建筑结构抗震设计论文范文

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建筑结构抗震设计论文

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1.1合理的选址在建筑结构抗震水平设计中,合理的选址是最基本的先决条件。为了保证选址的正确、合理性,我国政府部门已经出台了《中华人民共和国减灾抗震法》等法律条文,其中明确规定“对于有可能发生的重大建设性工程以及次生灾害进行严格的地震安全指标评价,按照地震安全评价结果,明确相关建筑物的抗震设防要求,并对其进行分别设防”。建筑结构的设防标准根据其实际质量可分为四个标准,其中:甲类:地震时间或大型建筑工程可能发生的次生建筑类灾害;乙类:地震中不能中断使用功能,且必须要逐步恢复的建筑类型;丙类:除甲、乙两类建筑外的其他普通建筑类型;丁类:抗震级别相对较低的建筑。根据对相关法规的分析,在进行建筑物结构设计时,必须要选择对建筑有利的场地,避免在不利地段建设大型民用建筑,以防止地震破坏隐患的出现。对于一些软基地段,也必须要进行充分的处理,才能够进行合适的建筑设计。另外对于地震可能引起的次生灾害问题,也必须要予以正确的处理,进一步保证选址的正确性。

1.2科学的设计当地震发生时,不同的建筑结构所受到的地震影响是不同的,为了最大限度降低地震灾害的影响,建筑设计人员在抗震设计环节中,要根据当地地段的实际情况来进行建筑结构的选择。目前,我国常用的鹅建筑结构可以分为“钢筋混凝土结构”、“砌体结构”、“钢混结构”和“钢结构”四种类型。通过对四种结构的比较分析得出,钢筋混凝土结构的抗震能力相对较强,因为其自身具有较好的柔韧性,所以当建筑物因地震灾害而出现应力变形时,钢筋混凝土结构能够依靠自身良好的承载力对其进行一定程度的控制,这是其它三种结构所不具备的优势。近年来,高层建筑建设的增多,大大增大了其在地震灾害影响下的水平位移和抗侧移刚度,这在无形之中就加大了地震灾害的影响,为了避免地震灾害影响程度的增大,在设计和审核高层建筑抗震设计时,必须要考虑结构的侧移度。

1.3坚实的质量地震作为破坏性超强的自然灾害,想要最大限度降低其对建筑的破坏,保证建筑设计坚实的质量是最基本的防护措施。相比较而言,我国建筑设计水平发展较为缓慢,在地震设计方面也存在不够合理的情况,这使得很多建筑结构都出现了地震安全隐患,过大的自身重量也加大了地震危害。为了保证建筑结构抗震水平,必须要在建筑抗震设计环节中科学的运用抗震理论,根据相关设计原则,利用有效措施来提高建筑结构的可靠性与安全性。

2实现建筑结构抗震水平设计的措施

2.1基础性防震措施应用基础性防震措施根据建筑的结构的不同位置有着不同的措施:(1)地基隔震。地基隔震是在建筑地基与土层之间设置缓冲层,以便在地震发生时减小建筑与土层之间的震动碰撞,实现对震能的有效吸收和反射作用,减小地震对建筑物的破坏。目前,我国最常使用的地基隔层为沥青原料隔震层。(2)基础隔震。基础隔震是整个建筑结构抗震设计中的关键,想要降低地震对建筑物的破坏,就必须要做好基础隔震措施。在对建筑基础采取抗震措施时,为了减小地震对上部结构的破坏,需要在建筑物的上部结构和基础位置接触处设置隔震层,防止地震力由地基处向上部结构传播,降低地震对建筑上部结构的破坏。基础抗震装置一般采用混合隔震装置、基底滑移隔震装置和夹层橡胶隔震装置等。(3)间层隔震。间层隔震是为了吸收地震的冲击余力而设置的,间层隔震的有效设置能够对震力进行再次削减,以达到降低地震对建筑的破坏作用。间层隔震一般都安装在原始结构层上,其实我国最早使用的的抗震措施,具有施工操作简单的优势。(4)悬挂隔震。悬挂隔震是通过悬挂的方式,将建筑物全部或部分结构脱离地面,从而在地震出现时,降低地面震动与建筑物之间的震力作用。目前,此种抗震措施多用于大型钢结构建筑当中,收到了较为不错的抗震效果。

2.2机敏减震支撑体系机敏减震支撑体系是集成现代科技技术的防震系统,其利用活塞运动的原理,对建筑结构进行设计。在地震灾害发生时,保证建筑结构中的内、外钢能够通过不断的滑动来消减地震的破坏力,减轻震力破坏和消耗地震作用力的传导。目前,这项技术还在不断的研究和完善当中,相信其很快就能够实现有效的应用,为建筑抗震设计水平的提升做出贡献。

2.3效能减震技术应用效能减震是实现对地震所产生动能的消耗,来减轻地震能的传导大小,从而降低其对建筑物的破坏程度。目前,在此技术方面一般采用消能器和阻尼器,两种器械都能够实现地震能量的有效消耗和吸收,减小震力对建筑主体的破坏,以达到对建筑主体结构安全、稳性定的保护。目前,效能减震技术在我国建筑防震设计中得到了有效的应用,其在新建筑的防震设计和旧建筑的抗震加固方面,都起到了良好的效果。

3总结

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【关键词】建筑结构;抗震概念;实际设计;理解

地震是一种破坏力较强的自然灾害,主要损害建筑结构,进而导致承重构件或地基失去作用。现阶段,人们还不能深入的认识到地震的损坏机理,直接影响了抗震计算的精确性。概念设计是一种指导总体方案开展的方法,良好的概念设计不仅给日后建筑工程结构计算及工程造价等奠定基础,同时还实现了抗震设计的目的,具有较广的应用意义,必须及时进行分析。

1.建筑抗震设计

目前随着经济的发展,抗震结构设计已经呈现出新的发展趋势,可利用基于性能结构抗震现场理论、材料抗震模糊可靠度等方法进行建筑抗震设计。但是建筑地震灾害依然在反复发作,虽然很多建筑设计师已经认识到以上技术的局限性,但是由于建筑结构还会受到地形、规划、工程造价、施工技术等多方面因素影响,导致“概念设计”开始被人们重视起来,并加大了对其的研究。概念设计不仅完善了建筑结构,同时综合全面的分析了地震所产生的影响,掌握了地质活动破坏机制,并可以综合全面的了解抗震设计规范与准则,在长期实践中还可以不断提升建筑结构的抗震水平。

2.建筑结构抗震概念设计遵循的原则

2.1建筑选址并确定地基稳定条件

合理的规划选址已经成为建筑设计成功的基础,对建筑结构抗震设计整体质量具有很大影响。实际操作中要求规避地震不利地段,尽量选择安全稳定的建筑场地,如果受各方面因素影响,导致实际操作中无法避开不利地段,必须结合实际情况采取针对性的措施,提高地基稳定性与安全性。现有基础设计规范中明确指出,结构单元中个别应地质因素而采用天然地基或桩基的做法不可取,尤其是不允许在地震高发段建设建筑物。地震作用力较强,一般会引起承载力降低或出现基土液化,进而影响了地基稳定性,容易出现建筑开裂、倾斜和倒塌等问题。同时受地震影响所产生的滑坡、泥石流等情况也与建筑选址密切联系,保证建筑基础稳定已经成为提高抗震力的核心条件。

2.2选择有利于建筑的立面或平面

为了避免地震发生时产生应力集中、扭曲或塑性变形等问题,要求建筑平、立面必须合理设置,一般要求建筑物的平、立面布置对称,同时质量和刚度均匀,尽量避免楼盖错层。实际操作中可从两反面操作,一方面,不设抗震逢,对建筑物进行结构抗震分析,了解局部应力和变形集中及扭转等的影响,并采取加强措施进行处理。另一方面,设置抗震缝,将建筑物划分为很多结构单元,可结合抗震设防强度、材料种类、结构型号及单位布置,并留有足够的宽度,要求伸缩缝与沉降缝满足防震缝要求。控制好建筑刚度与质量变化,各个楼层不能错层,条件允许时可在每层设置防震缝,可根据建筑结构实际情况设置。一般体型结构复杂的建筑必须给其设置计算模型,并展开抗震分析。

2.3选择科学合理的抗震结构体系

抗震结构体系要求从建筑重要程度、房屋高度、地基基础、技术、经济及使用等多方面进行判断。通常选择建筑结构体系时,必须满足以下条件:(1)具有详细的计算简图,并有恰当的传递地震途径;(2)具有较强的强度、耗能及变形能力;(3)设置多道地震防线,避免部分结构或构件对整体构件造成影响;(4)控制好强度与刚度,避免局部形成薄弱部位或者应力或塑性变形集中;(5)控制好结构在两主轴之间的动力特性。设计构件连接时,要求满足以下条件:(1)构件节点强度不能低于连接构件强度;(2)装配结构连接整体性必须得到保证;(3)预埋件锚固强度不能低于连接构件强度。选择抗震结构构件时,要求满足以下要求:(1)砌体结构必须结合施工要求,合理设置混凝土圈梁与构造柱,提高结构抗震水平;(2)设置钢结构构件时,要求控制好其尺寸,避免出现局部或整体构件失稳;(3)混凝土结构构件必须合理选择尺寸,配置好箍筋与纵向钢筋,避免剪切在弯曲前破坏,同时要求混凝土压溃先于钢筋屈服、钢筋锚固粘接在构件破坏前损坏。

2.4计算校核的必要性

目前计算机辅助设计系统已经广泛应用到结构设计中,而且应用范围较广,实际分析中,可应用计算机相关软件完成设计与校核。软件是辅佐校核的工具,实际操作中为了提高校核效果,必须由具有丰富经验的结构设计技术人员分析,同时掌握软件的适用范围、条件、计算模型等,深入理解设计规范,而且要端正自己对待工作的态度,只有如此,才能反复进行验证,进而将精确校核的计算结果成功应用到工程项目建设中。

3.正确处理主体结构与非承重结构的关系

主体结构与非承重结构关系的处理已经成为抗震设计的基础,具有减少地震损失及避免附加震害的作用。附属结果构件要求必须与主体结构或锚固稳定连接,避免实际操作中出现设备损害或砸到人员等问题出现。设置围护墙与隔墙时,必须综合考核结构抗震所产生的不利影响,避免设置不恰当损害主体结构。例如,厂房柱间或框架填充不完整时,就会损坏柱子。此外,吊挂件、装饰贴面与幕墙均要与主体合理连接,避免地震时造成人员伤害。

4.控制好材料与施工质量

材料选择与施工质量控制对抗震结构设计具有很大作用,不仅提高了施工质量,还保证了其他工序的顺利开展。目前抗震结构设计中已经对材料与施工质量提出了要求,必须在设计文件中明确,具体操作如下:(1)黏土砖等级要求不低于MU10,同时控制好砌筑砂浆强度与等级,不呢低于M5;(2)混凝土抗震与强度等级均使用一级框架梁、柱与节点,要求不能低于C30,芯柱、基础与圈梁不应低于C30,其他构件不能低于C20;(3)混凝土小型砌块强度控制在MU7.5,要求砌筑砂浆强度在M7.5以上;(4)控制好钢筋强度,要求纵向钢筋使用Ⅱ、Ⅲ级变形钢筋,箍筋为Ⅰ、Ⅱ热轧钢筋,构造柱与芯柱使用Ⅰ、Ⅱ级钢筋。进行钢筋混凝土结构施工时,由于实际设计中缺少规定的钢筋型号,使用其他规格型号的替代时,不能使用屈服强度较高的钢筋替代原始钢筋。实际替换中可结合截面实际屈服强度合理换算,并要求替代后构建曲面屈服强度不能超过原截面屈服强度。此种操作的主要目的是减少了薄弱部位转移,避免了混凝土脆性损坏,如剪切破坏或混凝土压碎等问题。

5.结语

建筑结构抗震设计时一项较系统的工程,改变以计算为中心的传统设计、评估与校核,实现了设计者多年经验与设计规范的结合,避免了盲目开展计算工作,对抗震设计创造了独特的发展空间,并真实展现了结构的实时情况,进而科学合理的进行抗震设计。

作者:柴梅卿 单位:国家林业局西北林业调查规划设计院

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[4]高层建筑结构概念设计

[5]北京市建筑设计技术细则-结构专业

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关键词:建筑结构、抗震设计、现代抗震设计理念、国际抗震设计新理念

中图分类号:TU3文献标识码: A

一、建筑抗震设计的重要意义

不同的变量可以体现出建筑结构的地震反应,在抗震设计中具体使用哪一种设计的变量,要与结构自身的类型相结合,与地震反应的特性以及地震破坏的模式相结合。结合结构抗震设计变量的不同,对结构抗震的设计方法进行分类,一般可以分为以下四种:基于承载力的抗震设计法、基于能量的抗震设计方法、基于位移的抗震设计方法及基于损伤的抗震设计方法。

通过抗震设防目标的角度可以看出,现在的抗震设计方法说到底是以对生命安全进行保护的单一设防目标。现代社会在不断的发展,抗震设计不但要预防建筑物的倒塌破坏,更要结合建筑物的重要性以及用途进行有效的控制它的破坏状态。这对于抗震设防目标来讲要求更多级化,基于性能的抗震设计方法的提出就是为了对此问题的解决。性能这一概念具有宏观性,与力或位移这样的物理概念不同,不能作为设计变量在抗震设计中直接运用,更多是与建筑物的破坏程度联系在一起,建筑物的破坏程度可以用位移、力、能量以及损伤等反应参数进行表示,所以,基于性能的抗震设计与基于承载力或者基于位移等抗震设计相比,其设计的理念更为广义,如今,在进行有针对性的基于位移、损伤以及能量等抗震设计方法的研究中,一般的主导思想都是基于性能的抗震设计。

二、现代抗震设计综述

第一,基于承载力的结构抗震设计,基于承载力的结构抗震设计,建立在静力分析的理论之上,以惯性力的形式来反映地震作用,并按弹性方法来计算结构地震作用效应的大小、进行结构弹性位移验算,把结构构件的强度是否达到特定的极限状态作为结构失效的准则。一是设计地震作用的确定,在基于承载力的结构抗震设计方法中,设计地震作用取值由设防烈度的地面运动有效峰值加速度考虑放大效应和地震作用效应降低系数的综合影响后得来的,可以用如下公式表示:f = kβig/r式中:f―建筑结构总水平地震作用;k―地震系数(不同地震分区所取的相当于设防烈度水准的地面运动有效峰值加速度或地面运动峰值加速度与重力加速度的比值,它反映了不同地区设防烈度地震的强弱);β ―动力放大系数(对应于不同周期的结构反应峰值加速度与地面运动有效峰值加速度或峰值加速度比值的拟合值,它反映了不同周期体系对地震作用的动力放大效应);i―建筑重要性系数;r―地震作用降低系数;g―结构重力荷载代表值(取恒载和可能与设计地震作用同时出现的活载之和)。地震系数k 反映的是不同地区设防烈度地震的强弱,根据各地区不同的地震危险性将其细分为不同地震区域,并对每个地区根据统计结果重现期给出其地震系数。动力放大系数β反映了不同周期弹性单自由度体系的动力放大效应,它通常是从相对于地面运动有效峰值加速度作归一化处理后的多条弹性加速度反应谱曲线中经归纳和简化后得到的。加速度反应谱是确定的地面运动通过一组阻尼比相同自振周期不同的单自由度体系所引起的各体系最大加速度反应与相应体系自振周期间的关系曲线。二是基于承载力结构抗震设计方法的研究现状,基于承载力的抗震设计法作为产生较早的方法,从20世纪年代中期开始广泛应用,经过多年的研究发展较之其他抗震设计方法相对成熟。目前加速度反应谱的短周期段的精度已基本满足工程使用要求,研究主要关注反应谱的不合理性。随着高层、超高层等长周期结构的发展,对反应谱长周期的研究也逐渐开展。考虑到现有的科技水平及设计习惯,弹性加速度反应谱仍是现阶段结构抗震设计计算的最基本依据,研究工作主要集中在结合场地影响、强震观测改进及结构时程分析对加速度反应谱的长周期段进行修正,以求使地震作用计算更加合理准确。

第二,基于能量的结构抗震设计,基于能量的抗震设计理论主要是通过能量的角度在地震地面运动对结构的作用进行考虑,具有明确的概念,也能把地震的动强度、频谱以及持时对结构带来的破坏进行很好的反映,通过输入能量与耗散能量的角度对结构进行捕捉到在强烈的地震作用下的变形过程。因为能量分析具有一定的复杂性,基于能量的结构抗震设计的方法还正在研究的阶段,要在实际工程设计中进行运用,到现在为止还没有真正建立起来。在抗震研究中有两个非常重要的论题就是能量概念与破坏模型,尤其是现在提出的基于性能的抗震设计的思想,对于抗震结构的耗能力以及性能的研究又提出更高的要求。此方法能够对结构滞形而对结构破坏影响的特点进行全面的考虑,并且对于基于性能的抗震设计理念有着非常重要的意义,所以,基于能量的抗震设计的方法对于抗震理念的进一步发展起着很大的促进作用,也是传统抗震设计方法得到改进的重要发展方向。

第三,基于损伤的结构抗震设计,近些年以来,经过各国的学者的研究表明,因为地震具有往复性,而且地震动持的时间比较短,所以,受地震的作用,其损伤不但与最大变形有关系,同时,与结构的低周疲劳效应带来的累积损伤也有关系。通过反映结构的变形以及累积损伤效一些的损伤性能参数能把结构的非弹性性能更好的描述出来。因为计算损伤指数是把计算结构的累积滞回耗能作为基础的,而结构能量分析的重点是累积滞回耗能计算,因此,也可把基于损伤的设计方法作为能量法结合性能设计思想的一种应用的方法。基于损伤的抗震设计就是对结构损伤指数的反映,对地震损伤模型的损伤指数进行适当的选取,再进行验算看是否与预定的损伤性能目标相符合。

第四,基于性能的抗震设计的概念,组织描述基于性能抗震设计就是性能设计是要对设计标准进行选择,结构的形式要恰当,规划要合理,才能使建筑物的结构与非结构的细部构造设计得到保证,对建造质量进行控制并进行长期的维护,让建筑物在受到一定水平地震作用下,破坏的结构处于特定的范围内。Atc组织的描述是对基于性能抗震设计在进行结构设计中,选用的标准通过结构性能目标来体现,主要是对混凝土结构而且采用基于能力的设计原理。

三、国际抗震设计新理念分析

很多国家在进行高层建筑的抗震设计中,都有很多新的结构出现,例如:美国的纽约四十二层高的建筑物,建在基础分离的九十八个橡胶的弹簧上,日本 的建在弧型的钢条上,前苏联的建在基础分离的沙垫层上,这些都是在实际中成功的案例,都在建筑结构的体型上得到明显的提升,对传统的插入式刚箍捆住内力的结构体系进行入改变。总之,在很多建筑设计的结构中都要想办法避免地震灾害。实质上也是对似地球为相当好的惯性参考系”为指导理论的反映,现行的抗震硬抗以及死抗地震打击设计的制定,实质也是对建筑结构受力体系的改变,而不在似地球为绝对静止不动的惯性参考系了。

日本东京建造的弹性建筑达到十二座,经过6.6级地震的考验,达成非常明显的减灾效果。此种弹性的建筑物在隔离体上进行建设,隔离体的组成包括分层橡胶、硬钢板组以及阻尼器,建筑结构不会与地面发生直接的接触。阻尼器是由螺旋钢板组成,可以使颠簸的感觉得到减缓。在美国硅谷建造了一座电子工厂大厦,就是滚珠大楼,采用了一种新的抗震法,也就是在建筑物的每一根柱子或墙体下进行不锈钢滚珠的安装,通过滚珠来对整个建筑进行支撑,钢梁纵横交错,却把建筑物紧紧的固定在地基上,在地震发生的时候,富有弹性的钢梁会进行自动的伸缩,而大楼在滚珠上发生轻微的前后滑动,可以把地震带来的破坏大大的减弱。在日本的鹿岛,建筑部门对弹簧大楼发明了一种俗人的防震营造法,就是通过弹簧把与地基连接的基础部分与建筑物的主体分离开来,让建筑物的主体处于一种能对地震吸收和其他振动冲击的中介物上。不管地基发生怎样的摇晃,振动的能量在传到建筑物的时候,其振动量也会减到原来的十分之一。

四、结束语

总而言之,通过对建筑抗震设计的综合分析,以及国际抗震设计新理念的总结,可以发现建筑结构的抗震设计是一个庞大的课题,并且具有一定的复杂性,具有非常广泛的涉及面,本文中对此理念并没有深入的研究,因为时间以及能力还非常有限。在未来的研究中,在建筑抗震设计中还需要进一步探讨各个方面的知识。

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[2] 叶列平,经杰.论结构抗震设计方法[c].第六届全国地震工程会议论文集,2002.

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【关键词】高层建筑;结构工程;抗震设计

一、结构抗震设计的重要性

地震是一种随机振动,有难于把握的复杂性和不确定性,要准确预测建筑物所遭遇地震的特性和参数,目前尚难做到。在结构分析方面,由于未能充分考虑结构的空间作用、结构材料的非弹性性质、材料时效、阻尼变化等多种因素,同时也存在着不准确性。因此,工程抗震问题不能完全依赖“计算设计”解决,而必须立足于“概念设计”。概念设计是指设计人员从结构的宏观整体出发,用结构系统的观点,着眼于结构整体反应,正确地解决总体方案、材料使用、分析计算、截面设计和细部构造等问题,力求得到最为经济、合理的结构设计方案以达到合理抗震设计的目的。结构抗震概念设计的目标是使整体结构能发挥耗散地震能量的作用,避免结构出现敏感的薄弱部位。地震能量的聚散,如果仅集中在少数薄弱部位,必会导致结构过早破坏,目前各种抗震设计方法的前提之一就是假定整个结构能发挥耗散地震能量的作用,在此前提下才能以多遇地震作用进行结构计算、构件截面设计并辅以相应的构造措施,必要时采用弹性时程分析法进行补充计算,试图达到罕遇地震作用下结构不倒塌的目标。

二、高层混凝土建筑结构抗震设计策略

1、从建筑的全局出发

高层混凝土建筑结构设计要从建筑的全局出发,全面考虑各种建筑部位的功能,在此基础上,科学设计每个部分的构件,保证每个部件之间的契合,促使每个部件或者是若干部件组合起来可以完成某一特定的设计要求,满足一定的现实需求,同时,通过抗震设计,使得每个构件都可以具有相应的承载力,当地震来袭,每个构件都可以有着一定的次序先后破会,整体组合构件将会有着更强大的承载力和柔性,从而延缓地震破坏的速度,消耗爆发的能量。增强建筑的整体抗震能力。

2、地基选址

地基选址是进行建筑结构设计的基础,因此,在房间结构抗震设计中,要科学避开山嘴,山包,陡坡,河流等不利因素,要本着坚硬,牢固,平坦,开阔的选址原则。亲身实地,利用先进技术设备,进行地质勘探,山石水土监测,并取样论证,科学严谨分析。力求使得整个地基牢固可靠,地质稳定无渗漏,无坍塌,无暗河,无熔岩,无火山……从而保证整个地基不会因为承载而发生小范围的坍塌。影响到整体承载能力和抗震能力设计。

3、高度的确定

按我国现行高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2002)规定,在一定设防烈度和一定结构型式下,钢筋混凝土高层建筑都有一个适宜的高度。这个高度是我国目前建筑科研水平、经济发展水平和施工技术水平下,较为稳妥的,也是与目前整个土建规范体系相协调的。可实际上,已有许多混凝土结构高层建筑的高度超过了这个限制。对于超高限建筑物,应当采取科学谨慎的态度:一要有专家论证,二要有模型振动台试验。在地震力作用下,超高限建筑物的变形破坏性态会发生很大的变化。因为随着建筑物高度的增加,许多影响因素将发生质变,即有些参数本身超出了现有规范的适宜范围,如安全指标、延性要求、材料性能、荷载取值、力学模型选取等。

4、材料的选用和结构体系

在地震多发区,采用何种建筑材料或结构体系较为合理应该得到人们的重视。我国150m以上的建筑,采用的三种主要结构体系(框—筒、筒中筒和框架—支撑体系),都是其他国家高层建筑采用的主要体系。但国外,特别在地震区,是以钢结构为主,而在我国钢筋混凝土结构及混合结构占了90%。如此高的钢筋混凝土结构及混合结构,国内外都还没有经受较大地震作用的考验。在高层建筑中采用框架———核心筒体系,因其比钢结构的用钢量少,又可减少柱子断面,故常被业主所看中。混合结构的钢筋混凝土内简往往要承受80%以上的震层剪力,有的高达90%以上。由于结构以钢筋混凝土核心筒为主,变形控制要以钢筋混凝土结构的位移限值为基准。但因其弯曲变形的侧移较大,靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移,不仅增大了钢结构的负担,且效果不大,有时不得不加大混凝土筒的刚度或设置伸臂结构,形成加强层才能满足规范侧移限值;此外,在结构体系或柱距变化时,需要设置结构转换层。加强层和转换层都在本层形成大刚度而导致结构刚度突变,常常会使与加强层或转换层相邻的柱构件剪力突然加大,加强层伸臂构件或转换层构件与外框架柱连接处很难实现强柱弱梁。因此在需要设置加强层及转换层时,要慎重选择其结构模式,尽量减小其本身刚度,减小其不利影响。

在高层建筑中,应注意结构体系及材料的优选。现在我国钢材生产数量已较大,建筑钢材的类型及品种也在逐步增多,钢结构的加工制造能力已有了很大提高,因此在有条件的地方,建议尽可能采用钢骨混凝土结构、钢管混凝土(柱)结构或钢结构,以减小柱断面尺寸,并改善结构的抗震性能。在超过一定高度后,由于钢结构质量较小而且较柔,为减小风振而需要采用混凝土材料,钢骨(钢管)混凝土,通常作为首选。

另外,许多高层建筑底部几层柱虽然长细比小于4,但并不一定是短柱。因为确定是不是短柱的参数是柱的剪跨比,只有剪跨比≤2的柱才是短柱。有专家学者提出现行抗震规范应采用较高轴压比。但是即使能调整轴压比限值,柱断面并不能由于略微增大轴压比限值而显著减小。因此在抗震的超高层建筑中采用钢筋混凝土是否合理值得商榷。

总之,钢筋混凝土框架结构是我国大量存在的建筑结构形式之一,钢筋混凝土框架结构的柱端与节点的破坏较为严重,其抗震设计中应该钢筋混凝土高层建筑结构抗震关键设计,另外,必须满足“强柱弱梁”“、强剪弱弯”“、强节点”“、强底层柱底”等延性设计原则和有关规定。

5、运用延性设计

结构良好的延性有助于减小地震作用,吸收与耗散地震能量,避免结构倒塌。因此,结构设计应力求避免构件的剪切破坏,争取更多的构件实现弯曲破坏。始终遵循“强柱弱梁,强煎弱弯、强节点、弱锚固”原则。构件的破坏和退出工作,使整个结构从一种稳定体系过渡到另外一种稳定体系,致使结构的周期发生变化,以避免地震卓越周期长时间持续作用引起的共振效应。

三、结语

总之,高层建筑结构的抗震设计方法和技术是不断变化和进步的,需要在具体的实践中对高层建筑所处的地质和环境进行详细的分析和研究,选用适合的抗震结构,注重建筑结构材料的选择,减小地震的作用力,增强地震的抵抗力,从而达到高层建筑抗震的目的。

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关键词:地震,建筑结构,抗震能力

 

破坏性地震会给国家经济建设和人民生命财产安全造成直接和间接的危害和损失,尤其是强烈的地震会给人类带来巨大的灾害。目前,每年全世界由地震灾害造成的平均死亡人数达8000-10000 人,平均经济损失每次达十亿美元。尽管如此,地震造成的惨重人员伤亡和巨大的财产损失,主要却是由建筑物的破坏所引起。因此,如何提高建筑物的抗震能力就成为一个很关注的问题。

1.影响建筑结构抗震能力的主要因素

1.1建造结构所用的材料及施工质量

这个因素是显而易见的,但是也容易被人们忽视。对于材料而言,我们要明确这样一个道理:地震对结构作用的大小几乎与结构的质量成正比。一般说在相同条件下,质量大,地震作用就大,震害程度就大;质量小,地震作用就小,震害就小。所以,在建筑的楼板、墙体、框架、隔断、围护墙以及屋面构件中,广泛采用多孔砖、硅酸盐砌块、陶粒混凝土、加气混凝土板、空心塑料板材、瓦楞铁等轻质材料,将能显著改善建筑的抗震性能。

施工质量的影响是深远的,在整个施工过程中,任何一个环节出现问题,都可能影响建筑结构本身的抗震能力。施工中造成的材料性能和截面几何特征在一定范围内变动,砂浆强度、混凝土浇筑质量以及延性构造措施在施工中的变动等施工质量问题,对实际结构抗震性能具有重要影响。

1.2建筑物本身的设计

建筑物如果平面布置复杂,致使质心与刚心不重合,在地震作用下产生扭转效应,则会加剧地震的破坏作用。海城地震和唐山地震中有不少这样的震害实例。台湾921 地震中,一栋钢筋混凝土结构由于结构平面不规则,在水平地震作用下,结构产生严重扭转效应而破坏倒塌,同时撞坏相邻建筑上部的阳台。抗震设计中,要求结构平面布置尽可能地使结构的刚心和质心相一致,以减小地震作用下结构产生的扭转效应,对于结构平面布置不规则的房屋应注意偏离结构刚心远端抗震墙或框架柱承载力的验算。建筑立面应避免头重脚轻,结构重心尽可能的降低,出屋面部分如屋顶的女儿墙、水箱间等,由于根部与下部结构连接薄弱,刚度突变,受鞭梢效应影响严重,在地震时容易率先破坏倾倒;另外,其地震作用通过周边的屋面结构传至下部结构,如屋面结构刚度不够时,在突出屋面结构的下部一定范围内破坏相对集中。

1.3建筑场地

地震造成建筑物的破坏, 情况是各种各样的。其一,由于地震时的地面强烈运动,使建筑物在振动过程中,因丧失整体性或强度不足,或变形过大而破坏;其二,由于水坝倒塌、海啸、火灾、爆炸等次生灾害所造成;其三,由于断层错动、山崖崩塌、河岸滑坡、地层陷落等地面严重变形直接造成。免费论文参考网。前两种可以通过工程措施加以防治,而后一种情况,单靠工程措施很难达到预防目的,或者代价昂贵。

2.建筑结构抗震能力评估方法

建筑结构抗震能力评估方法是高层建筑结构分析的核心内容。只有对建筑结构抗震能力正确的评估,才能有预见性的研究出合理而科学的建筑结构。

2.1弹塑性计量法

目前,弹塑性分析已经成为结构抗震设计的一个重要组成部分。国内外大量地震震害教训表明,建于强震区的早期结构,具有较高的地震易损伤性。如何评定这些已建结构的抗震性能,并据此进行合理的抗震加固,对最大限度的降低地震震害损失以及保护人民生命财产安全,都具有重要意义。弹塑性分析法主要用于对现有结构或设计方案进行抗侧力能力的计算,从而估计其抗震能力,自从基于性能的抗震设计理论提出之后,该方法的应用范围逐渐扩大到新建建筑结构的弹塑性抗震分析。这种方法与传统的抗震静力方法区别主要在于它考虑了结构的弹塑性性能并将设计反应谱引入了计算过程和计算结果的解释。基本原理是:在结构上施加竖向荷载并保持不变,同时施加某种分布的水平荷载,该水平荷载单调增加,构件逐步屈服,从而得到结构在横向静力作用下的弹塑性性能。正因为弹塑性计量法的这种特点,已经在建筑结构抗震能力评估领域发挥越来越重要的作用。而其中弹塑性静力分析作为结构弹塑性变形分析方法之一,以其实用性较强的优点正受到越来越多的关注,已经被列入我国《建筑抗震设计规范》。

2.2反应谱法

用动力方法计算质点体系地震反应,建立反应谱;再用加速度反应谱计算结构的最大惯性力作为结构的等效地震荷载;然后按静力方法进行结构计算设计的方法。因此,是一种拟静力方法。我国抗震规范及高层规范都要求在高层建筑中用反应谱方法计算等效地震力,一般有两种方法:第一种是反应谱底部剪力法:当结构高度小于40m,沿高度方向质量刚度分布比较均匀,以第一振型为主的高层建筑;第二种反应谱振型叠加法:当把结构简化为平面结构进行分析时,采用平方和的平方根法(SRSS 方法);当采用空间协同分析或空间分析方法时,考虑空间各振型的相互影响,采用完全二次方程法(CQC 方法)。

3.提高我国建筑结构抗震能力的建议

3.1对旧有建筑进行加固行动

建成于七十年代前后的建筑物,限于当时的具体条件,基本上都没有或者很少考虑抗震问题,很多房屋现在已经开始出现基础沉降、墙体裂缝、倾斜、面层剥落等现象或隐患,其中部分建筑已影响使用,甚至出现危房。免费论文参考网。鉴于拆旧建新投资费用较大,为了确保人民生命财产的安全,充分利用原有旧房,对不符合抗震要求的进行加固,对部分部位及构件进行修缮,以满足抗震设防目标,是十分必要的。而通常的方法是将结构隔震、消能减震技术应用到建筑物的抗震加固中。这种方法在某些方面具有独特的优点,它摆脱了常规加固中以构件承载力为主的加固模式,寻求通过减小建筑物上地震作用的途径,使结构及构件满足承载力要求,从而达到加固目的。我国人口众多,地震灾害频繁,因此多途径研究探索既有建筑物的抗震改造加固方法,以满足不同的改造加固要求,对工程结构抗震具有积极的意义。

3.2研究开发更为合理的结构形式

随着科技日益高速发展,自重轻、跨度大、功能多样、施工周期短成为现代建筑结构的发展方向。免费论文参考网。因而,研制出轻质高强的新型建筑材料,研究开发合理的结构形式成为各种新型结构体系应运而生的前提和基础。

我们可以推荐开合屋盖结构。这种结构是一种在很短时间内部分或全部屋盖结构可以移动或开合的结构形式,它使建筑物在屋顶开启和关闭两个状态下使用。开合屋盖是将一个完整的屋盖结构划分成几个可动和固定单元,使可动单元能够按照一定轨迹移动达到屋盖开合运转的目的。根据开合机理,屋盖体系的开合移动方式可分为:水平移动方式、水平旋转移动方式、空间移动方式、绕枢轴转动方式、折叠移动方式和组合移动方式等。开合屋盖结构的设计与施工涉及到建筑、结构、机械、控制诸多方面的影响和控制,是一种全方位的知识的理解与运用的结晶。开合结构体系运用的好坏与它的造型、功能相关,还与其屋盖在开启状态下的开启率、天空形状和亮度,屋盖关闭后的形状、运转和施工难度等许多方面的因素相关。该种结构在屋顶中心设置液压阻尼器减震,避免了在开合过程中振幅过大导致附属材料之间的互相碰撞。屋盖移动的轨道上装有地震仪,这一装置保证了该结构在发生地震时的结构安全和正常运转。虽然现在我国的开合结构还处于起始状态,但是由于开合结构具有的独特优越性,我国的建筑师和结构工程师们已经开始关注这一新型结构体系。

参考文献

[1] 王彦兴. 框剪结构在地震作用的时程分析[J]. 山西建筑,2010, (01) .

[2] 郑国栋,李校兵. 不同方法对某桥梁抗震分析的影响比较[J]. 公路,2010,(03).

[3] 郭炽斌,尹益辉,朱宝龙. 双索面斜拉桥主梁抗震强度的模糊可靠性分析[J]. 青岛理工大学学报,2010,(01).

篇7

【Abstract】The Wenchuan earthquake in 2008 caused great losses to the country and the people, not only suffered a lot of damage to the body, but also cast a shadow over the people and the people of the state.Therefore, more and more people begin to pay attention to the earthquake disaster. And the seismic performance of buildings has become a research topic of experts.Today, the seismic design has been integrated in the modern building curtain wall design to weaken the earthquake brought about by the vibration effect.

【关键词】建筑幕墙设计;抗震设计;技术要点

【Keywords】building curtain wall design;seismic design;technical points

【中图分类号】TU3 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069(2017)03-0108-02

1 引言

因国内经历了汶川地震、玉树地震,所以现今国内所建建筑对抗震功能上要求较高,尤其是在建筑工程中幕墙的设计方面。因此,对结构抗震进行设计则成为建筑工程的重点,以此提高建筑抗震性。而建筑幕墙设计是整个建筑设计的重点内容,针对如何提高建筑的抗震性,诸多相关学者都希望通过更加有效的办法来提高建筑幕墙的设计。

2 建筑幕墙相关概述

建筑幕墙一般应用在一些大型建筑物和高层建筑物的发挥装饰作用,其在材质上较轻薄,且不承重,只像一层幕布挂在主建筑的。但是,建筑幕墙所承受的重量并不靠建筑主体承受,因其重量对主建筑质量承受上有一定影响,并且对主建筑的性能也会产生一定影响。现今,随着大众对建筑幕墙抗震性的要求越来越高,而在建筑设计中对幕墙结构的设计则成为设计师所要考虑的重点。如何合理地对抗震结构进行设计,使其既能发挥建筑幕墙应有的作用,又具有一定的抗震性则是论文所要研究的重点问题。

对建筑幕墙进行划分一般会通过两种类型对其进行划分,一种是按照幕墙封闭的形式进行划分,则可以分为封闭式建筑幕墙与非封闭式建筑幕墙;而另一种类型则是按照支撑建筑幕墙结构进行划分,可分为单元式幕墙、双层幕墙、构建式幕墙以及全玻璃幕墙集中形式。[1]这为建筑设计师在建筑幕墙设计中提供更多方式支持,可以在幕墙设计中对抗震结构的设计根据实际情况进行设计,以此设计的抗震结构才能更加合理。并且不同类型的建筑幕墙具有其一定的优势,而对抗震结构进行设计时就可以通过建筑幕墙所具有的特点在设计中进行使用。对建筑幕墙研究中了解到,建筑幕墙本身就有一定的优点,如干净清洁,且容易维护,还具有一定的节能性。因幕墙在整个建筑物,所以其还具有一定的美观性。对其进行定期维护,保持干净清洁则可以提升整个建筑物的形象;而幕墙具有一定的节能功能主要体现在其实用性方面,并且节能是建筑幕墙最基本的特点,不但可以节约资源消耗,并且还能对建筑物实现节能作用;幕墙宜维护是因其在清洁和维护上较为简便,而现今所用的建筑幕墙首先要考虑的就是使用与后期维护问题,以此才能得到长期使用。

3 设计符合抗震需要的建筑结构的方法

在建筑结构建设过程中想要达到抗震的效果,那么必然在结构设计上要进行考虑,以此能够满足建筑抗震的要求。也可以说,建筑在抗震设计上要能够达到国家所规定的建筑防震安全指标,所以对其建筑防震设计也提出了更高要求。从国内诸多建筑在结构抗震设计情况上进行分析,一般都会在之前建筑幕墙结构的基础上增加抗震效果,以此达到抗震安全系数。现今,在建筑幕墙结构设计中一般都会通过筛鼋锥问迪纸峁箍拐鸬纳杓啤

第一阶段则要保证所建设的建筑主体要有一定的承载能力,如果建筑主体都不具备基本抗震标准,那么幕墙结构抗震效果自然也不能发挥应有的作用。[2]因此,对于建筑主体的要求要能够达到地震环境下对其的安全系数标准。因在地震发生时,人们对于地震会有不同程度的判断,如根据人们的感觉或者物品破坏的程度等,建筑主体受到地震灾害之后的破坏程度等进行判断。因此,对于建筑结构建设过程中的安全系数必须要达到基本要求,且在必要条件下也要提高对建筑安全系数的要求。如在建筑结构抗震安全系数设计过程中,要根据所处地域遭受最强地震的效应设计符合效应的建筑抗震结构,能够在减少承载能力方面以及基础结构弹性方面符合结构抗震的基本要求。

第二阶段在设计要求上相比较第一阶段的建筑结构要求要高,如对建筑结构在地震效应下结构的变形程度,以及弹性程度等是否满足地震强度标准,这是建筑设计过程中在结构抗震中的要求。

4 同抗震相关的建筑幕墙安全技术要求

对建筑幕墙结构抗震设计是否满足设计要求,除了要确定其是否具有可靠性之外,还要对建筑幕墙是否具备安全技术要求进行了解。

首先,对于建筑幕墙来说,其在设计过程中一定要对使用材料的标准进行确定,要能够满足结构抗震设计要求,并且要符合工程建设设计上的要求。

其次,建筑幕墙要使用大量玻璃,所以对玻璃使用上是否存在不合理或者不安全因素,就要及时进行解决,以免弱化结构抗震效果。

再次,幕墙以轻质镶嵌板材与结构框架所组成,所以对于衔接处就要非常注意,如果在缝隙或者幕墙的框架中出现缝隙,那么就需要及时进行粘接和固定。其中,不可使用一些与建筑设计要求不符的粘接材料,对建筑幕墙今后的维护必然会产生不利影响,而应选择耐久性较好的粘接材料,以此保证建筑幕墙安全性和稳定性。

复次,因建筑幕墙中采取大量玻璃作为幕墙的基础结构,所以幕墙建设过程中就要注意玻璃密封的问题。现今,大多幕墙建筑在设计过程中都会以硅酮密封胶作为密封玻璃,以此满足幕墙玻璃使用要求。但是,在使用过程中要根据玻璃的大小选择不同尺寸的密封胶,以此满足结构抗震设计的要求。

最后,幕墙结构框架应以不锈钢材质作为首要选择,因考虑到建筑幕墙在外部环境中,所以考虑框架腐朽问题时,应以不锈钢材质为主,否则会影响幕墙使用的年限和抗震性。

所用幕墙材料要根据幕墙结构抗震安全系数标准进行选择,与此同时还要根据建筑工程设计的实际要求实施。在幕墙建设竣工之后,要对幕墙建设情况进行反复检查,对其玻璃缝隙问题、墙壁厚度问题、所使用密封胶情况、不锈钢材硬度等都要进行检查,以保证其达到结构抗震设计要求。

5 地震对建筑抗震设计要求的启示

地震灾害给人们身心带来巨大影响,而在地震灾害过后,要从悲痛中得到警示,以此在建筑设计中要融入结构抗震设计的要求。对于自然灾害人们不能避免,但是可以通过有效的方法来避免地震所带来的影响。而在幕墙中结构抗震设计是否满足抗震要求,则是大众所关心的问题。首先,对现今建筑幕墙的建设,其在质量上是否满足工程建设实际要求,且在此基础上是否达到抗震安全系数要求等则是所要重视的问题;其次,对于幕墙设计结构的安全性要进行分析,因幕墙本身材质较轻,无法对建筑主w起到承重作用,只是作为一种保护悬挂在建筑主体。从装饰角度来看,幕墙具有一定的美观性,但如果要提高其抗震性则发挥了幕墙的重要作用。[3]因幕墙在结构上较为简单,由基础框架同面板或者玻璃组成,所以其具备一定美观性的同时,还具备一定变形功能,能够在地震过程中进行稍微移位,以达到对建筑主体保护的功能,所以幕墙变形能力的设计要根据幕墙实际承载能力进行设计。

6 结语

近年来,世界多地发生强烈的地震,国内四川、甘肃等地的地震给国家和人民的生命和财产带来严重危害。所以,在建筑设计过程中给人们敲响了警钟,能够通过建筑幕墙结构抗震性上的设计,减小地震所带来的危害,已经成为大众所关注的重点问题。在建筑结构设计过程中,对结构抗震设计要根据科学的方法进行设计,既要能够满足幕墙设计的基本要求,又要在此基础上确保幕墙结构达到结构抗震要求。所以,在幕墙建设过程中幕墙的质量是结构抗震效果的关键。

【参考文献】

【1】裴绍军.浅谈现代建筑幕墙设计中的结构抗震设计[J].中国建筑金属结构,2013(10):136-139.

篇8

[论文摘要]文章分析高层建筑结构的六个特点,并介绍目前国内高层建筑的四大结构体系:框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构和筒体结构。

我国改革开放以来,建筑业有了突飞猛进的发展,近十几年我国已建成高层建筑万栋,建筑面积达到2亿平方米,其中具有代表性的建筑如深圳地王大厦81层,高325米;广州中天广场80层,高322米;上海金茂大厦88层,高420.5米。另外在南宁市也建起第一高楼:地王国际商会中心即地王大厦共54层,高206.3米。随着城市化进程加速发展,全国各地的高层建筑不断涌现,作为土建工作设计人员,必须充分了解高层建筑结构设计特点及其结构体系,只有这样才能使设计达到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量的基本原则。

一、高层建筑结构设计的特点

高层建筑结构设计与低层、多层建筑结构相比较,结构专业在各专业中占有更重要的位置,不同结构体系的选择,直接关系到建筑平面的布置、立面体形、楼层高度、机电管道的设置、施工技术的要求、施工工期长短和投资造价的高低等。其主要特点有:

(一)水平力是设计主要因素

在低层和多层房屋结构中,往往是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计。而在高层建筑中,尽管竖向荷载仍对结构设计产生重要影响,但水平荷载却起着决定性作用。因为建筑自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值,仅与建筑高度的一次方成正比;而水平荷载对结构产生的倾覆力矩、以及由此在竖向构件中所引起的轴力,是与建筑高度的两次方成正比。另一方面,对一定高度建筑来说,竖向荷载大体上是定值,而作为水平荷载的风荷载和地震作用,其数值是随着结构动力性的不同而有较大的变化。

(二)侧移成为控指标

与低层或多层建筑不同,结构侧移已成为高层结构设计中的关键因素。随着建筑高度的增加,水平荷载下结构的侧向变形迅速增大,与建筑高度H的4次方成正比(=qH4/8EI)。

另外,高层建筑随着高度的增加、轻质高强材料的应用、新的建筑形式和结构体系的出现、侧向位移的迅速增大,在设计中不仅要求结构具有足够的强度,还要求具有足够的抗推刚度,使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限度之内,否则会产生以下情况:

1.因侧移产生较大的附加内力,尤其是竖向构件,当侧向位移增大时,偏心加剧,当产生的附加内力值超过一定数值时,将会导致房屋侧塌。

2.使居住人员感到不适或惊慌。

3.使填充墙或建筑装饰开裂或损坏,使机电设备管道损坏,使电梯轨道变型造成不能正常运行。

4.使主体结构构件出现大裂缝,甚至损坏。

(三)抗震设计要求更高

有抗震设防的高层建筑结构设计,除要考虑正常使用时的竖向荷载、风荷载外,还必须使结构具有良好的抗震性能,做到小震不坏、大震不倒。

(四)减轻高层建筑自重比多层建筑更为重要

高层建筑减轻自重比多层建筑更有意义。从地基承载力或桩基承载力考虑,如果在同样地基或桩基的情况下,减轻房屋自重意昧着不增加基础造价和处理措施,可以多建层数,这在软弱土层有突出的经济效益。

地震效应与建筑的重量成正比,减轻房屋自重是提高结构抗震能力的有效办法。高层建筑重量大了,不仅作用于结构上的地震剪力大,还由于重心高地震作用倾覆力矩大,对竖向构件产生很大的附加轴力,从而造成附加弯矩更大。

(五)轴向变形不容忽视

采用框架体系和框架——剪力墙体系的高层建筑中,框架中柱的轴压应力往往大于边柱的轴压应力,中柱的轴向压缩变形大于边柱的轴向压缩变形。当房屋很高时,此种轴向变形的差异将会达到较大的数值,其后果相当于连续梁中间支座沉陷,从而使连续梁中间支座处的负弯矩值减小,跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大。

(六)概念设计与理论计算同样重要

抗震设计可以分为计算设计和概念设计两部分。高层建筑结构的抗震设计计算是在一定的假想条件下进行的,尽管分析手段不断提高,分析的原则不断完善,但由于地震作用的复杂性和不确定性,地基土影响的复杂性和结构体系本身的复杂性,可能导致理论分析计算和实际情况相差数倍之多,尤其是当结构进入弹塑性阶段之后,会出现构件局部开裂甚至破坏,这时结构已很难用常规的计算原理去进行分析。实践表明,在设计中把握好高层建筑的概念设计也是很重要的。

二、高层建筑的结构体系

(一)高层建筑结构设计原则

1.钢筋混凝土高层建筑结构设计应与建筑、设备和施工密切配合,做到安全适用、技术先进、经济合理,并积极采用新技术、新工艺和新材料。

2.高层建筑结构设计应重视结构选型和构造,择优选择抗震及抗风性能好而经济合理的结构体系与平、立面布置方案,并注意加强构造连接。在抗震设计中,应保证结构整体抗震性能,使整个结构有足够的承载力、刚度和延性。

(二)高层建筑结构体系及适用范围

目前国内的高层建筑基本上采用钢筋混凝土结构。其结构体系有:框架结构、剪力墙结构、框架—剪力墙结构、筒体结构等。

1.框架结构体系。框架结构体系是由楼板、梁、柱及基础四种承重构件组成。由梁、柱、基础构成平面框架,它是主要承重结构,各平面框架再由连系梁连系起来,即形成一个空间结构体系,它是高层建筑中常用的结构形式之一。

框架结构体系优点是:建筑平面布置灵活,能获得大空间,建筑立面也容易处理,结构自重轻,计算理论也比较成熟,在一定高度范围内造价较低。

框架结构的缺点是:框架结构本身柔性较大,抗侧力能力较差,在风荷载作用下会产生较大的水平位移,在地震荷载作用下,非结构构件破坏比较严重。

框架结构的适用范围:框架结构的合理层数一般是6到15层,最经济的层数是10层左右。由于框架结构能提供较大的建筑空间,平面布置灵活,可适合多种工艺与使用的要求,已广泛应用于办公、住宅、商店、医院、旅馆、学校及多层工业厂房和仓库中。

2.剪力墙结构体系。在高层建筑中为了提高房屋结构的抗侧力刚度,在其中设置的钢筋混凝土墙体称为“剪力墙”,剪力墙的主要作用在于提高整个房屋的抗剪强度和刚度,墙体同时也作为维护及房间分格构件。剪力墙结构中,由钢筋混凝土墙体承受全部水平和竖向荷载,剪力墙沿横向纵向正交布置或沿多轴线斜交布置,它刚度大,空间整体性好,用钢量省。历史地震中,剪力墙结构表现了良好的抗震性能,震害较少发生,而且程度也较轻微,在住宅和旅馆客房中采用剪力墙结构可以较好地适应墙体较多、房间面积不太大的特点,而且可以使房间不露梁柱,整齐美观。

剪力墙结构墙体较多,不容易布置面积较大的房间,为了满足旅馆布置门厅、餐厅、会议室等大面积公共用房的要求,以及在住宅楼底层布置商店和公共设施的要求,可以将部分底层或部分层取消剪力墙代之以框架,形成框支剪力墙结构。

在框支剪力墙中,底层柱的刚度小,形成上下刚度突变,在地震作用下底层柱会产生很大内力及塑性变形,因此,在地震区不允许采用这种框支剪力墙结构。

3.框架—剪力墙结构体系。在框架结构中布置一定数量的剪力墙,可以组成框架—剪力墙结构,这种结构既有框架结构布置灵活、使用方便的特点,又有较大的刚度和较强的抗震能力,因而广泛地应用于高层建筑中的办公楼和旅馆。

4.筒体结构体系。随着建筑层数、高度的增长和抗震设防要求的提高,以平面工作状态的框架、剪力墙来组成高层建筑结构体系,往往不能满足要求。这时可以由剪力墙构成空间薄壁筒体,成为竖向悬臂箱形梁,加密柱子,以增强梁的刚度,也可以形成空间整体受力的框筒,由一个或多个筒体为主抵抗水平力的结构称为筒体结构。通常筒体结构有:

(1)框架—筒体结构。中央布置剪力墙薄壁筒,由它受大部分水平力,周边布置大柱距的普通框架,这种结构受力特点类似框架—剪力墙结构,目前南宁市的地王大厦也用这种结构。

(2)筒中筒结构。筒中筒结构由内、外两个筒体组合而成,内筒为剪力墙薄壁筒,外筒为密柱(通常柱距不大于3米)组成的框筒。由于外柱很密,梁刚度很大,门密洞口面积小(一般不大于墙体面积50%),因而框筒工作不同于普通平面框架,而有很好的空间整体作用,类似一个多孔的竖向箱形梁,有很好的抗风和抗震性能。目前国内最高的钢筋混凝土结构如上海金茂大厦(88层、420.5米)、广州中天广场大厦(80层、320米)都是采用筒中筒结构。

(3)成束筒结构。在平面内设置多个剪力墙薄壁筒体,每个筒体都比较小,这种结构多用于平面形状复杂的建筑中。

(4)巨型结构体系。巨型结构是由若干个巨柱(通常由电梯井或大面积实体柱组成)以及巨梁(每隔几层或十几个楼层设一道,梁截面一般占一至二层楼高度)组成一级巨型框架,承受主要水平力和竖向荷载,其余的楼面梁、柱组成二级结构,它只是将楼面荷载传递到第一级框架结构上去。这种结构的二级结构梁柱截面较小,使建筑布置有更大的灵活性和平面空间。

除以上介绍的几种结构体系外,还有其他一些结构形式,也可应用,如薄壳、悬索、膜结构、网架等,不过目前应用最广泛的还是框架、剪力墙、框架—剪力墙和筒体等四种结构。

[参考文献]

[1]GB50011-2001建筑抗震设计规范.

[2]GB50010-2002混凝土结构设计规范.

篇9

关键词:建筑结构,抗震思路,发展历程

 

一. 抗震设计思路发展历程

随着建筑结构抗震相关理论研究的不断发展,结构抗震设计思路也经历了一系列的变化。

最初,在未考虑结构弹性动力特征,也无详细的地震作用记录统计资料的条件下,经验性的取一个地震水平作用(0.1倍自重)用于结构设计。博士论文,发展历程。到了60年代,随着地面运动记录的不断丰富,人们通过单自由度体系的弹性反应谱,第一次从宏观上看到地震对弹性结构引起的反应随结构周期和阻尼比变化的总体趋势,揭示了结构在地震地面运动的随机激励下的强迫振动动力特征。但同时也发现一个无法解释的矛盾,当时规范所取的设计用地面运动加速度明显小于按弹性反应谱得出的作用于结构上的地面运动加速度,这些结构大多数却并未出现严重损坏和倒塌。后来随着对结构非线性性能的不断研究,人们发现设计结构时取的地震作用只是赋予结构一个基本屈服承载力,当发生更大地震时,结构的部位进入屈服后非弹性变形状态,并靠其屈服后的非弹性变形能力来经受地震作用。由此,也逐渐形成了使结构在一定水平的地震作用下进入屈服,并达到屈服后非弹性变形状态来耗散能量的现代抗震设计理论。

由以上可以看出,结构抗震设计思路经历了从弹性到非线性,从基于经验到基于非线性理论,从单纯保证结构承载能力的“抗”到允许结构屈服,并赋予结构一定的非弹性变形性能力的“耗”的一系列转变。

二. 现代抗震设计思路

现代抗震设计理念是基于对结构非弹性性能的研究上建立起来的,其核心主要指在不同滞回规律和地面运动特征下,结构的屈服水准与自振周期以及最大非弹性动力反应间的关系。

60年代开始,研究者在滞回曲线为理想弹塑性及弹性刚度始终不变的前提下,通过对不同周期,不同屈服水准的非弹性单自由度体系做动力分析,得到了有关弹塑性反应下最大位移的规律:对T大于1.0秒的体系适用“等位移法则”,即非弹性反应下的最大位移等于同一地面运动输入下的弹性反应最大位移。对于T在0.12-0.5秒之间的结构,适用“等能量法则”即非弹性反应下的弹塑性变形能等于同一地震地面运动输入下的弹性变形能。当“等能量原则”适用时,随着R的增大,位移延性需求的增长速度比“等位移原则”下按与R相同的比例增长更快。由以上规律我们可以看出,如果以结构弹性反应为准,把结构用来做承载能力设计的地震作用取的越低,即R越大,则结构在与弹性反应时相同的地震作用下达到的非弹性位移就越大,位移延性需求就越高。这意味着结构必须具有更高的塑性变形能力。 规律初步揭示出不同弹性周期的结构,当其弹塑性屈服水准取值大小不同时,在同一地面运动输入下屈服水准与所达到的最大非弹性位移之间的关系。也揭示出了延性能力和塑性耗能能力是屈服水准不高的结构在较大地震引起的非弹性动力反应中不致发生严重损坏和倒塌的主要原因。让人们认识到延性在抗震设计中的重要性。

之所以存在上诉的规律,我们应该注意到钢筋混凝土结构的一些相关特性。首先,通过人为措施可以使结构具有一定的延性,即结构在外部作用下,可以发生足够的非线性变形,而又维持承载力的属性。这样就可以保证结构在进入较大非线性变形时,不会出现因强度急剧下降而导致的严重破坏和倒塌,从而使结构在非线性变形状态下耗能成为可能。其次,作为非线弹性材料的钢筋混凝土结构,在一定的外力作用下,结构将从弹性进入非弹性状态。在非弹性变形过程中,外力做功全部变为热能,并传入空气中耗散掉。我们可以进一步以单质点体系的无阻尼振动来分析,在弹性范围振动时,惯性力与弹性恢复力总处于动态平衡状态,体系能量在动能、势能间不停转换,但总量保持不变。如果某次振动过大,体系进入屈服后状态,则体系在平衡位置的动能将在最大位移处转化为弹性势能和塑性变形能两部分,其中,塑性变性能将耗散掉,从而减小了体系总的能量。

三. 保证结构延性能力的抗震措施

合理选择了结构的屈服水准和延性要求后,就需要通过抗震措施来保证结构确实具有所需的延性能力,从而保证结构在中震、大震下实现抗震设防目标。系统的抗震措施包括以下几个方面内容:

1.“强柱弱梁”:人为增大柱相对于梁的抗弯能力,使钢筋混凝土框架在大震下,梁端塑性铰出现较早,在达到最大非线性位移时塑性转动较大;而柱端塑性铰出现较晚,在达到最大非线性位移时塑性转动较小,甚至根本不出现塑性铰。从而保证框架具有一个较为稳定的塑性耗能机构和较大的塑性耗能能力。

2.“强剪弱弯”:剪切破坏基本上没有延性,一旦某部位发生剪切破坏,该部位就将彻底退出结构抗震能力,对于柱端的剪切破坏还可能导致结构的局部或整体倒塌。因此可以人为增大柱端、梁端、节点的组合剪力值,使结构能在大震下的交替非弹性变形中其任何构件都不会先发生剪切破坏。

3.抗震构造措施:通过抗震构造措施来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。博士论文,发展历程。

抗震设计中我们为了避免没有延性的剪切破坏的发生,采取了“强剪弱弯”的措施来处理构件受弯能力与受剪能力的关系问题。值得注意的是,与非抗震抗剪破坏相比,地震作用下的剪切破坏是不同的。以梁构件为例,在较大地震作用下,梁端形成交叉斜裂缝区,该区混凝土受斜裂缝分割,形成若干个菱形块体,而且破碎会随着延性增长而加剧。由于交叉斜裂缝与塑性铰区基本重合,垂直和斜裂缝宽度都会随延性而增大。抗震下根据梁端的受力特征,正剪力总是大于负剪力,正剪力作用下的剪压区一般位于梁下部,但由于地震的往复作用,梁底的混凝土保护层可能已经剥落,从而削弱了混凝土剪压区的抗剪能力;交叉斜裂缝宽度比非抗震情况大,以及斜裂缝反复开闭,混凝土破碎更严重,从而使斜裂缝界面中的骨料咬合效应退化;混凝土保护层剥落和裂缝的加宽又会使纵筋的销栓作用有一定退化。博士论文,发展历程。可见,地震作用下,混凝土抗剪能力严重退化,但是试验发现箍筋的抗剪能力仍可以维持。当地震作用越来越小时,梁端可能不出现双向斜裂缝,而出现单向斜裂缝,裂缝宽度发育也从大于非抗震情况到接近非抗震情况,抗剪环境越来越有利。博士论文,发展历程。此外,抗震抗剪要求结构构件应在大震下预计达到的非弹性变形状态之前不发生剪切破坏。因为框架剪切破坏总是发生在梁端塑性铰区,这就不仅要求在梁端形成塑性铰前不发生剪切破坏,而且抗剪能力还要维持到塑性铰的塑性转动达到大震所要求的程度,这就需要更多的箍筋。博士论文,发展历程。同时,在梁端塑性变形过程中作用剪力并没有明显增大,也进一步说明这里增加的箍筋不是用来增大抗剪强度,而是为了提高构件在发生剪切破坏时所达的延性。博士论文,发展历程。

延性对抗震来说是极其重要的一个性质,我们要想通过抗震措施来保证结构的延性,那么就必须清楚影响延性的因素。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。如受拉钢筋配筋率越大,混凝土受压区高度就越大,延性越差;受压钢筋越多,混凝土受压区高度越小,延性越好;混凝土强度越高,受压区高度越低,延性越好(但如果混凝土强度过高可能会减小混凝土极限压应变从而降低延性);对柱子这类偏压构件,轴压力的存在会增大混凝土受压区高度,减小延性;箍筋可以提高混凝土极限压应变,从而提高延性,但对于高强度混凝土,受压时,其横向变形系数较一般混凝土明显偏小,箍筋的约束作用不能充分发挥,所以对于高强度混凝土,不适于用加箍筋的方法来改善其延性。

篇10

关键词:建筑抗震设计;教学;实践环节;建筑抗震概念设计

Exploration and practice on teaching in seismic design of buildings

Zhou Qing, Bao Hua, Yu Changrong, Liu Yunping

Nantong University, Nantong, 226019, China

Abstract: Seismic design of buildings has characteristics which the theory is difficult and the range of practice content is wide. According to the characteristics of the course, combined with the practical teaching experience, the teaching contents, teaching methods and practice links have been explored and practiced. Teaching methods and measures have also been discussed to improve students' ability of seismic concept design of buildings.

Key words: seismic design of buildings; teaching; practice links; seismic concept design of buildings

地震是地球上最为严重,也是人类无法控制和阻止的一种自然灾害,地震同时是引起建筑物变形或倒塌的最重要原因。我国是一个多地震国家,唐山地震、汶川地震均造成了巨大的人员伤亡和财产损失。建筑结构抗震设计已成为土木工程设计的核心内容,建筑抗震性能已经成为建筑物最重要的技术指标之一。

建筑抗震设计课程的教学内容广泛、知识体系庞大,具有明确的专业技术规范背景,其理论性、实践性、专业性均很强。该课程对培养学生的实践能力、创新能力和解决实际问题能力以及提高学生的工程素质具有重要的作用,在土木工程专业课程中具有举足轻重的地位。

1 建筑抗震设计课程教学现状

我校土木工程专业开设建筑抗震设计课程已有十余年的历史,其教学时数基本保持在32学时,教学目的为:通过课程的学习,使学生对地震的基本概念有所了解,掌握抗震计算的基本理论和方法,根据抗震设计的原理及结构类别进行结构布置和选型,掌握常用工业与民用建筑的抗震设计方法。

相比其他专业课,建筑抗震设计课程具有理论内容难学而且实践内容广泛的特点,其现状如下:(1)学时少,教学内容多。课程理论知识和专业知识涵盖面广,涉及的课程有结构力学、混凝土结构设计原理、混凝土结构设计、砌体结构、土力学与基础工程、钢结构等,如何利用有限的学时完成抗震课程的教学是需要首先解决的问题。(2)课程实践性强与学生缺乏实际工作经验之间存在矛盾。学生不能深刻理解课程的核心内容,导致工程实践举步维艰。将枯燥的理论与生动的工程实例结合起来,培养学生的工程素质也是本课程教学努力的方向。

2 建筑抗震设计课程教学的探索与实践

2.1 精选教学内容,采用适应性强的科学教学模式

2.1.1 提炼教学核心内容,增强学习效果

建筑抗震设计课程知识体系庞大,在教学时需分清教学内容的主次,把握难点和重点,加强与其他课程的联系,以弥补课时的不足。课程教学划分为理论篇和应用篇两个部分[1]。理论篇主要为结构地震反应分析与抗震验算;应用篇主要为常用工业与民用房屋的抗震设计。理论篇讲述中引导学生复习先修课程的相关知识点,重点讲解基本概念和关键理论,其余点到为止,给学生留下积极思考、主动发挥的空间,强化学生的自主学习。应用篇按照概念设计、结构计算和构造措施这条主线组织教学,密切结合国家现行结构设计相关规范,更新和补充教学内容,使学生能适应新的发展需要;注重实际结构震害的案例分析,以提高学生发现、分析和解决实际问题的能力。

2.1.2 采用多种教学手段促进教学,提高教学质量

建筑抗震设计课程内容多、课时少,无论是完全依赖传统的黑板加粉笔的教学方式,还是完全采用多媒体课件教学都不能满足教学要求,需要寻求新的教学方式。教学时,笔者根据教学内容的不同特点,有针对性地采用不同的教学手段完成教学。课程教学以多媒体技术为主导,在完成大纲要求的基础上,补充国内外各结构类型的建筑震害实例图片、典型大地震震害录像以及地震动画演示等,增强学生的感性认识;对于重要的基础性理论分析和水平地震作用的计算则主要采用传统的板书方式教学,加深学生的理解;对于抗震构造措施的讲解,引导学生利用课余时间深入施工现场,通过对实际工程的调研,加深学生对书本知识的感性认识,同时使学生体会到如何将书本知识运用于工程实践。通过多种教学手段的融合,增加了教师的讲课信息量,给学生提供了一个多维立体的学习空间,使原本枯燥、平面的教学变得生动、立体起来,激发了学生的学习热情和兴趣。

2.2 加强建筑抗震设计在实践性环节中的运用,培养学生的工程素质

我校土木工程专业建筑抗震设计没有安排独立的实践环节,其综合训练放在毕业设计中。在毕业设计题目的选取上,根据学生的就业意向,分为建筑设计类、施工类及科研论文类,学生可从中自由选择。以建筑设计类课题(结构类型为框架结构)为例说明抗震设计在毕业设计中的地位。该课题要求学生完成常用民用建筑全套建筑和结构图纸,同时要求手算整体结构中的一榀框架,计算机建模进行结构分析[2]。

抗震设计贯穿整个毕业设计环节,指导教师根据设计的不同阶段给学生做专题指导。在建筑方案设计阶段,根据建筑抗震设计规范(以下简称抗震规范)[3]概念设计的相关内容,要求建筑物的平、立面布置规则、对称,质量和刚度变化均匀,从而保证建筑物达到较好的抗震性能。楼梯间的布置不应导致结构平面特别不规则。建筑方案避免设计为单跨框架结构形式。在结构方案设计阶段,要求结构体系应具有整体性和抗震设防多道防线,并具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径。对于体型复杂、平立面不规则的建筑,尚应考虑防震缝的设置。在一榀框架的手算阶段,对需要做水平地震作用计算的学生,在框架内力计算阶段,要重视突出屋面的电梯间、楼梯间等产生的鞭端效应。在框架内力组合和在梁、柱配筋计算阶段,需对强柱弱梁、强剪弱弯做相应的计算。在框架梁、框架柱选配钢筋阶段,除了需满足计算要求外,还需要满足抗震规范要求的框架结构基本抗震构造措施。选筋阶段,学生很容易忽视抗震构造措施,指导设计时需重点强调。在计算机建模进行结构分析阶段,补充讲解平法施工图需表达的内容,指导学生读懂读透平法施工图,引导学生利用已学的抗震知识,解读抗震构造措施在毕业设计中的运用。

2.3 案例教学法强化建筑抗震概念设计原则,培养学生综合分析能力

地震是一种随机振动,呈现出难以把握的复杂性和不确定性,目前很难准确预测建筑物所遭受地震的特性和参数。在结构分析方面,由于对地震作用及结构性能的了解还远远不够,其分析结果也存在不确定性。因此,工程抗震问题不能完全依赖“计算设计”解决[4]。

建筑抗震概念设计(简称“概念设计”)是以工程概念为依据,根据实际的经验或试验研究所得到的非常重要的定性设计原则或工程判断进行设计,从有利于提高结构抗震性能的概念上,对所设计的对象作宏观控制。在实际工程设计中,概念设计对提高结构抗震能力发挥了重要作用。

从多年的教学实践中发现,学生对抗震计算掌握得比较好,但是对抗震定性分析、概念设计能力严重不足,主要是由于概念设计要求有深厚的理论基础和丰富的实践经验。在课程教学中,通过典型案例的讲解与讨论,强化结构概念设计的基本原则。如在多道抗震防线教学中重点讲述由林同炎设计的马拉瓜美洲银行的经典案例[5]。马拉瓜美洲银行的概念设计思想是由4个等边的L形柔性筒,通过每层的连梁组成一个正方形核心筒作为主要的抗震结构。在连梁的中部开了较大的孔洞,有意识地形成该结构总体系(第一道防线)中的预定薄弱环节;在遭遇强烈地震时,预计在连梁开洞处开裂,从而变成具有延性和耗能能力的结构体系(第二道防线),即各分体系作为独立的抗震单元。由于马拉瓜美洲银行的上述设计特点,在经历了1972年罕遇的强烈地震作用下未倒坍,甚至未严重破坏,震后的调查正如林同炎所预料的那样,该建筑核心筒的连梁剪切破坏。通过讲述马拉瓜美洲银行的成功案例,引导学生体会刚柔结合、多道防线的概念设计思想。

在讲述建筑形体及其构件布置的平面、竖向不规则性时,以央视新大楼为例,组织学生讨论该建筑的特点,主要归纳总结出以下几点:建筑物整体偏心,对抗震不利;曲角悬空挑战地基基础的抗倾覆性能;建筑为严重不规则结构,用钢量巨大,造价惊世骇俗;建筑极端强调建筑造型和视觉效果,忽视结构体系的合理性和经济性,导致需要加倍地投入人力、物力和财力去保证抗震、抗风等结构安全问题,极大地浪费了公共资源。根据抗震规范[3]强制性条文,严重不规则的建筑不应采用。

为了激发学生的学习兴趣,培养学生的分析能力,我们鼓励学生做调研工作,引导学生在畅言网上参与“中国十大丑陋建筑”评选,增加课堂讨论环节。通过多种形式的教学手段,启发学生用概念设计的指导思想从建筑形体和布置方面分析建筑的抗震性能。

3 结束语

建筑抗震设计课程具有明确的专业技术规范背景,理论性、实践性、专业性均很强,教学安排又具有承前启后的特点,其教学效果将直接影响学生就业后的工作能力和自我专业素养的发展。教师在该课程的教学中需不断改革教学方法和手段,更新知识,培养学生求真务实、辩证地认识事物的态度;引导他们从孤立地认识事物到全面地、正反面去认识和解释事物,能综合多种因素寻求最佳方案,培养学生判断分析能力和解决实际问题的能力。

参考文献

[1] 沈小璞.注册结构工程师工程结构抗震设计课程教学及其综合能力的培养[J].高等建筑教育,2007,16(4):65-68.

[2] 周清,黄岚,赵玉新.土木工程专业实践教学的研究与创新[J].中国电力教育,2013(19):137-138.

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.