抗震设防论文范文
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篇1
摘要;文章阐述了抗震设计方法的转变,并介绍了两种不同设计方法的优缺点,对能量分析方法在抗震结构计算中的应用进行了分析。
关键词:推覆分析方法;结构能量反应分析;地震动三要素;耗散能量
目前世界各国的抗震设计规范大多数都以保障生命安全为基本目标,即“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设防水准,据此制定了各种设计规范和条例。依此设计思想设计的各种建筑物在地震中虽然基本保证了生命安全,却不能在大地震,甚至在中等大小的地震中有效的控制地震损失。特别是随着现代工业社会的发展,城市的数量和规模不断扩大,城市变成了人口高度密集、财富高度集中的地区,一般的地震和1995年的日本阪神地震,造成了巨.大的经济损失和人员伤亡。严重的震害引起工程界对现有抗震设计思想和方法上存在的不足进行深刻的反思,进一步探讨更完善的结构抗震设计思想和方法已成为迫切的需要。上个世纪九十年代,美国地震工程和结构工程专家经过深刻总结后,主张改进当前基于承载力的设计方法。加州大学伯克利分校的J.P.Moehlelll提出了基于位移的抗震设计理论;日本建设省建筑研究院根据建筑物的性能要求,提出了一个有关抗震和结构要求的框架,内容包括建议方案,性能目标,检验性能水准等:我国学者已认识到这一思潮的影响,并在各自研究领域加以引用和研究,如王亚勇、钱镓茹、方鄂华、吕西林分别发表了有关剪力墙、框架构件的变形容许值的研究成果,程耿东采用可靠度的表达形式,将结构构件层次的可靠度应用水平过渡到考虑不同功能要求的结构体系,王光远把这一理论引入到结构优化设计领域,提出基于功能的抗震优化设计概念。
我国现行的结构抗震设计,主要是以承载力为基础的设计,即用线弹性方法计算结构在小震作用下的内力、位移;用组合的内力验算构件截面,使结构具有一定的承载力;位移限值主要是使用阶段的要求,也是为了保护非结构构件;结构的延性和耗能能力是通过构造措施获得的。结构的计算分析方法基本上可以分为弹性方法和弹塑性方法。当前在建筑结构抗震设计和研究中广泛地采用底部剪力法和振型分解反应谱法等。这些方法没有考虑结构屈服之后的内力重分布。实际上结构在强震作用下往往处于非线性工作状态,弹性分析理论和设计方法不能精确地反映强震作用下结构的工作特性,让结构在强震作用下处在弹性工作状态下工作将造成材料的巨大浪费,是不经济的。随着人们认识的提高,结构的地震反应分析设计方法经过了两个文献的转变:(1)静力分析方法到动力分析方法的转变:(2)从线性分析方法到非线性分析方法的转变。其中动力分析方法就经过了从振型分解反应谱法到时程分析法、从线性分析到非线性分析、从确定性分析到非确定性分析的三个大的转变。作为一种简化实用近似方法,目前的推覆分析方法(Push—overAnalysis)受到众多学者的重视。它属于弹塑性静力分析,是进行结构在侧向力单调加载下的弹塑性分析。具体做法是在结构分析模型上施加按某种方式(研究中常用的有倒三角形、抛物线和均匀分布等侧向力分布方式)模拟地震水平惯性力作用的侧向力并逐步单调加大,使结构从弹性阶段开始,经历开裂、屈服直至达到预定的破坏状态甚至倒塌。这样可了解结构的内力、变形特性和能量耗散及其相互关系,塑性铰出现的顺序和位置,薄弱环节及可能的破坏机制。这种方法弥补了传统静力线性分析方法如底部剪力法、振型分解法等的不足并克服了动力时程分析方法过程中,计算工作量大的问题,仅用于近似评估结构抵御地震的能力。但是,传统的推覆分析方法基本上只适用于第一振型影响为主的多层规则结构,对于高层建筑或不规则的建筑,高阶振型的影响不容忽视,并且对于非对称结构,还必须考虑正、反侧反推覆的不同所带来的影响。此外推覆分析方法无法得知结构在特定强度地震作用下的结构反应和破坏情况,这限制了它在抗震性能设计中的使用地震动能量是刻画地震强弱的综合指标,它综合体现了地面最大加速度和地震持时两个反映地面运动特性的重要因素。结构地震反应的能量分析方法是一种能较好地反映结构在地震地面运动作用下的非线性性质及地震动三要素(幅值、频谱特性和持时)对结构抗震性能影响的方法。地震时,结构处于能量场中,地面与结构之间有连续的能量输入、转化与耗散。研究这种能量的输入与耗散,以估计结构的抗震能力,是结构抗震能量分析方法所关心的问题。结构在地震(反复交变荷载)作用下,每经过一个循环,加载时先是结构吸收或存储能量,卸载时释放能量,但两者不相等。两者之差为结构或构件在一个循环中的“耗散能量”(耗能),亦即一个滞回环内所含的面积。能量等于力与变形的乘积。一个结构(构件)所耗散的地震能量多,不仅因为它承担了较大的地震作用,还因为它产生了较大的变形。从这个意义上来看,耗能构件是用它自身某种程度破坏所作的牺牲,来维持整个结构的安全。所以,每次大的地震作用之后,人们看到那些没有其它途径耗散所吸收的地震作用的能量的结构,只有通过结构自身的破坏来释放所有的多余能量。因此,结构的抗震设计应当注意保证结构刚度、强度和变形能力的协调与统一,如结构的延性设计就是在传统的单一强度概念条件下进行的弹性抗震设计的基础上,充分考虑结构和构件的塑性变形能力,在设防烈度下允许结构出现可能修复的损坏,当地震作用超过设防烈度时,利用结构的弹塑性变形来存储和消耗巨大的地震能量,保证结构裂而不倒。
能量法在近半个世纪的研究中发现较快,但由于地震本身的复杂性能量与结构反应之间的关系仍需我们进行进一步的探索。
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关键词:建筑结构;抗震设计;存在问题;改良方案;房屋建筑 文献标识码:A
中图分类号:TU352 文章编号:1009-2374(2015)03-0044-02 DOI:10.13535/ki.11-4406/n.2015.0214
我国是一个地震灾害比较严重的国家。随着科学技术的不断发展,我国的建筑结构抗震设计的方法随着结构试验、结构分析、地震学以及动力学的发展也在不断的进步,在不断学习国外经验的基础上,我国的震害调查、强震观察的方法在不断的成熟。但是,如何从我国的社会发展和地震环境的实际情况出发来提高建筑结构抗震性能,从而保持建筑物更加合理经济、安全可靠,是结构抗震设计中的一项重要的任务。
1 建筑结构抗震设计中的问题
1.1 选择建筑抗震场地的问题
如果施工的条件相同,不同工程地质条件下的建筑物在地震时会受到明显不同的破坏程度。所以,选择一个好的建筑场地是提高建筑物抗震性能的重要基础,在场地选择的过程中,要降低地震灾害,尽可能地避开工程地质不良的抗震场地(比如河岸、边坡边缘、高耸孤立的山丘、非岩质陡坡、湿陷性黄土区域、液化土区域),选择有利的建筑场地(比如中等风化、微风化的基岩,不含水的粘土层,密实的砂土层)。如果实在无法当避开不利区域的话,应该在场地采取抗震加强措施,应根据抗震设防类别、湿陷性黄土等级、地基液化,来采取措施提高地基的刚度和整体稳定性。比如,如果建筑地基的受力层范围处在严重不均匀土层、软弱粘性土层、新近填土时,要合理估计计算地基在地震时形成的不均匀沉降,从而采取加强上部结构和基础的处理措施或者加固地基、桩基的措施来加强地基的承
载力。
1.2 选取房屋结构抗震机制的问题
1.2.1 房屋结构机制应有科学恰当的强度与刚度,能够有力地规避房屋结构由于突然变化或者个别位置减弱构成薄弱位置,引发太大的应力聚集或者塑性产生变化聚集;对于或许形成的脆弱位置,应采用提升抗震水平的手段。
1.2.2 在房屋架构机制中应设计有科学的地震功能传送通道与确定清楚的核算简图。另外,设置纵向房屋构件时,应尽量保持在垂直重力负荷作用下纵向房屋构件的压应力多少平均;设置楼层盖梁机制时,尽量保证垂直重力负载能够通过距离最小的途径传送到纵向构件墙或者柱子上;设置转换架构机制时,尽量保证从上面架构纵向构件传过来的垂直重力负载能够通过转换层完成再次转换。
1.2.3 在选取房屋架构机制时,应重视防止由于一些构件或者架构的损坏而让总体房屋架构失去对重力负载的承受性能与抗震性能。房屋架构抗震设置的基本准则是架构应该具备内力再次分摊作用、优秀的变形性能、一定的赘余度等。进而在地震出现时,一些构件即便出现问题,其他构件仍然可以承载纵向负载,提升房屋架构的总体抗震稳固性。
1.3 房屋架构平面设置的规则性与对称性问题
房屋的平面与立体的设置应遵照抗震理论基本设置准则,通常运用规则的房屋架构设置方案。依照房屋结构抗震设置规范的标准,对平面不规则或纵向不规则,或者两者均不规则的房屋架构,应运用空间架构的核算模式;对楼板部分区域连接不畅或者表面凹凸不成规律时,应运用相对应的贴合楼层强度刚度变动的模型;脆弱位置应当注重相对应的内力加大系数,而且依照规范标准来对弹塑性形状改变加以剖析,脆弱位置应采用抗震构造手段。
在房屋架构的抗震中,对称性是不容忽视的。对称性包含房屋平面的对称、品质分布的对称及房屋架构抗侧刚度的对称三个部分。保证这三个方面的对称中心为同样的位置是最优的抗震设置方案。国内的房屋结构中,架构的对称性通常指的是抗侧力主要架构的对称。对称的房屋架构有框架架构、简体框架架构等。
房屋架构的规则性体现在以下四点:
1.3.1 在平面设置房屋抗侧力的主要架构时,应当保证周围结构与中心的刚度与强度平均分布,让房屋的主要架构维持较强的强度与抗扭刚度,很大程度上防止了房屋在风力较大或者地震的扭矩影响下而产生很大的形状改变造成非架构构件与架构构件的损坏。
1.3.2 在平面设置房屋抗侧力的主要架构时,还应当重视保证同一主轴方向的所有抗侧力架构刚度与强度位于平均形态。
1.3.3 建筑结构的抗侧力主体结构沿着构成变化和竖向断面也要保持均匀,避免出现突变。
1.3.4 建筑结构的抗侧力主体结构的两个主轴方向也要有比较接近的强度和刚度,还要有比较相近的变形特性。
总体来说,在建筑结构抗震设计中,一定要对建筑平、立面布置的规则性加以重视,在实际的工程中还应该对建筑结构抗震设计的规范规定给予高度的重视。
2 提高建筑结构抗震能力的改良方案
(1)对地震外力能量的吸收传递途径进行恰当合理的布局,保证支墙、梁、柱的轴线处于同一平面,形成一个构件双向抗侧力结构体系。在地震作用下构件呈现出弯剪性破坏,有效地使建筑结构的整体抗震能力得到提高。
(2)要按照抗震等级来对梁、柱、墙的节点采取抗震构造措施,保证在地震作用下建筑物结构可以达到三个水准的设防标准。按照“强节点弱构件”、“强剪弱弯”、“强柱弱梁”的原则,来合理选择柱截面的尺寸,注意构造配筋要求,控制柱的轴压比,确保结构在地震作用下具有足够的延性和承载力。
(3)进行多道抗震防线的设置。在一个抗震结构体系中,在地震作用下一部分延性好的构件可以担负起第一道抗震防线的作用,而在第一道抗震防线屈服后其他构件才逐次形成第二、第三或更多道抗震防线,有效提高建筑结构的抗震安全性。各地区要根据所处区域的地质特征,提高抗震设防标准。
(4)在可能发生破坏性比较强的地震区域,建设、地震、科技等部门要对建筑技术规范进行严格的规定,从施工保障、材料选用、规划设计、建房选址等方面来加强监督检查和技术指导,保证建筑设施能够符合抗震设防的基本要求。
(5)根据地震地区本身建筑物的特点来积极引用抗震减灾新材料、新工艺、新技术,并且借鉴发达国家的技术和经验,将其推广应用到建筑抗震设计中。
(6)建筑结构抗震设计的管理者以及实施者也对建筑的抗震能力起到很大的作用。所以,必须提高抗震设计工作人员的整体素质,提升整个建筑的抗震工程
质量。
3 结语
经过多年来对建筑结构中抗震设计的研究,我国的抗震设计方法已经逐渐趋于成熟,但是还有许多需要完善的地方。我们要在严格按照建筑抗震规范要求的基础上上,科学地合理地进行建筑抗震设计,保证建筑物的稳定性和可靠性,促进我国建筑结构抗震设计向着高水平方向发展。
参考文献
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[2] 胡洁.浅析建筑结构抗震设计[J].科技创新与应用,2012,(6).
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论文摘要:《混凝土异型柱技术规程}(JGJ149—2006)的颁布为我国的结构设计人员提供了一本可以参照的国家标准,同时为广大结构设计人员指明了异型柱结构与普通混凝土结构的区别,现将其与《建筑抗震设计规范》(GB 500l1-2001)的区别与广大设计人员共同探讨。
引言
新的《混凝土异型柱技术规程》(JGJl49—2006)(简称异型柱规程)于2006年8月颁布,改变了异型柱设计只有地方性规定而没有国标的历。随之而来就是我们对规范的理解可能没有比较深入的研究,另外《异型柱规程》有些规定比《建筑抗震设计规范》(GB50011-2~1)(简称抗震规范)严格。现就规范的几点规定,谈谈个人的一点看法:
(1)异型柱结构最大适应高度
由于异型柱是一种新型的结构形式,只经过十余年的实践。综合考虑现有的理论研究、实验研究成果及设计施工经验,其房屋适用的最大高度较一般的钢筋混凝土结构有所降低。现就《异型柱规程》与《抗震规范》对比见下表:
沈阳市抗震设防烈度为7度,设计基本加速度值为0.10g,超过40米的结构,建议采用短肢剪力墙结构。
(2)异型柱的抗震等级
由于异型柱结构的抗震性能相对于普通混凝土房屋较弱,异型柱结构的抗震等级相对于普通混凝土房屋也应较严格。由于异型柱结构的适用范围较普通混凝土结构小,相应《异型柱规程》的抗震等级分类较《抗震规范》详细。对于丙类建筑抗震设计的房屋,《异型柱规程》给出了抗震等级的确定方法,现就《异型柱规程》与《抗震规范》的异《抗震规范》现浇钢筋混凝土房屋的抗震等级
《异型柱规程》中表3.3—1注3,当为7度(0.15g)时,建于Ⅲ、Ⅳ类声地的异形柱框架结构和框架一剪力墙结构情形时,也按8度(O.20g)采取抗震构造措施,但于括号内所示的抗震等级形式来具体表达,需注意的是《异型柱规程》采取了“应”按表中括号所示的抗震等级采取抗震构造措施,比《抗震规范》的上述对应部分规定(“宜”按……)有所加严
(3)不规则异型柱结构的抗震设计应符合下列要求
1.当异型柱结构楼层竖向构件的最大水
平位移(或层间位移)与该楼层层两端弹性水平位移(或层间位移)平均值之比大于1.20时,根据《抗震规范》有关规性,可界定为平面不规则的“扭转不规则类型”,但《异型柱规程》规性此时控制该比值不应大于1.45(第3.2.5条第1款),较《抗震规范》相应规定“不大于1.5”有所加严,目的是为了为严格控制异型柱结构平面的不规则性,避免过大的扭转
效应而导致严重的震害。
2.当异型柱结构的层间受剪承载力小于上一楼层的80%时,根据《抗震规范》有关规性,可界定为竖向不规则中的“楼层承载力突变类型”,并规定其薄弱层的受剪承载力不应小于上一层的65%,但《异型柱规程》规性此时乘以1.20的增大系数(第3.2.5条第2款),较《抗震规范》相应规定乘以增大系数1.15有所加严。
(4)异型柱的抗震作用计算规则
1.《抗震规范》第3.1.4条规定:“抗震设防为6度时,除本规范规定外,对乙、丙、丁类建筑可不进行地震作用计算”及第5.1.6条规定:“6度时的建筑(建造于Ⅳ类场地上较高的高层建筑除外),以及生土房屋及木结构房屋,应允许不进行截面抗震验算。”但《异型柱规程》第4.2.3条则以强制性条文方式规定:“抗震设防为6度、7度(0.1Og、0.15g)及8度(0.20g)的异型柱结构应进行地震作用计算及结构抗震验算。”本条是基于异型柱结构的抗震性能特点而制定的,6度设防时设计者应注意此条。
2.异型柱的双向偏压正截面承载力随荷载(作用)方向不同而有较大的差异,在L形、T形和十字形三种异型柱中,以L形柱的差异最为显著(设计者应着重加强L形柱的构造)。如根据《抗震规范》5.1.1条第一款(一般情况下(所有烈度),应允许在建筑结构的两个主轴方向分别计算地震作用并进行抗震验算,各方向的水平地震作用应由该方向抗侧力构件承担),则可能在某些情况下造成结构的不安全性,所以《异型柱规程》4.2.4条第一款规定, 7度(0.15g)及8度(0.20g)时尚应对与主轴成45°方向进行补充计算。
(5)异型柱的抗震变形验算
由于异型柱结构的特殊性,《异型柱规程》对异型柱结构的弹性层间位移角限值也较《抗震规范》严格,现比较如下:
考虑到异型柱结构的特殊性,本人建议进行异型柱设计时弹性层间位移角应从严控制:框架结构【】应小于l,800,框架一剪力墙结构【]应小于1/I100。
(6)异型柱框架梁柱节点核心区受剪承载力验算。
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关键词:农村建筑,抗震设计,措施
1 引言
地震给人类造成的最大危害是房屋倒塌,危度生命和财产安全。砖房在历次地震中的震害很严重,农村、城镇房屋建筑的主体为多层砌体结构。在地震力的作用下,砖结构易发生脆性的剪切破坏,从而导致房屋的破坏和倒塌。全国城镇民用建筑中,以砖砌体作为墙体材料的占90%以上,多层砌体(含底框砖房)所占(面积)比例达89%。抓好抗震设防地区建设工程的抗震设计,对减轻地震灾害有积极的作用。因此加强抗震地区合理的进行结构抗震设计是十分重要的工作。
2 农村房屋设计中存在的主要问题
(1)在建多层砌体住宅中,房屋出现超高现象。有些底层还出现店面屋
(2)有的房屋为设置大客厅,牺牲门间墙宽度,开大门洞,大门洞间墙宽仅有240mm,并将阳台做成大悬挑从而扩展客厅面积,当部分地方尺寸满足不了要求,也不注意采取措施,采用增大截面及配筋的构造柱替代砖墙肢,把布局改得乱七八糟的,不仅不美观,平面改成层次不齐,墙体沿竖向布置上下不连续。
(3)在房屋设计中没有对抗震承载力进行计算。
(4)房屋在抗震设计中,采取的抗震措施不到位。很多设计不完整,设置不足,细节不清楚,不管能实效不,就靠图纸来施行。
(5)在建多层楼房屋中,为了满足部分大空间需要,底层或顶层采用“混杂”结构体系的,在底层或顶层局部采用钢筋砼内框架结构,有的仅将构造柱和圈梁局部加大,当作结构的框架。
3.农村建筑抗震设计的基本原则
(1)选择对抗震有利的场地和地基,从地形地貌看,应选择地势平坦开阔的地方作为建筑场地。
(2)合理规划,避免地震时发生次生灾害。房屋不要建得太密,房屋的间距以不小于1~1.5倍房屋的高度为宜。
(3)抗震结构方案一般应采用矩形、方形、圆形的平面布置。要选择经济合理的设计方案
(4)保证结构的整体性,并使结构和联结部分具有较好的塑性。
(5)尽量不做建筑突出屋面的砖烟囱、女儿墙等,以免引起房屋破坏
(6)减轻建筑物的自重,降低它的重心位置。建筑物所受的地震荷载的大小和它的重量成正比。减轻建筑物的重量,是减少地震荷载最经济最有效措施。
(7)购置正规合格材料。材料强度应达到设计要求,按设计图纸施工,并严格按照施工规范施工。
4农村房屋抗震设计
4.1房屋坐落设计,布局要合理
房屋布局要紧凑,美观合理。尽量设计为正房,从而加大才光亮。区位选址要合理,建筑物与周围环境相协调,有足够的人均建筑面积,充分利用土地资源,使住宅具有足够的抵抗自然灾害能力。房间设备亮度足够,通风良好,南北朝向为佳,朝向的间距在净高1.5倍以上。房屋总高度与总宽度的最大比值,不能超过抗震规范要求。
4.2结构体系设计
首先应采用横墙承重或纵横墙共同承重的结构体系。纵横向应应具有合理的刚度和强度。对出现薄弱的地方应采取相应措施提高其抗震能力。墙体布置应满足地震作用有合理的传递途径。同一结构单元不应采用砖房与底框砖房或内框架砖房或框架结构等“混杂”的结构类型。应采用相同的结构类型。
4.2.1外墙维护设计。优先采用陶粒空心砌块、陶粒聚苯砌块作为外墙围护。
4.2.2窗户设计。要针对地区特点、窗的位置、朝向及室外遮挡等情况,进行合理的设计。农村住房可采用现行建筑设计规范中规定的窗地比。科技论文。窗应布置在房间或开间中部。这样可以使室内照明度均匀,窗台高度高度一般为900mm,不能过高或过低。科技论文。
4.2.3抗震设计。抗震性能好坏取决于建筑地点、地质条件;建筑物的设计是否符合抗震设计规范;施工质量的优劣。建造中适当配以构造柱、圈梁及拉结筋,以增强建筑物的抗震能力。
4.2.4平、立面布置。有的没抗震设计理念,为开大门洞,缩小门间墙宽度。建筑的平面布置和抗侧力结构的平面布置要对称,有规则。纵、横墙沿平面布置不能对齐的墙体较少,楼梯间不宜设在房屋的转角处,房屋转角处的门窗间墙承受双向侧向应力,其局部尺寸应不小于lm;其余外纵墙的门窗间墙局部尺寸部分不满足1m要求时,其限值可放宽到0.8m;内墙门间墙局部尺寸不满足要求时,可用设构造柱来满足。建筑的立面和竖向剖面力求规则,结构的侧向刚度宜均匀变化,墙体沿竖向布置上下应连续,避免刚度突变。当房屋的立面高差较大、错层较大,采用防震缝将结构分割成平面和体形规则的独立元。虽然砖砌体与构造柱和圈梁可以增加房屋的延性。但它们不能同时发挥作用。
4.3抗震计算
抗震计算是抗震设计中的重要内容,是保证满足抗震承载力的基础。对平面和竖向不规则的多层砖房采用考虑地震扭转影响的分析程序。多层砖房的抗震计算可采用底部剪力法。
4.4抗震措施
为保证房屋在地震中有良好的抗震能力,以下介绍了几点抗震措施内容。
4.4.1构造柱和圈梁的设置
现在农村很多房屋是多层砌体房屋。对横墙较多或较少的要采取不同设置,对横墙较少的应根据房屋增加一层或二层后的层数。对横墙较多应按要求设置构造柱。对横墙承重或纵横墙共同承重的装配式钢筋砼楼、木楼、屋盖应按抗震规范要求设置圈粱。圈梁的截面和配筋不能太大。
4.4.2构件间的连接措施
(1)构造柱与楼、屋盖连接:当为现浇楼、屋盖时,在楼、屋盖处设240mmx120mm拉梁与构造柱连接。为屋盖时.构造柱应与每层圈梁连接。
(2)构造柱与砖墙连接:构造柱与砖墙连接处应砌成马牙槎。并沿墙高每隔500mm设2Φ6拉结钢筋,每边伸入墙内不小于1m。
(3)墙与墙的连接:抗震设防烈度为7度时,层高超过3.6m或长度大于7.2m的大房间,外墙转角及内外墙交接处,当未设构造柱时,应沿墙高每隔500mm设2Φ6拉结钢筋,每边伸入墙内不小于lm。
(4)屋顶间的连接:突出屋面的楼梯间,构造柱应从下一层伸到屋项间顶部,并与顶部圈粱连接。
(5)后砌墙体的连接:应沿墙商每隔500mm设2Φ6拉结钢筋与承重墙连接。每边伸入墙内不小于0.5m。抗震设防烈度为8度到9度时。长度大于5.1m的后砌墙顶,应与楼、屋面板或梁连接。科技论文。
(6)栏板的连接:砖砌栏板应配水平钢筋,并且压项卧梁应与砼立柱相连。
(7)构造柱底端连接:构造柱可不单独设基础,但应伸入室外地面下500mm,或锚入室外地面下不小于300mm的地圈梁。
4.4.3悬臂构件的连接
(1)女儿墙的稳定措施:抗震设防烈度为6~7度时,240mm厚无锚固女儿墙(非出入口处)的高度不能超过0.5m,当超过时,女儿墙应按抗震构造图集要求采取措施。女儿墙的计算高度可从屋盖的圈梁顶面算起。当屋面板周边与女儿墙有钢筋拉结时。计算高度可从板面算起。
(2)悬挑构件:悬臂阳台挑梁的最大外挑长度不能大于1.8m.不应大于2m。并且不能采用墙中悬挑式踏步或竖肋插入墙体的楼梯。
5农村新建房屋的措施
新建房屋要从当地环境、设计方案、机构、材料、人员等方面进行控制,从而提高房屋的施工质量和房屋抗震水平。
对于当地的环境做一个系统的调查,做到因地制宜。合理采用设计方案,加强新型房屋结构的抗震能力的技术措施。在房屋建造区域建立地勘资料,为农民服务。作为地震行政主管部门应加强对农民地震知识的宣传,加强地震防范意识。对于建筑的用料要严格进行控制,防止使用不合格的建筑材料,以免建造质量低劣的房屋。无论是村民还是施工人员应具备一些基本的抗震知识。
6.结束语
随着我国农村经济水平的提高,农村住宅数量越来越多,越来越多的农民建新房,多层房屋,在建房中,应重视房屋抗震设计中的各个环节,将工程质量放在首位,严格按照施工规范要求施工,加强规划、设计、施工方面的管理,从而降低房屋的地震程度。
参考文献:
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关键词:建筑结构,抗震设计,设防目标,基本措施
Abstract: With requirements increasing of people on the building of the product, all kinds of new structure building gradually increases based on the performance of the seismic design thought aseismatic design, which is an effective path. This paper from the structure design of the seismic design, first to structure the seismic fortification basic goals for discussion and analysis, and then in structural seismic design of the basic principles and objectives, how to do well the seismic design of building structure were discussed. Some basic measures, trying to improve structural seismic performance, strengthen building structure design of the seismic capability.
Key Words: building structure, seismic design, fortify goal, basic measures
中图分类号:TU973+.31 文献标识码:A文章编号:
前言
近年来,一些国家和地区相继发生强烈地震,造成巨大损失。而我国又是一个地震多发的国家,要抵御、减轻地震灾害,必须对建筑结构进行必要的抗震设计。在结合建筑构造中的抗震设防理念,建筑结构的地震反应,地震反应特性、地震破坏模式等因素综合考虑的同时,为了努力减轻地震造成的破坏,减轻经济损失,我国政府和相关部委陆续颁布了一系列防震减灾的法律、法规条文,并强制规定设防强度为6度以上地区的建筑必须进行抗震设计。
一、建筑结构抗震设防的目标
抗震设防是指对建筑物进行抗震设计,并采取一定的抗震构造措施,以达到结构抗震的效果和目的。我国通常采用“三水准抗震设防”和“两阶段抗震设计”的设计方法。下面就对这两种设计方法进行阐述和分析。
1.三水准抗震设防
抗震设防的依据是抗震设防烈度,抗震设防烈度按不同的频率和强度可以分三个地震烈度水准。采用第三水准烈度的地震动参数,计算出结构的弹塑性层间位移角,以满足第三水准大震不倒的要求。目前,我国抗震设防为“三水准”目标通常将其概括为:“小震不坏、中震可修、大震不倒”。其中,“小震不坏”是指当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震时,建筑物一般不受损坏或不需修理仍可使用,建筑处于正常使用状态,从结构地震分析角度,可以视为弹性体系。第一水准对应抗震正常使用极限状态,就是在该状态下结构的功能和使用应不受影响,这意味着结构和非结构都不会发生需要修复的损伤。“中震可修”是指当遭受到相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时,建筑物可能损坏,经一般修理或不需修理仍可继续使用,结构在地震影响时进入非弹性工作阶段。第二水准对应结构损伤控制极限状态,在该结构状态下结构中受力较充分的部位已经进入屈服后变形状态。“大震不倒”是指当遭受高于本地区抗震设防强度的罕遇地震时,建筑物不致倒塌或发生危机生命安全的严重破坏,此阶段结构有较大的非弹性变形,但人员可以逃离。第三水准对应人在地震中能够幸存的极限状态。在这一极限状态下虽然允许结构出现不可修复的损伤,但要求保持较好的整体性而不倒塌。
2.两阶段抗震设计
为实现上述三个烈度水准的抗震设防要求,《抗震规范》提出了两阶段抗震设计方法。第一阶段设计是多遇地震下的承载力验算和弹性变形计算。除了在确定结构方案和进行结构布置时考虑抗震要求外,还应按照小震作用进行抗震计算和保证结构延性的抗震构造设计。第一阶段设计的第一步是,在方案布置符合抗震原则的前提下,采用第一水准烈度的地震动参数,用弹性反应谱法求得结构在弹性状态下的地震作用标准值和相应的地震作用效应,然后与其他符合效应按一定的组合系数进行组合,对结构构件截面进行承载力验算,从而满足第一水准的强度要求。第二步,采用同一地震参数计算出结构的弹性层间位移角,使其不超过规定的限值,另外,采用相应的抗震措施,保证结构具有相应的延性变形能力和塑性耗能能力,从而满足第二水准的变形要求。第二阶段是罕遇地震下的弹塑性变形验算,主要针对甲级建筑和特别不规则的结构用大震作用进行结构易损部位(薄弱层)的塑性变形验算。第二阶段的设计主要表现在反应谱理论的变化,反应谱理论是根据弹性结构的地震反应得到的,因此一般也只能计算结构处在弹性状态下的最大地震反应。当结构遇到强烈地震而进入强塑性阶段时,反应谱将不能给出各构件进入强塑性状态的内力、变形,无法找出结构的薄弱环节。利用延性系数将弹性反应谱变为塑性反应谱,从而使抗震设计理论进入了非线性反应阶段。
二、做好建筑结构抗震设计的基本措施
由上述可见,抗震规范设计的方法已经具有了基本的雏形,但在实现这一抗震设防目标时,仍有一些问题需要认真研究。因此做好建筑结构中抗震设计的基本措施显得至关重要,它是保证抗震设计实现“三水准”抗震设防目标的基础。
建筑结构应立足于工程抗震基本理论,灵活运用抗震设计准则,从根本上提高结构的抗震能力。根据当前抗震理论下形成的基本原则和要求,下面就对做好建筑结构中抗震设计的基本措施进行探讨分析。
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。在不同工程地质条件的场地上,地震对建筑物的破坏程度是截然不同的。因此,选择工程场址时,设计者必须结合工程的实际需要,尽可能避开对建筑抗震不利的地段,选择对建筑抗震有利的地段,当没有办法避开时,适当的抗震加强措施应被采用,任何情况下均不得在抗震危险地段上建造可能引起人员伤亡或较大经济损失的建筑物。
2.优化平立面布置
建筑布置的平立面应规则,体型要求简单。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。建筑中的独立单元及整个建筑应力求质量刚度对称,使其刚心与质心偏心很小甚至完全重合。此外,建筑沿竖向分布的刚度和质量还须均匀,只有简单、规则、对称结构容易准确计算其地震反应。
3.选择合理的结构形式
选择合理的抗震结构体系,首先,应有多道抗震防线,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;其次,应具备良好的耗能、变形能力和必要的强度。一个没有足够延性,只有较高的抗侧力强度的抗震结构体系,在地震时很容易遭到破坏;再次,结构刚度和强度分布须合理。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。
4.提高结构的延性
结构的延性可定义为结构在承载力无明显降低的前提下发生非弹性变形的能力。结构的延性反映了结构的变形能力,是防止在地震作用下倒塌的关键因素之一。 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。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,以避免地震长时间持续作用引起的共振效应。
5.确保结构的整体性
结构是由许多构件连接组合而成的一个整体,并通过各个构件的协调工作来有效地抵抗地震作用。若结构在地震作用下丧失了整体性,则结构各构件的抗震能力不能充分发挥,这样容易使结构成为机动体而倒塌。因此,结构的整体性是保证结构各个部分在地震作用下协调工作的重要条件,确保结构的整体性是抗震概念设计的重要内容。
结语
总的来讲,结构工程师在建筑结构的抗震设计中,只有注重对结构抗震设计的方法总结和不断完善,不断提高建筑抗震等级,真正理解设计规范,严谨认真,才能设计出经济安全的建筑,才能确保人民生命财产安全。也就是说,在建筑结构抗震体系中,只要使体系布局合理,计算正确,同时采取有效的加强措施,便可获得结构的最大抗震能力,达到防震减灾的目的。
参考文献:
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【关键字】网壳结构,抗震,设计方法
中图分类号:U452.2+8 文献标识码:A 文章编号:
前言
地震是一种破坏性极大的突发性自然灾害,能够造成人员伤亡和社会物质财富的巨大损失,对社会生活和地区经济发展有着广泛而深远的影响。为减轻地震所造成的生命与财产损失,人类与之进行了长期不懈的斗争,虽然科学技术和工程技术的突飞猛进,地震工程的理论和实践得到了很大发展,但是,就近20余年来说,全球发生的许多大地震,仍然造成大量严重的工程破坏和惨重的生命财产损失。例如1976年我国的唐山地震、1994年美国的Northridge地震、1995年日本的阪神地震及1999年台湾的集集地震。随着城市现代化和经济的高度发展,地震所造成的损失,平均每几十年翻一番。因此,了解地震灾害的特点,采取正确的对策,方能保证防震减灾收到实效。鉴于地震预报和地震转移分散均不能很好的实现,因此,工程抗震成为目前最有效、’最根本的措施,建筑结构的抗震设计也成为当前最被关注的课题之一。
常见的建筑结构防震措施
目前,用于建筑结构防御地震的措施主要有:传统的抗震设计、结构控制理论(如减震、隔震等)。传统的抗震设计是适当增加结构的刚度,以抵抗地震作用,或合理布置结构的刚度,使结构部件在地震时不同步地进入非弹性状态,具有较大的延性,消耗地震能量。上述方法存在以下缺陷:
安全性难以保证。当突发地震超出设防烈度时,房屋会严重破坏
适应性有限制。当地震发生时,虽然结构本身的破坏可以控制,但是房屋内的重要设备可能会遭到破坏
经济性欠佳。它通过增大构件断面,加大配筋来抵抗地震。断面越大,刚度越大,地震作用也越大,所需断面及配筋也越大。如此恶性循环,大大提高了建筑造价,并且随着设防烈度的提高,造价也急剧增加,通过增加结构刚度来抵御地震作用,其材料用量大,不经济。一种主动的抗震策略是对结构施加控制系统,由控制系统和结构共同抵御地震作用,尽可能减轻对结构自身的损伤。这种主动策略也就是结构振动控制对于网壳结构进行振动控制是保证结构安全、减小地展灾容损失的一种重要途径。
三.网壳结构的广泛应用
网壳结构是一种曲面形结构,是大跨度空间结构中一种举足轻重的主要结构形式。网壳结构具有一系列突出的优点,大体可以归纳如下:
1、网壳结构兼有杆系结构和薄壳结构的主要特性,杆件比较单一,受力比较合理。
2、网壳结构的刚度大、跨越能力强,在跨度超过100m的结构中仍有大量的应用。
3、网壳结构可以用小型构件组装成大型空间,小型构件和连接节点可以在工厂预制;而且现场安装简便,不需要大型的机具设备,因而综合技术经济指标较好。
4、网壳结构的设计分析可以借助于通用有限元计算程序和计算机辅助设计软件,不会有多大难度。
5、网壳结构造型丰富多彩,不论是建筑平面,还是空间曲面外形,都可以根据创作要求任意选取。正是因为以上这些优点,近几十年来,网壳结构在各种大型体育场馆、剧院、会议展览中心、机场候机楼、干煤棚等公共建筑中得到了广泛应用,尤其是近十年,我国的网壳结构向着跨度更大、体系更复杂、设备更昂贵的方向发展,这些建筑结构新颖、规模宏大,往往成为一个城市或国家的标志性建筑,并为世人瞩目。
四.网壳结构的特点
经以上网壳自振特性分析可知,与一般传统结构动力特征不同,网壳结构频率与振型具有以下特点:
1、网壳结构自振频率密集
单层球面网壳、柱面网壳的自振频率均非常密集,单层球面网壳还有数个周期相同的振型,这是由于结构有多个对称轴所致。由于频率密集,在网壳地震响应计算时应考虑各振型间的相关性。在用振型分解反应谱法进行动力分析时,若仍采用平方开方公式进行振型祸合则导致误差较大。
2、网壳以水平振型为主,第一振型一般为水平振型
网壳振型呈现水平振型与竖向振型参差出现,水平振型较多,一般网壳结构第一振型均为水平振型。这是由于网壳结构起拱后,其竖向刚度增大而水平刚度减弱的缘故。
3、地震响应贡献较大的振型出现较晚
一般框架动力计算可选前几个振型效应进行组合,即可满足使用精确度。而经过对网壳振型分析,网壳结构第一振型均为反对称振型,对地震响应贡献较大的对称振型出现较晚,所以采用振型分解法计算网壳地震响应时,不能仅取前几个振型,至少应选取前20阶振型进行组合,否则计算结果不安全。对复杂大跨度网壳,还需取超过20个振型响应进行组合。
五.网壳结构的形式与分类
油罐罐顶网壳招标有两种结构,分别为三角形结构和子午线结构。为了便于更好地选择满足现场及工期需要的投标单位,现对两种结构网壳进行如下比。
1、两种结构特点
(一)子午线式网壳结构
(1)工艺特点
子午线网壳主体由球面上分别以x轴及以z轴为旋转轴的两组子午线相交而成。网壳杆件全部采用不等边角钢。两组子午线网杆间采用搭接,搭接面采用连续满角焊;单根子午线的连接采用对接,须保证对接接头全焊透和全熔合以保证焊接质量。锥板是网壳的沿边构件,采用加厚钢板与罐壁顶板成20~30。角度焊接,将罐壁与罐顶连成整体。每道网杆的两端采用垫板及连接板将网杆与罐壁及边环梁连成一体;连接件采用钢板组焊而成。结构形式如图1所示。
图1:子午线网壳结构形式
(2)边节点及上、下网杆安装
照给出的各边节点的弧长值,在罐壁上作各边节点垂线长度为500mm,再用水准仪找出X、z轴水平基准面,与等分垂线交成十字线,十字中点就是连接件的交点位置,然后分别将A、B、C、D各连接件按编号点焊在位置上,同时检查通过中心的两只连接件是否完全一样。
拼接X方向的第一根长网杆,且按焊接要求焊接完成。
装X方向的第一根网杆着落在中间n根支撑杆上,测量各节点的Y值应为该节点的Y+DY值,差值允许±8ram,n根都测量合格后,网杆两端再边节点与罐壁板分段焊接。
然后分别x方向第二根、第三根以z轴为对称,两边安装;然后安装Z轴方向的第一根长网杆,节点1与X方向的长网杆节点l重合,依次的节点位置必须重合点焊固定,两端点也与边节点连接件点焊固定,分别用同样的方法,以X轴线为对称轴线两边对称安装点焊。
(二)三角形式网壳结构
(1)结构特点
三角形式网壳结构由长度相同的网杆承插组成三角形,三角形之间同样采用承插形式连接,网杆材料采用工字/槽钢等结构型钢,安装时从外向里逐罔进行安装,组装完毕后将最外侧与边梁连接进行焊接固定。结构形式如图2所示。
图2:三角形网壳结构形式
(2)现场安装
组装工作在搭建的脚手架上进行,脚手架必须牢固可靠,即保证安全,又要便于组装操作。由于节点种类多,为便于安装定位,按安装标记线组装。安装标记线是所在节点的球面切线,
此线垂直于顶部节点与该节点的连线,并指向所在1/6区域对称线,以此来确定毂形件的安装方位。网壳杆件的组顺序,由下而上,对称进行。局部超前不得多余一圈。三人为一组,分成三组。对称由下而上。注意边节点找正,根据图纸要求确定网壳直径及中心点,分六个区,首先确定的五个点,然后确定六区之间的中界点,最终确定一个区域P点。这时可根据第一圈杆件验证其点的位置。
六、两种网壳结构的防腐施工比较
1、子午线式结构网壳:网杆在安装过程中采用焊接方式连接,对防腐层的损害很大,因此一般在预制过程中不对网杆进行防腐处理,而是在网壳施工完后整体进行防腐。这种施工防腐给储罐施工增加了施工工序,且防腐施工难度较大。
2、三角形式结构网壳:网杆在预制完后立即进行防腐处理,到施工现场后只进行组装即可,然后对局部防腐层破坏位置进行补防处理,这种方式要求在运输过程中加强对防腐层的保护,对供货商的运输包装应提出要求。
七、网壳结构下的地震强度的变形验算
根据基于性能抗震设计思想,常遇地震作用下可对结构进行强度验算,而强震作用下应对结构进行多级性能水准的变形验算和性能评估。
1、常遇地震作用下的强度验算
鉴于地震内力系数法具有多方面优势,常遇地震作用下的强度验算可采用这种方法,但需要在原有基础上完善地震内力系数定义,考虑杆件的弯曲效应,具体计算公式如下:
截面验算时,取同类杆件中组合应力最大的杆件,乘相应的地震内力系数,即为地震荷载对杆件应力的放大值,加上静应力值,便可验算该类截面应力是否满足要求。改进的地震内力系数法,比振型分解反应谱法和时程分析法简便,可简化复杂计算,易于为工程设计人员接受。目前已有文献在大量参数分析基础上给出该方法定义的地震内力系数建议取值,可供常规网壳结构抗震设计参考使用。
2、罕遇地震作用下的变形验算
罕遇地震作用下网壳结构的抗震验算是网壳结构抗震设计的关键问题。研究表明,将动力强度破坏和动力失稳破坏两种失效模式建立在统一的动力破坏框架内,确定网壳结构的动力极限荷载及各级性能水准的量化验算指标是完全可行的。因此,设计时设计人员可参网壳结构进行全过程非线性动力响应分析,通过逐渐增大地震输入的烈度深入考察其在强震作用下的位移、能量、塑性发展程度等响应情况,确定对应不同性能水准的各项响应值,正确评估结构强震作用下的响应和损伤情况,判断其是否满足业主所期望的强度、刚度、延性等性能,并加以适当调整,最终达到设计目标。
基于对网壳结构弹塑性地震响应规律的理解,我们还可以通过有目的性的调整结构刚度分布,引导和控制这种高次超静定结构在地震作用下实现延性破坏机制,有效保证和达到结构抗震设防目标,使设计更为经济合理。综上所述,采用基于性能抗震设计思想,网壳结构抗震设计应遵循图1中的基本过程。
图3:网壳结构设计图
八.网壳结构基于性能抗震设计研究意义
基于性能的设计思想和投资一效益准则虽然已得到专家学者的广泛关注,并进行了大量的研究,但由于网壳结构的失效机理与其它结构差异很大,结构全寿命总费用计算和结构优化设计的方法都不尽相同,因此有必要结合网壳结构的具体特点进行深入研究。将基于性能的设计理论引入到网壳结构领域,可以深化网壳结构的设计理论,为网壳结构的抗震和抗风研究提供技术支持,为网壳结构的优化设计提供方法,为网壳结构的性能评估提供手段,以实现网壳结构更加科学合理的设计打下坚实的基础。将基于性能的设计思想引入到网壳结构的设计研究中,按基于性能的设计思想,对网壳结构进行系统的研究,建立科学合理的设计方法,研究出具体的设计方法和适用程序,将对社会生产提供良好的技术支持,取得巨大的经济与社会效益。
结束语
综上所述,子午线结构网壳施工工序相对较多,不利于变形控制,且网杆在长途运输过程中容易造成变形,且工期长,工人数量和工种比较多,因此本工程中采用三角形网壳的结构形式。通过详细介绍和对比两种网壳结构形式,向大家推荐在网壳选型时,采用三角形网壳的结构形式,特别是铝合金三角形网壳,即减轻重量,节省工期,又相对变形小,运输方便。
基于性能抗震设计研究的关键内容是对应多级性能水准的结构计算分析方法及性能水准的定性和定量描述。因此,今后需要通过试验和大量理论分析,改进不同阶段的结构计算分析方法,使其更为合理、简便;逐步完善网壳结构动力破坏准则,确定不同结构形式所对应的各级水准的量化性能标准;更为准确地评价结构性能和强震作用下的安全程度,实现网壳结构基于性能的抗震设计目标。
参考文献:
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关键词:地震、学校建筑、安全结构设计、重建、
中图分类号:S611 文献标识码:A 文章编号:
以往的各大地震灾害中,许多学校建筑展示出各大学校中建筑的安全问题。在每次的反思及总结,从吸取不足之处转换成对灾害各方面有益的变化,往后灾害中不再出现悲伤。以下从各方面分析大地震之后对学校建筑规划与设计上的一些个人想法供社会同行一起探讨。
1 各界对震后学校抗震安全及重建相关问题的探讨
各大地震后,学校建筑安全和灾后重建受到各界的关注,为总结经验教训并为地震灾后恢复重建提供科学技术支撑,各高等学校、科学技术研究开发机构等的学者积极展开了对学校抗震安全和重建有关问题的专题研究,成果文献的数量激增。
1.1震害调查
很多专业机构和研究人员奔赴地震灾区做了大量的震后房屋应急评估和震害情况实地调研,对包括学校建筑在内的灾区建筑震害调查分析的研究结论主要有:建筑设计和施工严格执行抗震设防标准的必要性和有效性,多跨钢筋混凝土框架结构体系抗震性能较好,学校建筑设计在规划选址、平面设计、空间造型设计、疏散设计、构造设计等方面亟须改进。
1.2经验介绍
为了应对地震灾害,中国政府部门和研究机构与联合国机构、国际援助机构等联合召开了多次关于地震灾后重建国际经验、政策建议、交流合作的研讨会,分享国际社会灾后重建和恢复规划的经验教训。各国学校防震经验研究方面的文献介绍分析了世界经济合作与发展组织(OECD)、日本、美国加州和中国台湾地区的国际经验,作为顺利开展灾后恢复和重建活动、制定灾后重建规划方案的借鉴。这些研究主要从教育管理及发展、建筑安全与防灾等学科角度,侧重于对国际上学校建筑地震安全和灾后重建的政策、法律、法规层面上的经验总结介绍,并提出了对我国的借鉴建议。
2 震后及时制定、修订了学校抗震安全和灾后重建相关法律、法规和设计规范学校
地震灾害暴露出现有法律法规体系的不足,地震灾害给现行法律观念和法律制度提出了挑战和要求,需要积极完善相关法律制度,须严格执行工程建设强制性标准,并符合教育部与住房和城乡建设部等的导则要求。
以上震后学校抗震安全和重建相关法律依据对指导灾区恢复重建,提高学校建筑工程抗震设防能力,保证建筑工程质量,保护师生生命安全具有重要意义,这些法律法规主要通过实施以下政策保证将学校等公共服务设施建成“最安全、最牢固、群众最放心的建筑”。
①优先重建:在重建计划上优先安排学校、医院等公共服务设施的恢复重建。
②科学规划:根据工业化、城镇化的进程和人口流动的基本趋势,合理调整灾后学校布局,进一步整合教育资源,提高教育质量。
③保证资金:灾后重建资金由中央财政支出、各省对口援建、港澳特区政府支持、社会捐赠、银行信贷支持和社会投入等构成,优先保证学校建筑等公共服务设施和民生工程的快速恢复重建。
④安全第一:提高了学校建筑抗震设防标准,要求灾区新建学校严格执行强制性建设标准规范和各行业建设标准,保证施工质量。灾区对口支援城市和援建企业为此不惜成本打造“最坚固、最安全,经得起历史检验的建筑”。
⑤提高标准:修订后的国家标准和规范特别加强了对未成年人在地震等突发事件中的保护,对教育建筑中幼儿园、小学、中学的教学用房以及学生宿舍和食堂抗震设防类别均予以提高,即不低于重点设防乙类,这意味着学校建筑将按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强其抗震措施。
3学校建筑规划设计理念
3.1设计和建造坚固安全的学校建筑物是规划设计的首要目标和保护师生生命的根本措施
历次地震反复证明,地震灾害中建筑物的损毁是人员伤亡和财产损失的直接原因,没有进行足够抗震设防设计或施工质量不合格的建筑非但起不到“庇护所”的作用,反而成为“杀人凶手”,人员伤亡95%以上是由房屋倒塌造成的。学校建筑规划设计的第一目标应该是保护学校建筑使用者的生命安全,盲目追求形式和造型上的新、奇、特而牺牲结构上安全性的设计潮流应予以纠正。而且应将浪费在华而不实、无中生有的各种架构上的宝贵投资用于提高结构抗震等级,回归建筑设计安全、实用、美观的基本目标。
3.2 将学校作为紧急避难场所设计的必要性
如果借鉴日本和美国的经验,将学校作为紧急避难场所或紧急求助中心进行设计,一方面较高的建筑抗震设防标准可保护学生和老师的生命安全,另一方面学校里大空间的教室和体育场馆以及较大的空地可供灾民避难和临时安置,学校操场还可供救援直升机降落用,充分发挥公共建筑在城市防灾安全体系中的社会公益性和紧急避难的重要作用。
4 震后学校重建工程成功实践了新的规划与设计理念和法规要求
4.1严格执行新的法规规范,确保建筑抗震安全
在抗震设防标准上,根据新修订的编号为GB50223-2008的国家标准《建筑工程抗震设防分类标准》,学校建筑将按高于本地区抗震设防烈度1度的要求加强其抗震措施。在按新的《建筑抗震设计规范局部修订》规定抗震设防烈度为8度、设计基本地震加速度值为0.20g的都江堰市,新援建的崇义镇土桥小学、光明团结小学等均执行了最新抗震标准,设计为9度抗震构造。
往年我国学校舍建筑多为砖混结构和框架结构,震害调查分析发现在经抗震设计房屋中,钢筋混凝土框架结构所受地震损伤相对较轻,其抗震能力优于底框架砌体结构和砖混砌体结构,而多跨框架结构优于单跨框架结构。在结构抗震安全上,重建的学校建筑吸取了地震灾害的经验教训,在建设资金充足的前提下纷纷采用抗震性能较好的钢结构、现浇钢筋混凝土框-剪结构和框架结构等。
4.2 应用新理念和新技术
为确保学校建筑安全和充分发挥公共建筑在城市防灾安全体系中的社会公益性,日本和美国的经验是将学校作为紧急避难场所或紧急求助中心进行设计,一方面较高的建筑抗震设防标准可保护学生和老师的生命安全,另一方面学校里大空间的教室和体育场馆以及较大的空地可供灾民避难和临时安置。
企业捐建的遵道学校不仅应用了先进的隔震技术,而且在规划设计上考虑了地震疏散和避难场所的要求:如广泛采用固定式设计的学校家具和设施,可防止倾倒伤人及造成撤离障碍。学校教学楼每层有多达6个楼梯疏散出口,楼梯也加宽至可通行4股人流的2.4m,提升了紧急通道的疏散能力,经过防灾演习和训练,全校1600名师生可在90s左右疏散至安全场地。经过特殊设计并提高了坚固程度的教室课桌,必要时可形成紧急避难空间。在学校的避难中心,供水系统无负压水箱自动蓄水,常年储备15m3备用水,按每人每天3cm3配备用水,在与市管网中断的情况下可保证1000人的5天紧急用水需要。
重建的遵道学校应用了成熟而先进的“隔震技术”,即通过在教学楼上部结构与建筑基础中安装叠层橡胶隔震支座,显著提升建筑物整体抗震性能。非承重墙体选用延性抗倾覆轻钢材料辅助抗震,轻钢墙体与主体结构之间“柔性连接”使墙体不易倾覆并易于修复。
此外,遵道学校还适应信息时代新要求,率先配备了突发事件监控中心报警系统和 “二十一世纪校园网络”系统,为孩子们创造了更安全、更现代、更灵活的学习环境。
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关键词:延性;承载力;稳定性
Abstract: discusses local ductility, the overall structure of building and structure ductility capacity effect on the stability of the structure.
Keywords: ductility; bearing capacity; stability
中图分类号:TU74 文献标识码:A文章编号:
在地震作用下,结构的延性是非常重要的
地震分为小震、中震和大震。所谓小震指的是常遇地震,50 年出现的概率大约为63% ,重现期为50年。中震是指50年出现的概率约为10 % ,重现期为475年。而大震指的是罕遇地震,50年出现的概率为2 %~3 % ,重现期为1641~2475年。对于偶然性和随机性很大的地震荷载,要想使结构强度一定大于结构反应,几乎是不可能的,而且是十分不经济的。受社会承受牺牲的能力和经济制约的因素,我们只能从概率的角度出发,使结构在一定的概率保证下能安全正常地发挥作用。这就决定了抗震设计的基本原则,在我国即通常所说的“小震不坏,中震可修,大震不倒”。
在“小震”作用下,要求结构不受损伤或不需修理仍可继续使用。从结构抗震分析角度来说,就是要求结构在“小震”作用下保持准弹性反应状态,而不进入使建筑物中断使用和产生非结构构件破坏的非弹性反应状态;同时结构的侧向变形应控制在合理的限制范围以内,目的是使结构具有足够的抗侧向力刚度。
中震大概相当于我们的设防烈度地震,当遭遇到中震作用时,结构可以有一定程度的损坏,经修复或不经修复仍可继续使用。从经济角度来说,维修费用不能太高。
对发生概率极小的罕遇大震(“大震”的烈度比设防烈度约高一度左右) 。要求当结构在遭遇“大震”作用时,不应倒塌或发生危及生命的严重破坏。
这样一个抗震设防目标是非常经济合理的。因为地震的发生太偶然,如果我们一味地追求结构的强度以保证中震甚至是大震作用下结构不坏,这将会使极大量的材料在绝大部分时间里,甚至在整个寿命期内都处于不能充分发挥作用的状态,这样做是不明智的。
在上述设计原则指导下,就要求结构处于这样一种状况:当小震来临,应确保所有的结构构件在抵抗地震作用力时,具有足够的强度,使其基本上处于弹性状态;并通过验算小震作用下的弹性位移共同来保证结构不坏。处于这个阶段的结构构件不会发生明显的非线性变形,也不需要采取特殊的构造措施。在中震作用下,结构的某些关键部位超过弹性强度,进入屈服,发生较大变形,达到非线形阶段,这时我们就需要提出延性要求(延性指当地震迫使结构发生较大的非线性变形时,结构仍能维持其初始强度的能力,是结构超过弹性阶段的变形能力,它是结构抗震能力强弱的标志。它包括承受极大变形的能力和靠滞回特性吸收能量的能力,它是抗震设计当中一个非常重要的特性) 。当中震来临的时候,因为结构具有非弹性特征,某些关键部位超过其弹性强度,进入塑性状态。由于它有一定的延性,它的非线性能够承担塑性变形,使它在变形中能够耗费和吸收地震能量。代价是可能导致较宽的裂缝,混凝土表皮起壳、脱落,可能有一定的残余变形,但不至于导致安全失效,以达到中震可修的设防目标。处于这个阶段的结构,对延性就会提出相应的要求,而延性就要靠精心设计的细部构造措施来保证。当大震来临的时候,结构的非线性变形非常大,也可能发生不可修复的破坏;处于这个阶段的结构就需要通过计算它的弹塑性变形来保证结构不致倒塌。
所以,通常我们只需要按小震作用效应和其它荷载效应的基本组合,验算构件截面抗震承载力及结构的弹性变形;而中震作用效应则需要结构靠一定的塑性变形能力(即延性) 来抵抗;所以结构延性对建筑抗震是极其重要的。
需引起注意的问题是,在讨论结构延性问题时,不能仅仅局限于延性系数,而要将结构的延性与结构的破坏模式联系起来。对于抗震结构来说,整体结构的延性比局部构件的延性更为重要。通常,构件的延性是保证出现塑性铰部位的变形能力和耗能能力,而结构的延性与构件的延性既有联系、又有区别,它反映的是整体结构在某种荷载下的宏观变形能力。具有整体型破坏模式的结构,结构中大部分构件的延性得以充分发挥,结构的稳定性大;而局部型破坏模式,即使局部破坏部位构件的延性很大,其结构稳定性也可能不好。因此,结构延性也只有对具有整体型破坏模式的结构才具有意义。比如说,延性系数达到6的全框支结构或形成柱铰机制的框架结构,其抗震性能和稳定性不可能好于延性系数只有3的剪力墙结构。
长期以来,人们将承载力安全储备和变形安全储备简单地割裂,而没有从两方面同时予以考虑。即通常在讨论安全储备时往往只考虑承载力储备,而在讨论延性时又指是在承载力基本保持不变情况下的变形能力。合理的结构安全储备定义应该是,结构破坏时的承载力和变形之积与结构满足正常使用条件下的承载力和变形之积之比;也可以采用结构破坏时的变形能与结构满足正常使用条件下的变形能之比。
强调提高结构承载力对结构的稳定性有以下几方面:
1) 对于关键构件,特别是对结构整体至关重要的构件,提高承载力安全储备比提高变形能力安全储备更重要,因为这些构件一旦达到其屈服承载力,即使其随后的变形能力再大,也难以避免结构的整体破坏,且破坏后果往往较严重,至少是难以修复的。而对于次要构件,增加延性则是十分重要的。
2) 现行的结构抗震设计理论,是在传统低强材料结构的基础上发展起来的,在罕遇地震下,仍要求低强材料结构处于弹性状态是不经济的。因此,现行的结构抗震设计理论容许结构在罕遇地震下产生一定程度的损坏,以利用损坏结构构件的塑性变形能和滞回耗能来耗散地震能量,避免结构的倒塌。随着经济材料技术的发展,高强结构材料逐渐应用于工程结构。高强材料的应用可以使得结构(特别是结构中的关键构件)具有更高的承载力安全储备;同时,将高强材料应用于结构中整体型关键构件,更有利于形成整体型破坏模式(对结构破坏模式的控制) ,增强结构的稳定性。
总语:近几年,全国各地地震频发,如汶川大地震,雅安地震。很多建筑物破坏形式都是整体失稳,而建筑物的延性以及承载力对于结构稳定性具有很大的影响,因此必须引起各方面的重视以减轻地震灾害的影响。
参 考 文 献
[ 1 ] 柳承茂,刘西拉. 基于刚度的构件重要性评估及其与冗余度的关系. 上海交通大学学报,2005 ,39(5) :7462750.
[ 2 ] 陈瑞金, 刘西拉. 结构体系可靠性与可靠度[ C ]PP工程结构可靠性,全国第二届学术交流会论文集,1989 :43247.
[ 3 ] 叶列平,康胜,曾勇. 双重抗震结构体系[J ] .建筑结构,2000 ,30(4) : 58260.
[ 4 ] 叶列平,ASAD ULLAH QAZI ,马千里等. 高强钢筋对框架结构抗震破坏机制和性能控制的研究[J ] .工程抗震与加固改造,2006 ,28(1) :18224.
篇9
关键词: 人字形中心支撑钢框架;Pushover分析;弹塑性时程分析
中图分类号:TU392 文献标志码:A
Research on the elastic-plastic Performance of 12 stories Inverted-V concentrically braced steel frame (CBSF)
Yin Tao,Ma zhengwei
(Department of Civil and Architecture Engineering, Xi'an University of Science and Technology, ,Xi’an 710054, China)
Abstract: Firstly, the paper designs four different kinds of 12 stories inverted-V concentrically braced steel structure. After preliminary design and adjustment, the paper determines the size of structural members. When four different models under pushover analysis and under the lateral loading, the paper uses capacity spectrum method to get load-displacement curves, the plastic hinge generated sequence and the weakest position of the structure. Then the paper summarizes the influence of the pushover curve and the plastic hinge location of the hinge sequence under the lateral load patterns. Considering preventing the rare eight occurred earthquake intensity, obtains performance point of the structure and the top structure’s maximum, displacement and maximum angular displacement between layers on performance points, and evaluates seismic performance under the rare eight occurred earthquake of the structure. Then choose which model is best,which model is most weakness.
Keywords: the inverted-V concentrically braced steel frame; Pushover analysis; Non-linear time-history analysis
1引言
现代高层建筑钢结构是反映一个城市经济繁荣和社会进步的重要标志,它是随着社会的经济、技术进步和人们的生活需要而发展起来的,是商业化、工业化和城市化的结果。计算机模拟技术在建筑领域的广泛应用以及钢结构加工制作技术的进步,为高层建筑钢结构提供了广阔的发展空间。
结构模型的设计概况
本文研究的一组人字形支撑钢框架结构模型如图1所示
图1 一组人字形支撑钢框架结构模型
四个结构跨数取三跨,结构的纵向跨度取10m,层数12层,横向跨度均取为10m,层高为3.6m。楼屋面恒荷载3.5,楼面活荷载2.0,屋面活荷载2.0(上人屋面),基本风压0.3,雪荷载0.4,地面粗糙度C类,抗震设防烈度为8.5度,场地类别为II类,设计地震分组为第二组,采用Q235钢材。不考虑东西向的抗侧力体系,南北向的抗侧力体系为两榀中心支撑钢框架,每榀中心支撑钢框架抵抗整个结构一半的侧力。由于对称性,不考虑结构的平面内扭转。本文采用有限元计算程序Sap2000对模型进行结构设计,四个模型柱材料及尺寸相同,梁柱略有差异,结构的梁柱材料及尺寸见下表1。
表1 模型4的截面尺寸及材料(8度)
表2 模型1的截面尺寸及材料(8度)
表3 模型2的截面尺寸及材料(8度)
表4 模型3的截面尺寸及材料(8度)
表512层人字形钢框架柱截面尺寸及材料(8度)
3 Pushover分析
3.1 四个模型的基底剪力-顶点位移曲线
图4模型1基底剪力-顶点位移曲线图5 模型2基底剪力-顶点位移曲线
图6模型3基底剪力-顶点位移曲线 图7 模型4基底剪力-顶点位移曲线
图8 基底剪力—顶点位移曲线
由图4~7可以看出,在线弹性阶段,曲线斜率最大的是模型2,模型4次之,模型3排在第三位,模型1的斜率最小,而曲线的斜率则反映了整体结构的抗侧刚度,这说明模型1的钢框架结构的刚度相对偏低,变形最大,而模型2的侧向刚度最大,变形最小。随着侧向均布加载的继续增加,结构进入弹塑性阶段后,整体刚度逐渐降低,基底剪力最大的也是模型2,模型4的基底地剪力仅次于模型2,模型1排在第三位,模型3的基地剪力最小。从基底剪力-顶点位移曲线的角度可以的出结论:模型2的结构抗震性能更好,模型1的结构抗震性能最弱。
3.2性能点的比较与分析
四个模型的能力谱-需求谱曲线图见下图8~11。
图8模型1在罕遇地震作用下的 图9 模型2在罕遇地震作用下的
能力谱-需求谱曲线图能力谱-需求谱曲线图
图10 模型3在罕遇地震作用下的 图11 模型4在罕遇地震作用下的
能力谱-需求谱曲线图 能力谱-需求谱曲线图
结构模型在罕遇地震作用下的性能点分析
从各结构模型在罕遇地震作用下性能点的值表明:四个结构模型的能力谱曲线均与需求谱曲线相交,交点是八度设防、Ⅱ类场地类别下结构的性能点,且交点位置均处于能力谱曲线的弹塑性阶段,四个结构的位移反应能力大于结构的位移需求能力,结构的抗震性都能满足八度罕遇地震作用下的弹塑性变形要求。经过四个结构模型性能点的比较可知:模型1达到性能点时的基底剪力最小,顶点位移最大,结构的变形最大,模型2达到性能点时的基底剪力最大,顶点位移最小,结构的变形最小。表明模型2的刚度最大,模型1的延性最好。
3. 3层间位移及层间位移角的分布
(1) 层间位移及层间位移角
图12为模型1,模型2,模型3及模型4在八度抗震设防时,结构达到性能点时的层间位移沿竖向楼层的线分布图。
图128度罕遇地震作用下结构楼层层间位移曲线分布图
在罕遇地震时,模型1、2、3、4的最大层间角位移为1/70.8、1/64、1/76、1/78,均小于《建筑抗震设计规范》[1]GB50011—2010中规定的弹塑性层间位移角的最大值1/50。在罕遇地震作用下,模型1~模型4的最大层间位移角均发生在结构的第三层,表明第三层为结构的薄弱层。
3.4 塑性铰的分布及破坏形式
模型1、模型2、模型3、模型4在罕遇地震作用下结构达到性能时,各个结构的塑性铰均首先出现在一到四层的支撑上,并逐渐向上发展,模型4有八层的支撑出现了塑性铰,模型2也有七层的支撑出现了塑性铰,而其他两个模型的支撑只有五层出现塑性铰,这说明支撑作为防御地震的第一道耗能构件没有在模型1和模型3上较好利用;四个模型在支撑出现塑性铰后,随着荷载的继续增加,梁端相继出现塑性铰,四个模型中梁的塑性铰均出现在一到四层,而模型2的梁端出现塑性铰的数量最多,发展最充分。综合分析,模型2的结构形式最好,模型4次之,模型1最不好。
模型1模型2
模型3 模型4
3.5 总结
综上所述,模型1、模型2、模型3、模型4综合研究得出以下结论:模型2的结构抗震性能略好于模型4,这可以表明模型2的支撑布置形式不逊于我们通常把所有支撑都放在中间跨的结构形式即模型4。模型1的结构抗震性能最弱,应尽量避免此种支撑布置形式。
4结束语
论文先是对四种不同结构形式的12层人字形支撑钢框架结构进行了Pushover静力分析,然后对Pushover分析的结果进行比较研究得出结论,由于Pushover是静力分析,还可以用动力时程分析加以分析,因此可以进一步的研究静力和动力分析后结果的比较。
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1.1震灾的严重性
本世纪世界陆地7级以上地震,中国有66次占1/3,人口死亡200多万,中国有115万占1/2。在最近期的1978年唐山大地震中死24万,死伤40万,经济损失100亿人民币。在国内的各种灾难中,属灾死人占54%。经济损失占6%。
1.2震灾预告的艰难性
至今世界上发生了无数次的大小地震,据资料介绍,只有海城与墨西哥两次地震的临震预告稍准,由于中长期预告不准,海城与墨西哥城的建筑物损坏与震灾还是严重的。关于地震发生的机理目前总说纷坛,例如,断裂带错动、地壳板块插入、整板变形断裂,学说越多说明可靠的学说尚未形成。日本是震灾较多,研究地震机理及预告人员最多、水平最高的国家,可是1995年1月17日偏偏在其预告安全区西部的阪神发生大地震,死5oo0多人,经济损失1000亿美元,全国一遍震动。因此在1994年在西班牙召开的国际地震会议上有关专家指出,目前地震是不可预告的,因此各国应将重点放在建造耐震的建筑上。
1.3如何吸取唐山大震的经验教训
海城地震后,天津市有些工程搞了抗震加固。在唐山大地震时,这些加固过的工程表现了明显的耐震性能,因此唐山地震后全国开始了大规模的现有建筑抗震加固与新建建筑抗震设防工作。我国的抗震设防是按地区设防烈度划分等级的,例如按六度设计的房屋的设防目标是:遭迂从值烈度(5.5度)时建筑不损坏;遭迂基本烈度(7度)时建筑有些损坏,但可修复使用;遭遇罕遇地震(8度强)时,破坏严重,但下例塌。海城地震时海城是9度,唐山地震时唐山中心区是10度。7度设计的房屋迂海城、唐山那样的9度、10度大震就要破坏倒塌了。全国把大多数地区均划为七度、六度区,由于经济的原因及技术的困难,尚无法按10度的条件设计这些地区的房屋结构,因此无法避免唐山地震的悲剧重演。我国地震工程科技人员寻找新的方法,也就是开始研究隔震、减震。消能与控制技术,从”硬抗”转到“软消”。我院滑移减震建筑技术就是在这种形势下从1985年开始列题研究的项目。
2滑移减震技术研究的主要成果及水平
为了避免唐山大地震的悲剧重演,为了寻求抵御十度大震的建筑技术,在1985年开展了滑移减震技术的研究。从1985年至1990年为项目研究,以机理为主;第二阶段1995年至1997年结合试点建筑,进行设计、构造及施工等配套技术研究。
2.1项目研究成果
(1)石墨是较理想的助滑剂材料:它耐久、构造简单、适宜的上部结构抗震构造与适宜的最大错动位移值。
(2)最大错动位移是54mm;残存错动位移小于20mm;
(3)高宽比控制为2,能保证只滑不摇摆;
(4)能起到保险丝作用,滑誉减震房7度强时起滑,10度时上部建筑只滑不破坏倒塌。
1990年经全国闻名抗震专家宋秉译、周福霖、刘季、李桂肴、霍自正等组成的鉴定委员会鉴定认为课题成果具有重大的社会效益与经济效益,成果的广度和深度达到国内先进水平,有关计算参数均可为滑移减震消能多层砖房的设计提供依据。
然后根据研究报告编写的论文在第十届世界地震工程会议(西班牙)与国内“建筑结构学报”上发表。均获较高评价。
2.2试点建筑的研究成果
(1)上部结构设计安全度,横墙安全度是相应按7度抗震设计的1.5倍;纵墙是1.8倍。这与辽宁地区目前7度区的七层砖混住宅结构相当;
(2)配套研究了上、下水管、煤气管及暖气管穿过滑移层的柔性接头或柔性构造;
(3)构造简单施工方便;
(4)采用挖孔桩基础时,由于桩的配筋减少使总造价不增加;采用其它基础时总造价增加较少。
试点建筑研究成果在1997年经杨玉成、梁发云与省内专家组成的鉴定委员会鉴定,认为该试验建筑可达到相当于6一7度地震不坏,7度强地震时,滑动层刚开始动作,9~10度地震时下倒塌。这是一项防止房屋倒塌、减轻地震灾难的有效的创新途径。用石墨作分隔层材料建成六层住宅在国内、国际上属首创。
3滑移减震建筑在市场中经过检验得到房产育及用户欢迎
(1)同行专家认可——技术上过硬;
(2)政府部门支持——适合我国、我省情况;
(3)符合市场法则一一房产商能挣钱;用户欢迎。
滑移减震建筑技术就是闯过以上三关于1998年进入辽宁市场,并获得了成功。
3.1同行专家认可
研究项目及试验性建筑的两次鉴定会文件及有关于中、外重要学术会议及国内重要刊物均表明该项成果的学术水平是高的,获得了同行专家的认可与好评。
3.2政府部门支持
滑移减震研究项目经1990年至1995年近5年等停后,在全国橡胶垫隔震技术发展的形势促进与1995年初日本阪神地震震灾的推动下,我于1995年5月给原辽宁省省长闻世震写了一封信,呼吁”我省应加快新型建筑隔震技术的发展”省长很重视批示支持,省建设了厅长也批示支持,随之拟定了推广规划,并具体落实到辽宁省建设事业“九五”科技成果重点推广项目和2010年科技成果转化规划纲要中。这就为项目的应用获得了可靠的红头文件。
3.3符合市场法则
因为地震预告不准,而按预告划分的烈度设计抗震建筑,其安全性不高的现实不但科技人员明白,一般百姓亦理解。因此1997年夏季在辽宁省锦州市,1998年春季在丹东市当有地震传言时、百姓就人心慌慌,尽力想法躲避。锦州属下的凌海市与丹东属下的东港市有的房产公司抓住百姓的怕震心态,建了一些现浇楼板的砖混住宅,造价增加40一50元/m2,但有购房自的百姓还是争先选购了此种住宅。
滑移减震建筑技术就是在这种百姓对现有抗震建筑心有余悸,并且自己有了购房权,可以购买优质优价房的形势下于1998年走进市场的、在东港市及海城市推广了约六万平方米,当年建成3万平方米。经几栋楼的施工实践,采用滑移减震技术后,房屋价格仅增加12一20元/m2,每户也只增加1000多元。因此滑移减震建筑深受房产商与用户欢迎。
在1998年12月初在东港市召开的”辽宁省滑移减震建筑现场技术交流会”上,省建设厅领导认为滑移减震技术应成为建筑业的新增长点。目前政府与群众积极性均很高:领导重视、地方支持、专家认可与有震情百性需要,因此这项技术已经开始成熟,可以走向市场,经济实用性较高。房建公司的经理认为这项技术施工方便,造价增加较少,耐震概念易懂,滑移减震建筑技术是加快住宅业更新换代,使之更好地为人民免灾造福。