结合太阳城号楼谈工程抗震概念设计

结合太阳城13号楼谈工程抗震概念设计在设计的高阶段，设计人员需完成工程选址、单体建(构)筑物总图布置，确定合理结构体系等工作，这一阶段工作质量的优劣，直接影响施工图阶段设计能否顺利开展以及将要建成的工程合理性、经济性、安全性及对地震破坏的抗御能力。关键字：太阳城,工程抗震,概念设计前言工程抗震概念设计这是一个老问题，但我从事设计工作几年以来，觉得这是一个即老又很重要的问题，所以参考了有关文献并结合太阳城13号楼设计写下此篇文章。以下是太阳城13号楼剖面图，显而易见这是一个抗震不利体系，那么应采取什么措施呢？我们先从理论谈起。长期以来，在抗震设计方面。设计人员往往偏重于在做施工图时利用计算机程序计算地震反应，然后根据计算结果结合相应规范的构造措施进行抗震设计，而在设计高阶段中如何确定合理的抗震方案则考虑较少。这样的抗震设计存在诸多弊病。首先，地震是一种随机振动，它有难于把握的复杂性和不确定性，要准确预测建筑物未来将遭遇的地震的特性一时难以做到；其次，在结构内力分析方面(尽管目前各种内力分析程序很多)，由于未能充分考虑结构的空间作用，非弹性性质、材料的时效、阻尼变化等多种因素，因而也存在着不准确性。故在建筑抗震理论远未达到很科学严密的今天，单靠理论计算很难使建筑物具有良好的抗震能力；而着眼于建筑总体抗震能力的“概念”设计则愈来愈受到工程界的普遍重视，它在我国的抗震规范中也开始有所体现。二、震“概念”设计在设计的高阶段，设计人员需完成工程选址、单体建(构)筑物总图布置，确定合理结构体系等工作，这一阶段工作质量的优劣，直接影响施工图阶段设计能否顺利开展以及将要建成的工程合理性、经济性、安全性及对地震破坏的抗御能力。2.1房屋破坏的直接原因根据以往的震害经验，房屋在地震作用下破坏的直接原因可概括为三条：（1）地基失效地震引起砂土液化、软土震陷等，对上部结构造成危害；（2）地震引起的山崩、滑坡、地面陷落或错位等地面变形引起其上建筑物破坏；（3）建筑物在地面运动激发下产生剧烈震动导致结构因强度不足，产生过大变形，失去稳定或整体倾覆而破坏；针对破坏产生的原因，分析其机理，我国有关抗震规范提出了一些抗震设计基本原则。可概括为二点：一是选择合理的有利于抗震的结构体系；二是选择有利于抗震的地段。通过上述措施来保证实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准设防要求。2.2选择有利抗震地段根据房屋震害的直接原因，在选址时应力图避开不利地段。需要补充的是：从减少地震能量输入的角度出发，应尽量使地震动卓越周期与待建建筑物的自振周期错开，以避免建筑物发生“共振”破坏。地震动的卓越周期又称地震动主导周期，它相当于根据地震时某一地区地面运动记录计算出的反应谱的主峰位置所对应的周期。从地震调查的结果看，在同一场地上，地震“有选择”地破坏某一类型建筑物，而“放过”其它类型建筑物，证明“共振”破坏的确存在。例如我国唐山地震时，天津市东郊工业区同样是软土地带，大量较柔的单层钢筋混凝土结构厂房破坏严重，而较刚的多层砖房破坏轻微，这与人们的传统思维“钢筋混凝土比砖混结实”相悖。国外也有这方面实例，如1985年9月黑西哥太平洋岸发生8.1级地震，共有164幢6～20层的房屋倒塌；其中5层以下房屋破坏轻微，23层以上的大楼也未破坏；特别是高度达181m，自振周期为3.9s的42层拉美大厦，基本没有损害。该次地震持时22s，周期2s，加速度a≥0.1g。每一次地震的地震特性都是不同的，对于未来可能发生的地震要准确预测它的波形是很难做到的；然而某一工程场址的地震动卓越周期，尽管随震级大小和震中距远近变化，却因与该场址的场地条件特别是场地土性质存在着某种相关性，是可以大致估计的。1985年墨西哥地震时，市区东部和中部位于古湖床上，含水量极高的软粘土深达100m，据测定场地卓越周期为2～3s见图1。而这一地区监测站地震记录的弹性反应谱显示出地震动卓越周期为2s和3s。这说明场地周期与地震动卓越周期比较接近。场地土自由振动周期，可以利用环境振动或小地震引起的场地土微幅振动，采用脉动量测技术和数据分析处理方法得到；没有实测资料时，也可采用经验公式。为减轻因地震“共振”而发生的破坏，根据估计出的该建筑所在场地的地震动卓越周期，在进行建筑方案设计时，应通过改变房屋层数和结构体系，尽量加大建筑物基本周期与地震动卓越周期的差距。那么如何估算拟建房屋的基本周期T1呢?一般可参考经验公式估算：我国近年来对新建钢筋砼高层建筑计算机计算结果归纳得出框-墙体系T1=0.065N(4-a)框架体系T1=0.085N(4-b)芯筒-框架体系T1=0.06N(4-c)外框筒体系T1=0.06N(4-d)全墙体系T1=0.05N(4-e)式中N房屋的层数。有条件时，由上述经验公式计算所得值应与当地已有类似建筑物的周期作比较，权衡取值。2.3选择有利于抗震的建筑布局及结构体系2.3.1工程实例1972年12月23日南美洲马拉瓜(Manan-gua)地震，该市区内约有一万幢建筑物遭到严重破坏或倒塌。引人注目的是十八层的美洲银行大楼仅轻微损坏；而与之相隔不远的十五层中央银行大厦却遭严重破坏，震后拆除。两栋建筑物的分析对比情况见表1。表11972年南美马拉瓜地震震害分项目中央银行美洲银行平立面见图2见图3结构特点(1)四层楼面以上布置了密集的小柱，共64根，柱净距仅1.2m，支承在第四层楼板的水平过渡大梁上，通过大梁再传至其下面的10根1m×1.55m大柱上，柱距9.4m；形成上、下两部分刚度严重不均匀，不连续的结构系统；(2)4个电梯间偏置于塔楼西端，平面形心与重心偏离很大，地震时易产生极大的扭转偏心效应；(3)四层以上楼板厚仅5cm，梁高45cm，跨度达14m，这样的楼面体系是十分柔弱的，抗侧力刚度差，且在地震力作用下易产生较大的楼板水平变形和垂直变形(1)外框内筒，结构体系是均匀对称的。基本抗侧力体系包括4个L型筒体，对称地由联肢梁连接起来构成一个更大的正方形内筒。震害情况(1)第四层与第五层间的柱子严重开裂，柱钢筋压屈；(2)横向裂缝(最宽达10mm)贯穿三层以上所有楼板，直至电梯井东侧；(3)塔楼西立面及其它窗下空心砖填充墙，非结构构件严重损坏；(4)电梯不能使用，楼梯也被碎片填塞，妨碍疏散(1)连肢梁破坏是整个结构能观察到的主要破坏；(2)电梯不能使用，但楼梯间是畅通的，墙仅有很小的裂缝震后分析美国加州大学贝克莱分校震后计算分析表明(含三维线弹性分析)：(1)结构后的确存在严重的扭转效应；(2)填充墙减少了弹性阶段的基本周期20%，显著增加了地震作用；(3)塔楼三层以上北面、南面的大多数柱抗剪能力不足，率先破坏；(4)在水平地震作用下，长而弱的楼板产生可观的竖向运动，引起支承在楼板上的非结构件破坏对整个建筑的三维线弹性分析表明：(1)对称的结构布置以及相对刚强的联肢墙，有效地限制了侧向位移；(2)当联肢梁破坏后，结构体系的位移虽有了增加，但由于“L”型小筒继续提供了较大的抗侧移刚度，使位移量不至过大。(3)避免了长跨度楼板和砌筑填充墙的非结构构件损坏这两幢现代化钢筋混凝土建筑的抗震差异，生动地表明了建筑布局和结构体系的合理选择，在抗震设计中所占的重要地位。从对这两幢建筑物抗震性能的分析对比中，不难总结出一些有利抗震的基本原则，如建筑平面布置应简单、均匀对称，建筑物竖向刚度应连续不应发生突变，建筑物应具有良好的整体性，多道抗震防线等，本文在下面将对这些要领概念逐一诠释。2.3.2建筑与结构的布局关于建筑平面、竖向布局的要求以及结构抗侧力体系的布局要求详细的规定，有关这些规定条文的解释可参见各相关规范的条文说明，这些规定都是历次地震震害经验教训的总结，也是抗震设计应遵循的基本原则，本文不再赘述。2.3.3结构的整体性和延性传统意义上的抗震结构体系，是指依靠结构的整体承载能力(或称整体性)和变形能力来吸收和耗散地震能量，从而使建筑物免于倒塌。所谓整体性是指结构在整个承受地震作用的过程中(不论在弹性工作阶段或结构部分进入塑性并形成塑性铰机制阶段)各结构构件都能协同工作，保持对竖向荷载的支承能力，它是抗倒塌的必要条件。结构的延性是相对于脆性而言，结构的脆性破坏都具有突发性，不可恢复性，而延性破坏往往有一个时间过程，并是可恢复的。延性表现了结构耗散能量的大小，如图4所示。结构I在达到强度极限后，无明显屈服过程，强度急剧下降，从强度极限到破坏的过程很短，是典型的脆性破坏，在破坏前所耗散的能量为S1；结构在进入屈服点后尚能继续变形耗能，且承载力不致很快下降，我们说后者它具有很好的延性，所消耗的能量为S2，显然S2>S1，结构是有利于抗震的。防倒塌是建(构)筑物抗震设计的最低要求，也是抗震设防最重要的必须得到确实保证的要求。房屋破坏的根本原因是结构的某些构件破坏结构丧失整体性变成了机动构架，因此结构的超静定次数愈多，进入倒塌的时间过程就越长。从耗散地震能量的角度出发，结构每出现一个塑性铰，就可吸收和耗散一定的地震能量，在整个结构变成机动构架之前，若能够出现的塑性铰愈多，耗散地震输入的能量也就愈多，就更能经受住较强的地震而不倒塌。故在选择抗震体系时应尽量采用超静定次数多的结构，并采取一定的构造措施保证合适的塑性铰的形成。选型上框架优于排架，刚接框架优于半刚接或铰接框架；并联的多肢抗震墙优于并列的多片单肢抗震墙；具有交叉腹杆的支撑优于单腹杆支撑；带支撑框架优于单一框架。2.3.4结构材料的选择单从抗震角度考虑，作为一种结构材料应轻质、高强、材质均匀；构件间的连接应有良好的整体性、连续性及延性，且能发挥材料的全强度。按照这一原则，不同材料结构的抗震性能优劣排序是：钢结构；型钢混凝土结构；混凝土-钢混合结构；现浇钢筋混凝土结构；预应力混凝土结构；装配式钢筋混凝土结构；配筋砌体结构。工程中常用结构抗震表现分述如下：(1)钢结构钢结构最符合抗震材料的要求，从已有的地震震害实例来看，钢结构的表现均很好；但它当前的造价及维护费用较高。(2)现浇钢筋混凝土结构该结构整体性好，造价低廉，有较大的抗侧移刚度，并且经良好的设计可保证结构具有良好的延性。但该材料也存在难以克服的弱点：当地震持时较长时，在周期性往复水平荷载作用下，构件刚度因裂缝的开展而递减，且塑性铰区会产生反向斜裂缝，将混凝土挤碎，产生永久性的“剪切滑移”。(3)预应力混凝土结构预应力混凝土结构在非开裂状态下能承受较大的变形，因而在烈度不高时结构破坏较轻，相应地其所贮藏的弹性变形能要比钢筋混凝土高，但预应力混凝土结构的滞回曲线比钢筋混凝土狭窄，所能耗散的滞后能量要少一些，且由于预应力构件受压区配筋一般相对较少，一旦混凝土开始压碎，承载能力就会急剧下降，因此在高烈度地区，必须采取措施提高延性，方能使用预应力混凝土结构。实践证明，通过合理控制预应力筋的含量(ρ≤0.5%)可以实现这个目的。(4)装配式钢筋混凝土结构此类结构致命的抗震弱点在于整个结构缺乏连续性和整体性；框架节点等预制构件的连接和接头强度及变形能力均低于构件本身而形成薄弱环节；同时预制构件装配时会产生次应力，故这类结构不宜在高烈度地区采用；但若采用整体装配式结构则可以改善这种情况。2.3.5多道抗震设防体系无论选用何种材料、何种结构体系的抗震结构，都宜设置多道抗震防线。一次地震持续的时间少则几秒，多则十几秒甚至更长。这样长时间的地震动，一个接一个的强脉冲对建筑物产生多次往复式冲击，造成累积式破坏；如果建筑物采用的是单结构体系，仅有一道抗震防线，一旦破坏后接踵而来的持续地震就会使建筑倒塌；而设了多重抗震体系的建筑物，在第一道防线的抗侧力体系遭破坏后，后备的第二道、第三道防线立即接替，抵挡后续的地震冲击，特别是对于因“共振”而引起的破坏，在第一道防线失效后，结构转入第二道、第三道防线工作，此时随着第一道防线破坏塑性铰出现，结构基本周期已发生变化，从而错开了地震动卓越周期，建筑物免遭进一步破坏。这种抗震设计概念是对付高烈度地震的一种经济有效的办法，且已应用到实际工程中，如前面提到的马那瓜美洲银行就是一个应用多道抗震防线概念的成功实例。美国林同炎国际设计公司设计这一工程(美洲银行)时所采取的指导思想是：在风荷载和规范规定的等效静力地震荷载作用下，结构具有较大的抗推刚度以满足变形方面的要求；当遭遇更高地震烈度，建筑物所受的地震力很大时，通过某些构件的屈服过渡到另一个具有较高变形能力的结构体系。据这一指导思想，该大楼采用了12.55m×12.55m的芯筒作为主要的抗风和抗震构件，不过，该芯筒又由4个“L”形小筒构成，小筒外边尺寸4.6m×4.6m，在每层楼板处，采用较大截面的钢筋混凝土连梁将4个小筒连成具有较强整体性的芯筒(图1)。进行抗震设计时，既考虑了4个小筒作为大筒组成部分发挥整体作用时受力状况，又考虑了连梁损坏后4个小筒各自作为独立构件时的受力状态。这样，当小筒间连梁完全破坏后，整个结构的抗侧力能力也不至降低很多，同时由于各层连梁两端出现朔性铰之后，整个结构自震基本周期加长，地震反应减弱，有利于保持结构的安全和稳定。该大楼的震害表现(表1)说明这种设计思想是成功的。据测算，该次地震在大楼中引起的水平地震力至少是0.35g，大楼是1963年设计的，设计的水平地震力相当于0.06g，这就是说大楼经受住了6倍于设计的地震力。震后，美国伯克利加州大学对这幢大楼进行了动力分析，分别考虑了4个“L”型小筒作为一个整体共同工作和4个小筒单独工作两种状态，计算出结构的动力特性和对马拉瓜地震的反应(结果见表2)。从表中可以看出，在“大震”时结构的基本周期延长了1.5倍，结构底部地震力减少了一半，但结构顶部位移增加了一倍。表2美洲银行的地震反应结构工作状态结构动力反应基本周期（S）结构底部地震力(kN)结构顶点位移(mm)4个小筒整体工作时1.3270001204个小筒单独工作时3.313000240对于太阳城13号楼采取的措施当然最好的办法是在多层合高层间设缝，但由于建筑需要，并且国内外也有不设缝的实例，在参阅了有关资料后采取了以下措施。1.加强第四层楼板，第四层楼板板厚150mm，配双层筋。2.加强四、五、六层柱子配筋及构造。三、新的思路如前所述，目前为减轻震害所采取的措施都偏重于提高结构自身的承载能力和变形能力，从而耗散地震能量避免建筑物的倒塌。这种方法可说是一种“防守”“被动”的办法，存在着造价高，构造复杂，施工难度大的缺点；此外，对于持时短，震级高的直下型地震，按此方法设防的建筑物甚至来不及通过结构变形和内力调整来耗散地震能量就已因遭受超过结构所能承受的破坏而发生倒塌。例如在1995年1