文献综述报告-抗震概念设计的认识及文献综述报告-深基坑工程的发展现状及发展趋势

文献综述报告抗震概念设计的认识土木工程专业1.前言自从上世纪70年代提出“抗震概念设计”以来，人们越来越意识到仅靠精确的计算已很难设计出良好的抗震结构了。因抗震不只是要求承载力，还要求有吸收能量的能力（或称延性）。由于地震作用本身的随机性，各种结构之间的差异性以及结构本身的复杂性，加上遭受地震作用后结构破坏机理和破坏过程的复杂性，更是计算设计所无法考虑到的。因此，建筑除了地震作用的设计计算外，还应充分考虑建筑物所应具备的延性和塑性。人们从大量地震灾害调查研究中得知，一个良好的抗震结构必须首先在一开始的总体设计方案上考虑其抗震能力，这样就逐步形成了“抗震概念设计”的思想[1]。一旦明确了抗震设计的思想，会使设计人员更灵活、更恰当地运用抗震设计原则，并不致陷入盲目的计算工作中，从而做到比较合理地进行抗震设计。2.抗震概念设计的含义概念设计是相对于计算设计而言，是指不经数值计算，尤其在一些难以作出精确理性分析或在规范中难以规定的问题中，根据地震灾害和工程经验等所形成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的一个过程[2]。它着眼于结构的总体地震反应，按照结构的破坏机制和破坏过程，灵活运用抗震设计准则，全面合理地解决结构设计的基本问题，既注意总体布置上的大原则，又顾及到关键部位的细节，从根本上提高结构的抗震能力。3.抗震概念设计的要求3.1 场地选择（1）选择有利地段选择工程场地时，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[3]。建筑场地尽可能要求宽阔平坦而且避开斜坡和崖地,要尽量选择坚实均匀的场地土。微风化和中等风化的基岩,坚实的砂土层,不含水的粘土层等都属好的场地土。（2）避开不利地段对建筑抗震不利地段提出避开要求,当无法避开时应采取有效措施。不利地段就是指软弱土、液化土、条状突出的山嘴、高耸孤立的山丘、非岩质陡坡、采空区、河岸和边坡边缘,平面分布有成因、岩性状态明显不均匀的土层等。(3)不在危险地段建设[4]不应在抗震危险地段建造甲、乙、丙类建筑,建筑抗震危险地段一般是指地震时可能发生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流及地震断裂带上可能发生地表位错的部位。3.2 地基和基础设计地基和基础设计应符合下列要求：（1）同一结构单元的基础不宜设置在性质截然不同的地基上（2）同一结构单元不宜部分采用天然地基部分采用桩基（3）地基为软弱粘性土、液化土、新近填土或严重不均匀土时，应估计地震时地基不均匀沉降或其他不利影响，并采取相应的措施[5]。（4）提高基础的整体性采用整体性好的基础方案,使基础、结构能够整体传力,这对于保证建筑结构的抗震可靠性非常重要,也可以部分消除基础的不均匀沉降。3.3 建筑的平立面布置结构平面布置是指在结构平面图上布置柱和墙的位置以及楼盖的传力方式。从抗震的角度看，其中最主要的是使结构平面的质心（质量中心）和刚心（刚度中心）相重合或者说尽可能的靠近，主要原因是为了减少结构的扭转反应。因此，结构平面布置宜简单、对称和规则[6]。这样的做法使设计者容易准确计算出地震反应，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。3.4 抗震结构体系3.4.1结构体系的选择(1)在多层砌体房屋中,宜优先采用横墙承重的结构体系。(2)在装修水准较高的高层钢筋混凝土房屋中,宜采用抗震墙或框架抗震墙结构体系。(3)在框架抗震墙砌体房屋的底部,钢筋混凝土抗震墙优于砌体抗震墙的结构体系。(4)超静定结构优于静定结构,框架结构优于排架结构,空间框架结构优于平面框架结构,刚接框架结构优于半刚接框架和铰接框架结构[7]。(5)抗震墙结构优于框架结构,联肢抗震墙结构优于单肢抗震墙结构。(6)钢筋混凝土结构优于砌体结构,钢筋混凝土弯曲构件优于其剪切构件。(7)配筋砌体结构优于无筋砌体结构。3.4.2结构的布置尽可能布置多道抗震防线，因为地震有一定的持续时间，并且会多次反复作用，使得建筑物的结构破坏基本都是丧失了承载力。众所周知，框架结构中柱子倒了梁也会跟着破坏，紧接着导致整个结构产生破坏；而梁破坏了柱却不一定倒，可见柱承担的责任比梁的大[8]。为了保证柱是在最后失效，在结构构件安全的前提下把梁设计成相对薄弱的环节。使梁在破坏前，以最大限度变形消耗地震能量，使框架柱退居到第二道防线，这就是所说的“强柱弱梁”的概念[9]。在同一类型的构件中，其破坏后果的严重性也不尽相同，也就是“强剪弱弯”的概念了。弯曲破坏是一种延性破坏，是有预兆的现象如开裂或下挠等，而剪切破坏是一种脆性的破坏，没有预兆的，瞬时发生，使人没有防范，所以我们要避免发生剪切破坏！这就是我们设计时要结构达到“强柱弱梁、强剪弱弯”这个目标。人为的控制不利的、更危险的破坏发生。3.5 结构的整体性3.5.1构件间的可靠连接——强节点弱构件构件的连接既要牢固可靠,又要有足够的变形能力,才能保证结构的整体性,发挥各构件和整个结构的抗震能力。从多次地震灾害调查中我们可以看出,造成房屋倒塌的最主要和直接的原因之一,就是构件之间的连接遭到破坏,结构丧失了整体性,各个构件尚未发挥其抗震能力之前,就发生平面外失稳,或从支承构件上滑脱坠地。所以,要提高房屋的抗震性能,保证各个构件的强度能充分发挥,首要的是加强构件间的连接,使之能满足传递地震力时的强度要求和适应地震时大变形的延性要求。构件连接不破坏、不失效,整个结构就能始终保持其整体性[10]，这就需要满足“强节点弱构件”的要求了。为了确保结构的整体性。各构件之间的连接必须可靠，符合下列要求。（1）构件节点的承载力不应低于其连接构件的承载力，当构件屈服、刚度退化时，节点应保持承载力和刚度不变。（2）预埋件的锚固承载力不应低于连接件的承载力。（3）装配式的连接应保证结构的整体性，各抗侧力构件必须有可靠的措施以确保空间协同工作。（4）结构应具有连续性，注重施工质量，避免施工不当使结构的连续性遭到削弱甚至破坏。3.5.2增强房屋的竖向刚度软弱地基上的房屋,由于砂土、粉土液化或软土沉陷引起的地基不均匀沉降,会造成房屋严重开裂。所以建造于软弱地基上的房屋,首先要确定恰当的地基处理措施,其次使上部结构具有足够的整体竖向刚度,并使房屋基础具有较强的整体性,以抗御地震时可能发生的地基不均匀沉降,以及地面裂隙穿过房屋时所造成的危害。4.总结由于地震力的不可预见性和复杂性，及目前我们对地震认识的局限性，要想精确地计算出地震作用有很大难度。而概念设计是可以在施工图设计（或者说初步设计）之前的，以迅速有效的对结构的总体方案进行构思、比较及选择，而不是马上进行数据计算，这给后续的设计提供了正确的思路。就像是一个人为了梦想而奋斗，如果连努力的方向都弄错了，那以后的道路肯定会更加艰难，甚至这条路就走不下去了，所以概念设计更像是整个结构设计的方向标。对设计人员来说，需要把握“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”等必要的抗震设计要求。尤其是高度重视计算设计的今天，更加需要推广的是概念设计的思想。只要我们把握好这些抗震设计的原则，重视概念设计，再做好计算设计，才能使房屋结构真正满足“小震不坏，中震可修，大震不倒”的要求。参考文献[1] 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计标高后，必须马上浇筑垫层混凝土，进一步减小基坑变形值。底板混凝土必须在5d-7d内完成，相应结构层施工及时跟上，以建立永久的受力平衡体系，从根本上控制住基坑变形[10]。5)在采用拱圈墙方案时，拱墙本身可采用水平分缝及垂直分缝的逆作拱墙方法施工，拱脚稳定性很重要，设计施工应予重视，挖土时应维持拱圈荷载对称，受力均衡。2.2.5基坑工程尚未完全解决的问题1)由于开挖深度、周边环境、地层性质等多因素的影响，基坑支护方案会根据所选物理力学参数的不同而选择不当。2)基坑支护的内力和变形的精确计算是一个比较复杂的问题，其计算模型需要考虑围护结构、支撑体系和土三者的共同作用，但是，目前将其简化为平面问题，难以准确反映空间效应。3)在软土地区，淤泥、淤泥质土等具有蠕变特性，围护结构会随着无支撑时间的延长而逐渐增大变形，即所谓的“时间效应”，目前时间效应尚未精确考虑到理论计算中。4)由于受到多种未知因素(如暴雨等自然灾害)的影响，深基坑土体的变形和位移无法精确计算。5)当基坑平面尺寸较大，支撑体系较复杂时，由气温变化引起的温度应力和收缩应力会使支撑杆件内力增加，但在围护结构设计时该理论只加以概略估算。6)在建筑物密集地区设计深基坑的支护结构，多以变形控制，但在设计时如何控制周围地面沉降尚有一定难度，这是由于计算方面尚难以提供精确值。三、深基坑工程的发展趋势及国内外深基坑支护技术的研究发展3.1深基坑工程的发展趋势1)基坑向着大深度、大面积方向发展，周边环境更加复杂，深基坑开挖与支护的难度愈来愈大。因此，从工期和造价的角度看两墙合一的逆作法将是今后发展的主要方向。但逆作法施工受桩承载力的限制很大，采用逆作法时不能采用一柱一桩，而是一柱多桩，增加了成本和施工难度[15]。如何提高单桩承载力，降低沉降，减少中柱桩(中间支承柱)，达到一柱一桩，使上部结构施工速度可以放开限制，从而加快进度，缩短总工期，这将成为今后的研究方向。2)土钉支护方案的大量实施，使得喷射混凝土技术得以充分运用和发展。为减少喷射混凝土的回弹量以及保护环境的需要，湿式喷射混凝土将逐步取代干式喷射混凝土。3)目前，在有支护的深基坑工程中，基坑开挖大多以人工挖土为主，效率不高，今后必须大力研究开发小型、灵活、专用的地下挖土机械，以提高工效，加快施工进度，减少时间效应的影响[1]。4)为了减少基坑变形，通过施加预应力的方法控制变形将逐步被推广，另外采用深层搅拌或注浆技术对基坑底部或被动区土体进行加固，也将成为控制变形的有效手段被推广。5)为减小基坑工程带来的环境效应(如因降水引起的地面附加沉降)，或出于保护地下水资源的需要，有时基坑采用帷幕型式进行支护。除地下连续墙外，一般采用旋喷桩或深层搅拌桩等工法构筑成止水帷幕。目前，有将水利工程中防渗墙的工法引入到基坑工程中的趋势[1]。6)在软土地区，为避免基坑底部隆起，造成支护结构水平位移加大和邻近建(构)筑物下沉，可采用深层搅拌桩或注浆技术对基坑底部土体进行加固，即提高支护结构被动区土体的强度的方法。3.2国内外深基坑支护技术的研究发展3.2.1国内外深基坑支护技术的研究现状国外20世纪30年代，太沙基和皮克等最先从事基坑工程的研究，20世纪60年代在奥斯陆等地的基坑开挖中开始实施施工监测，从20世纪70年代起，许多国家陆续制订了指导基坑开挖与支护设计和施工的法规[16]。除了明挖法、暗挖法、盖挖法、盾构法、沉管法、冻结法及注浆法等开挖技术外又有了新进展[17][12]。我国城市地下工程建设起步较晚，20世纪80年代前，国内为数不多的高层建筑的地下室多为一层，基坑深不过4m，常采用放坡开挖就可以解决问题。20世纪80年代初才开始出现大量的基坑工程[18]。到20世纪80年代，随着高层建筑的大量兴建，开始出现两层地下室，开挖深度一般在8m左右，少数超过10m[19]。进入20世纪90年代后，在我国改革开放和国民经济持续高速增长的形势下，全国工程建设亦突飞猛进，高层建筑迅猛发展，建筑高度越来越高，同时各地还兴建了许多大型地下市政设施、地下商场、地铁车站等，导致多层地下室逐渐增多，基坑开挖深度超过10m的比比皆是，其埋置深度也就越来越深，对基坑工程的要求越来越高，随着人防、地铁、地下商场、仓库、影剧院等大量工程的建设，特别是近年来的工程实践，城市地下空间开挖技术得到了长足发展和提高[20]。我国城市地下工程、隧道及井孔工程等先后采用了明挖法、暗挖法、盖挖法、盾构法、沉管法、冻结法及注浆法等，这些技术有的己达到国际先进水平。促进了建筑科学技术的进步和施工技术、施工机械和建筑材料的更新与发展。为了保证建筑物的稳定性，建筑基础都必须满足地下埋深嵌固的要求。随之出现的问题也越来越多，这给建筑施工、特别是城市中心区的建筑施工带来了很大的困难[21][22]。3.2.2国外深基坑支护技术的发展国外许多国家陆续制订了指导基坑开挖与支护设计和施工的法规。除了明挖法、暗挖法、盖挖法、盾构法、沉管法、冻结法及注浆法等开挖技术外新进展有：(l)全过程机械化。从护坡、土方开挖、结构施工，包括暗挖法施工的拱架安装、喷射混凝土、泥浆配制和处理等工序的机械化，同时采用计算机技术进行监控，从而保证了施工安全、快速施工和优良的工程质量[23]。(2)盾构法得到较大发展。近30年内英、美、法、日等国大量采用盾构施工技术，日本已生产盾构近万台，用于地铁、铁路、公路，水工及管网施工，己出现双联、三联、四联盾构，能完成三跨地铁车站，开挖宽度达17m。日本正设想设计直径80m的盾构，在地下建造人造太阳和住宅区[24]。(3)微型盾构和非开挖技术已广泛应用。主要用于建造各种直径的雨、污水、自来水管道和电缆管道。微型盾构就是直径2m以下的盾构。刀盘掘进，遥控和卫星定位控制方向和坡度，然后安装管片。非开挖技术就是采用微型钻机，通过切割轮成孔，退回钻杆后安装管线或电缆[25]。(4)预砌块法施工技术。拱圈是在土方开挖后采用拼装机安装，管片上留有注浆孔，衬砌拼装完成后，由注浆孔向壁后注浆，堵塞空隙，增强围岩与衬砌的共同作用。法国用此法施工的最大单拱跨度达24.48m。(5)预切槽法施工技术。意、法等国制造了一种地层预切槽机，采用链条沿拱圈将地层切割出一条宽15cm，长4-5m的槽缝，然后向槽缝内喷射混凝土，并在其保护下开挖土方，做防水层及二次衬砌，形成隧道。(6)顶管大管棚法。修建地铁车站时，在顶管内灌混凝土，形成大管棚，再在其保护下进行暗挖施工。(7)微气压暗挖法。就是在具有1个大气压以下的压缩空气环境下，按照“新奥法”原理进行施工。优点是可以排出地下水，保证工作面干燥；由于气压存在，可减少地面沉降；还可降低衬砌成本[26]。(8)数字化掘进，又称计算机化掘进(Datadrilling，eomputeriseddrilling)，应用于硬岩工程的开挖。在数字化掘进时，钻杆的推进是程序化的，从一个洞到另一个洞也是自动的。掘进机手可以同时管理3套钻杆，其作用是监督钻杆的运动，必要时予以调整。孔位、孔深和掘进序列预先已在掘进机的计算机软件中安排，掘进方向由激光束控制，实现了孔的严格定位，从而可以实现掘进工艺的最优化以及曲线隧道的掘进。数字化掘进的优点是：控制隧道掘进的超挖；实现掘进方案的优化；消除了工作面上的人工测量[27]。参考文献1.余志成，施文华.《深基坑支护设计与施工》，中国建筑工业出版社，1999.2.黄运飞.《深基坑工程实用技术》，兵器工业出版社，1996.3.钱家欢.土力学[M].河海大学出版社，1995.第二版.139-167，184-186.4.陈东佐，李静.岩土工程的现状与发展[J].太原大学学报，2003.4（3）：35-38.5.李钟.深基坑支护技术现状与发展趋势（一）[J].岩土工程界，.2001.6.崔江余，梁仁旺.建筑基坑工程设计计算与施工[M].中国建筑工业出版社，1999.第一版11-73.7.陈肇元.土钉支护技术.深基坑开挖土钉支护技术研讨会，199