摘要:随着社会经济的发展和人们生活水平的提高,对建筑结构设计也提出了更高的要求。本文基于结构性能抗震设计的含义及理论内容,提出了抗震设计的常见问题,并探讨了必须重视抗震的概念设计之重要。
关键词:抗震设计;问题;概念设计
一个好的建筑结构设计,建筑和结构必然是有机结合的统一体结构设计,不是由简单的各种受力构件的堆砌、组合而成的,而是要体现在解决工程设计中的实际问题中,依靠知识、能力和消化了的活的知识转变成智慧并合理的利用,才能有效的解决工程的各种实际问题。
1 基于结构性能抗震设计理论
1.1 基于性能的抗震设计含义
基于性能的抗震设计是基于性能的地震工程的一部分内容,主要是指对结构进行抗震设计的整个过程。它包括地震风险水平的确定、性能目标和性能水平的选择、概念设计、初步设计、最终设计以及设计过程的可行性检查及评估等。
1.2 基于结构性能抗震设计理论的研究内容
基于结构性能的抗震设计理论是以结构抗震性能分析为基础,根据设防水准的不同,将结构的抗震性能划分为不同的等级,设计者可根据业主的要求,采用合理的抗震性能目标和合理的结构措施进行抗震设计。除了抗震设计方法,基于性能的抗震设计理论还包括目标性能的确定,它是整个设计的基础和关键,主要包括以下三个方面:
1.2.1 地震设防水准
在设计基准期内,定义一组参照的地震风险和相应的设计水平,是基于性能设计理论的一个重要目标。基于性能的设计理论应追求能控制结构可能发生的所有地震波谱的破坏水准,为此,需要根据不同重现期选择所有可能发生的对应于不同等级的地震动参数的波谱,这些具体的地震动参数称为地震设防水准,分为常遇、偶遇、罕遇和稀遇地震,并给出了其重现期和超越概率。
1.2.2 结构的性能水平及其量化指标
结构的抗震性能水平表示结构在特定的某一地震水准下一种有限程度的破坏,包括结构和非结构构件破坏以及因它们破坏引起的后果,主要用结构易损性、结构功能性和人员安全性来表达。按照不同的地震动水平,结构的性能水准可分为四级,即功能完好、功能连续、控制破坏与损失、保证安全。其中,简化的三级性能水准,即可继续使用、修复后可再使用、保证安全。
1.2.3 抗震设计的目标性能
结构的抗震设计的目标性能是针对某一地震设防水准而期望达到的抗震性能等级,抗震设计目标性能的建立需要综合考虑场地特征、结构功能与重要性、投资与效益、震后损失与恢复重建、潜在的历史或文化价值、社会效益及业主的承受能力等诸多因素。我国抗震规范的目标性能实际是:小震不坏,中震可修,大震不倒。
2 抗震设计的常见问题
2.1 房屋体形
由于建筑地形的限制,或为了形成街景,业主常要求设计单位在建筑体形上赋予变化,以求美化。主要表现在:a.建筑平面因地势需要设计转折;b.结构平面凹凸不规则,有的凸出或凹进的尺寸大于相应尺寸的30%;c.上部砌体总层数不一致,有的层差达到两层甚至以上;d.楼板局部不连续或刚度突变,出现楼板错层,或楼板开洞率太大,有效楼板面积不足结构典型平面的50%;e.为了满足下部大空间的利用,下部框架投影面积大大超过上部砖房面积,质量出现较大偏心,使结构出现较大的不规则扭转;f.楼层之间大刚度和承载力变化明显,变化率超过20%～30%以上。
2.2 层数与总高度
由于底层框架砖房的结构特殊性,《抗规》对其高度与层数都提出了明确的要求。有些业主为了提高经济效益,要求设计单位背离《抗规》的意愿,突破总层数和总高度的限制。
2.3 框架结构
框架的设计问题出现的形式多样:a.框架柱网不规则,开间不均匀;b.底部框架梁跨度太大,曾出现9m的跨度,必然导致“强梁弱柱”;c.框架梁柱截面偏小,表现为“剪压比”和“轴压比”超标;d.梁、柱的纵向配筋率和体积配筋率小于抗震要求;e.起转换作用的楼面的次梁设置不合理,有的偏少,有的不便于施工。
2.4 抗震墙
底框结构没有按要求设置抗震墙。a.追求经济效益,减少抗震墙数量;b.强调空间功能分布,抗震墙分布不对称、不均匀;c.有的工程抗震墙布置过多,使薄弱层上移,由于多层砌体房屋结构变形、耗能能力差,地震时破坏往往更加严重;d.剪力墙没有注明抗震等级。
2.5 转换楼层的现浇板及上部砌体
转换楼面现浇板较薄,无双层双向配筋,不能形成有效的转换层来传递水平地震力。构造柱普遍数量不足,没有按规范要求在必要的部位设置构造柱,或者构造柱、圈梁配筋偏小,没有注明先砌墙后浇梁柱。
3 抗震概念设计
3.1 概念设计的重要性
大量的震害表明,结构抗震性能的决定因素是良好的“概念设计”。概念设计的目的就在于合理地选择结构形式,并通过构造措施来满足“大震不倒”的要求。设计师在提高抗震设计意识和水平的同时,建筑方案的选择不受业主的干扰,避免建筑的形状、尺寸、布局等表现出明显的抗震缺陷;结构方案更不能受业主的经济观念和使用功能的影响,降低下部结构的延性,使抗震墙的数量、形式、布置严重不合理,包括构件的构造措施不力等。
3.2 建筑体型的概念设计
建筑体型应力求简单、规则、对称,质量和刚度分布均匀。建筑和结构的布局是否对抗震有利,是抗震设计首先遇到的问题。简单对称的建筑设计,有利于质量和刚度的均匀分布,建筑物在地震时的实际反应和设计时的分析容易一致,且有利于细部构件的处理。凹凸不平的立面和高低不同的错层,虽然可以获得较好的外形,但使结构的地震效应变得非常复杂,结构处理变得极为困难。
3.3 抗震墙的概念设计
底层框架的刚度往往比上部结构小得多,在地震中就成了薄弱层,从这一点来说,加强底层刚度应该是非常必要的。目前设计中为了达到增加底层刚度和延性的目的,通常采用钢筋混凝土抗震墙:a.抗震墙的数量。它主要受层间侧移刚比的影响,与此同时,同一结构最好采用同一种抗震墙。b.抗震墙的形式。抗震墙作为抗侧力的主要构件,其高宽比一般较小,在地震水平力的作用下属于脆性破坏,一般高宽比宜在1.5～2.5之间。c.抗震墙的布置。应使纵向和横向侧移刚度中心尽可能与整幢房屋的质量中心重合,并将纵横向抗震墙尽量布置在房屋两端,纵横墙宜成组布置,组成T形、L形等,使两个方向抗侧移刚度尽量接近,最大间距应不超过《抗规》的限值。
3.4 构件的概念设计
抗震结构的各类构件应具有必要的强度和刚度,并具有可靠的连接。避免非结构构件的不合理设置,导致主体结构受力不合理,地震时出现过早破坏。因此,可以采取以下措施:做好细部构造;防止非结构构件直接参与抗震作用;防止非结构构件在地震作用下出现平面倒塌;避免非结构构件出现连续破坏。
3.5 上部砖砌体的概念设计
保证上部结构的强度和刚度,提高上部砖结构的延性也十分重要。尤其是作为转换的墙体和楼面,应提高砖砌块和砂浆的强度,使底层框架和抗震墙能够更有效地承担地震水平作用。因此,兼作转换层的现浇楼面的厚度不应小于150mm,混凝土强度等级不应低于C20,构造柱在楼梯间四角,各横墙与内外纵墙交接处、内墙局部较小的墙垛处有较大洞口的两侧均应设置,且配筋要加大一级。必须注明先砌墙后浇底框的梁柱。对于底框中的低矮钢筋混凝土墙,应设置为开竖缝。在竖缝处水平钢筋断开,在竖缝两侧设置暗柱,暗柱范围为1.5倍的墙厚,筋可采用4Φ16,箍筋可采用Φ8间距不宜大于200mm,在竖缝处放置两块厚度为35mm,宽度与混凝土墙同厚的预制钢筋混凝土板。
4 结束语
总之,一个好的结构方案,不但受力明确,结构新颖,安全可靠,经济合理,同时还能满足建筑要求,施工方便,及早投产,在合理确定结构型式和体系后,结构的布置就成为建筑抗震的重要问题,抗震不利的结构布置会导致严重震害。
参考文献
[1]高淑英,张晓妍,王洪芬.加强结构抗震设计中的概念设计.河北工程技术高等专科学校学报.2001-09-15
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