简单、规则、对称 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 的建筑抗震能力强，在地震时不易破坏； 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，在地震时容 易产生震害。而且，简单、规则、对称 结构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。 3.3 选择合理的结构形式。抗震 结构体系是抗震设计应考虑的关键问题。 按结构材料分类，目前主要应用的结构 体系有砌体结构、钢结构、钢筋混凝土 结构、钢-混凝土结构等；按结构形式 分类，目前常见的有框架结构、剪力墙 结构、框架剪力墙结构、简体结构等。 结构体系的确定受到抗震设防烈度、建 筑高度、场地条件以及建筑材料、施工 条件、经济条件等诸多因素影响，是一 个综合的技术经济问题，需进行周密考 虑确定。 抗震规范对建筑结构体系主要 有以下规定：结构体系应具有明确的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 计算简图和合理的地震作用传递途径； 结构体系宜具有多道抗震防线，应避 免因部分结构或构件破坏而导致整个体 系丧失抗震能力或对重力荷载的承载能 力；结构体系应具有必要的抗震承载 力，良好的变形能力和耗能能力；结 构体系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， 对可能出现的薄弱部位，应采取措施提 高抗震能力；结构在两个主轴方向的 动力特性宜相近，在结构布置时，应遵 循平面布置对称、立面布置均匀的原则， 以避免质心和刚心不重合而造成扭转振 动和产生薄弱层。 4 结构概念设计的运用 运用概念设计的思想，也使得 结构设计的思路得到了拓宽。传统的结 构计算理论的研究和结构设计似乎只关 注如何提高结构抗力度，以致混凝土的 等级越用越高，配筋量越来越大，造价 越来越高。结构工程师往往只注意到不 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 超过最大配筋率，结果肥梁、胖柱、深 基础处处可见。以抗震设计为例，一般 是根据初定的尺寸、混凝土等级算出结 构的刚度，再由结构刚度算出地震力， 然后算配筋。但是大家知道，结构刚度 越大，地震作用效应越大，配筋越多， 刚度越大，地震力就越强。这样为抵御 地震而配的钢筋，增加了结构的刚度， 反而使地震作用效应增强。其实，为什 么不考虑降低作用效应呢。目前在抗震 设计中，隔震消能的研究就是一个很好 的例子。隔震消能的一般作法是在基础 与主体之间设柔性隔震层；加设消能支 撑(类似于阻尼器的装置) ；有的在建筑 物顶部装一个“ 反摆” ，地震时它的位移 方向与建筑物顶部的位移相反，从对建 筑物的振动加大阻尼作用，降低加速度， 减少建筑物的位移，来降低地震作用效 应。合理设计可降低地震作用效应达 60，并提高屋内物品的安全性。这一 研究在国内外正广泛地深入展开。在日 本，研究成果已经广泛应用于实际工程 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 中，取得良好的经济、适用效果。而我 国由于经济、技术和人们认识的限制， 在工程界还未被广泛地应用。同时，在 目前建筑结构抗震鉴定及加固中，概念 设计的思想也应得到延伸。例如：在 1976 年唐山地震中，某市加固的 2 万间 民房无一倒塌，但某厂 3 层的框架厂房， 却因偏重于传统构部件的加固，忽视结 构总体抗震性能的判断，造成不合理的 加固，使抗震薄弱层转移，最终倒塌。 抗震验算时不同的楼盖及布置(整体性) 决定了采用刚性、刚柔、柔性理论计算。 在建筑结构设计中，合理地确定建筑物 的刚度是非常重要的。建筑物的刚度不 宜太大，刚度大则结构自振周期就短， 在地震时结构所承受的地震作用就大， 相对后果较重，且造成材料的浪费；刚 度也不宜过柔，过柔的建筑结构在地震 时就会产生过大的变形，影响其强度、 稳定性和正常使用。抗震验算时应特别 注意场地土类别。8 度超过 5 层有条件 时，尽量加剪力墙，可大大改善结构的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 抗震性能。框架结构应设计成双向梁柱 刚接体系，但也允许部分的框架梁搭在 另一框架梁上。应加强垂直地震作用的 设计，从震害分析，规范给出的垂直地 震作用明显不足。雨篷不得从填充墙内 出挑。大跨度雨篷、阳台等处梁应考虑 抗扭。考虑抗扭时，扭矩为梁中心线处 板的负弯距乘以跨度的一半。框架梁、 柱的混凝土等级宜相差一级。由于某些 原因造成梁或过梁等截面较大时，应验 算构件的最小配筋率。出屋面的楼电梯 间不得采用砖混结构。考虑地震作用时 必须充分领会和灵活运用抗震概念设计 的优化准则和采取相应的构造措施。优 化准则“强节弱杆 ” 防止节点破坏先于 构件；“强柱弱梁 ” 防止杆系发生楼层 倾移破坏机制，要求柱的抗弯能力高于 梁的抗弯能力；“ 强剪弱弯 防止构 件剪力破坏，要求杆件的受剪承载力高 于受弯承载力；“ 强压弱拉 ” 对杆件截 面而言，为避免杆件在弯曲时发生受压 区混凝土破裂的脆性破坏，使受拉区钢 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 筋承载力低于受压区混凝土受压承载力。 保证措施有两个方面：一是调整或限制 构件的荷载效应；二是强制规定必要的 构造措施。这两个方面在高层建筑混 凝土结构技术规程(JGJ3-2002)有详细 的规定，有的则是以强制性条文提出严 格要求。如：高层建筑混凝土结构技 术规程中第 632 条的第 1 点限制 梁端截面混凝土受压区高度与有效高度 之比，就是保证梁的变形能力，而它又 决定于梁端塑性转动量，而塑性转动量 又与截面混凝土受压区的相对高度密切 相关；试验研究结果表明，要使钢筋混 凝土梁的位移延性系数达到 34，混凝 土受压区相对高度必须控制 025- 035。又如：对钢筋混凝土杆件而言， 杆件截面的平均剪应力过高