1、淺談抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)     摘要:地震作用由于其隨機(jī)、不能準(zhǔn)確預(yù)見和計(jì)算,目前規(guī)范只確定了一類,半經(jīng)驗(yàn)半理論計(jì)算方法進(jìn)行精確抗震計(jì)算存在一定困難,因此在抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循剛?cè)嵯酀?jì)、多道設(shè)防的原則,并采取有效的構(gòu)造措施予以保證結(jié)構(gòu)的抗震性能。在改善短柱的抗震性能方面,可以采取使用復(fù)合螺旋箍筋、設(shè)置分體柱、使用鋼骨混凝土等措施。 關(guān)鍵詞:地震作用;延性短柱;抗震性能 中圖分類號:TU352文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1006-8937(2010)14-0135-02 地震作用是一種目前尚且不能準(zhǔn)確預(yù)見和準(zhǔn)確計(jì)算的、隨機(jī)的外部作用,其影響因素極為復(fù)雜。現(xiàn)行規(guī)范中確定的

2、有關(guān)地震的計(jì)算,所采用的計(jì)算還只是依賴經(jīng)驗(yàn)的理論性方法,如果要得到比較精確結(jié)果還比較困難,對于從事建設(shè)抗震設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)工程師來講,在設(shè)計(jì)建筑物尤其是那些高層建筑時(shí),需要特別注意相關(guān)抗震安全問題,在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮各種因素的影響,采取合理的措施進(jìn)行防范。 1結(jié)構(gòu)建筑物抗震設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 1.1要重視結(jié)構(gòu)物的規(guī)則性 首先結(jié)構(gòu)建筑物的設(shè)計(jì)必須符合抗震概念設(shè)計(jì)的要求,嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)形式必須要規(guī)避。較為合理的建筑物布置提倡平、立面簡單對稱。通過對以前震后建筑物的調(diào)查,我們發(fā)現(xiàn):布置規(guī)則的建筑物在地震過程中不易受到破壞。同時(shí),布置規(guī)則的建筑物所受到地震反應(yīng)也較容易估計(jì),有利于尋找合適的構(gòu)造措施和細(xì)部處

3、理。建筑結(jié)構(gòu)物的規(guī)則性主要表現(xiàn)在平立面形狀簡單、剛度承載力變化均勻連續(xù)、平面布置基本對稱等方面,就是對建筑物的平、立面尺寸,構(gòu)件布置,質(zhì)量、承載力分布等諸多因素提出的綜合要求。 1.2要重視設(shè)計(jì)的基本原則 原則一:剛?cè)嵯酀?jì)柔性。結(jié)構(gòu)可以有效的減少地震力的傳遞,吸收地震波的能量,減輕地震作用對結(jié)構(gòu)物的影響。因此,在抗震設(shè)計(jì)中不能一味的追求結(jié)構(gòu)的剛度與抗力。如果結(jié)構(gòu)物的剛度太大,地震作用的效應(yīng)很大,就需要配置更多的鋼筋去抵御地震。而對于柔度過大的結(jié)構(gòu),雖然其具有很好的延性,可以消減一部分外力,但容易造成過大的變形而無法正常使用。在抗震設(shè)計(jì)中,既要滿足變形要求,又要能減小地震力的影響。通常的程序是根

4、據(jù)初步擬定的尺寸和混凝土等級等因素計(jì)算結(jié)構(gòu)的剛度,再依據(jù)結(jié)構(gòu)剛度結(jié)果計(jì)算地震力,最后再計(jì)算配筋量。此外,還可以采取在基礎(chǔ)和主體之間設(shè)置柔性隔震層、加設(shè)消能支撐(比如阻尼器的裝置)等隔震消能措施,以減弱地震力的影響。 原則二:多層設(shè)防。一次高等級地震后通常會(huì)伴隨著多次余震,假如僅僅只有一道防線,一旦建筑由于第一次破壞后再遭受余震襲擊的話,就可能會(huì)因損傷的積累導(dǎo)致倒塌。所以,一個(gè)抗震結(jié)構(gòu)體系,比如采用框架-剪力墻體系,即延性框架和抗震墻分體系的組合能夠起到很好的協(xié)同作用,也就是通過多個(gè)延性較好的分體系,并且由延性較好的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行連接形成一個(gè)多層體系。 1.3建筑結(jié)構(gòu)物延性構(gòu)件的利用與抗震措施 結(jié)

5、構(gòu)或構(gòu)件的延性是指在保持承載力不顯著降低的情況下材料的變形能力(即指材料的應(yīng)變,而非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的整體位移)。 抗震設(shè)計(jì)原則應(yīng)落實(shí)為“大震不倒,中震可修,小震不壞”,因此,應(yīng)盡量將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成延性結(jié)構(gòu)。由于塑性變形的存在,延性結(jié)構(gòu)可以吸收或者耗散地震輸入能量,減小地震作用下的動(dòng)力效應(yīng),以其變形能力來抵抗地震作用,減輕地震破壞。結(jié)合實(shí)際工程案例,結(jié)構(gòu)的 抗震措施一般包括以下幾個(gè)方面:“強(qiáng)柱弱梁”:增大柱相對抗彎能力(針對梁),這樣鋼筋混凝土框架在地震作用下時(shí),梁端較早出現(xiàn)塑性鉸,在達(dá)到最大非線性位移時(shí)塑性轉(zhuǎn)動(dòng)較大;而柱端塑性鉸則情況相反,出現(xiàn)時(shí)間晚且塑性轉(zhuǎn)動(dòng)較小,甚至根本不出現(xiàn)塑性鉸。因此保證了框架成

6、為一個(gè)穩(wěn)定的塑性耗能機(jī)構(gòu)并具有較大的塑性耗能能力。“強(qiáng)剪弱彎”:因?yàn)榧羟衅茐膶儆诨旧喜痪哂腥魏窝有缘么嘈云茐?一旦結(jié)構(gòu)物的某個(gè)部分發(fā)生剪切破壞,該部分就將因失去承載能力而退出承載;另外,柱端的剪切破壞很可能致使結(jié)構(gòu)的局部甚至整體倒塌。鑒于此,人為增大柱端、梁端、支座邊緣處的組合剪力值,盡量使結(jié)構(gòu)能在地震作用下,結(jié)構(gòu)不會(huì)因內(nèi)部構(gòu)件發(fā)生剪切破壞而喪失承載力。 2改善短柱的抗震性能 通常結(jié)構(gòu)工程師在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),會(huì)遇到由于柱子的截面比較大,在結(jié)構(gòu)下部形成短柱的情況。根據(jù)抗震設(shè)計(jì)的要求,減小短柱的截面尺寸,盡量提高短柱的承載力,采取各種有效構(gòu)造措施以提高短柱的延性,提高短柱的抗震性能。有如

7、下改善措施。 2.1使用螺旋箍筋以形成螺旋箍筋柱 螺旋箍筋柱時(shí)采用螺旋鋼箍或者焊接環(huán)筋作為箍筋的軸心受壓構(gòu)件。比如高層建筑框架中的短柱,如果符合“強(qiáng)剪弱彎”和“強(qiáng)柱弱梁”的標(biāo)準(zhǔn),其構(gòu)件是不容易發(fā)生剪切型破壞的。所以,可以使用復(fù)合螺旋箍筋,利用其對內(nèi)部混凝土的套箍作用使核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)從而提高其承載力和變形能力。使得螺旋箍筋柱具有較普通箍筋柱更強(qiáng)的抗震能力。 2.2采用鋼骨混凝土柱 一般鋼骨混凝土柱由鋼骨和外包混凝土構(gòu)成。鋼骨有工字形、H字形、十字形截面形式,通常由鋼板直接軋制或焊接拼制而成。與以前的一些鋼結(jié)構(gòu)相比,采用了外包混凝土的鋼骨混凝土柱可以提高柱的整體剛度,同時(shí)顯著改善鋼構(gòu)件

8、出平面扭轉(zhuǎn)屈曲性能,有效防止鋼構(gòu)件的局部壓曲。通常情況下,在設(shè)計(jì)中如果采用鋼骨混凝土結(jié)構(gòu),在鋼材用量上要比一般鋼結(jié)構(gòu)節(jié)約50 %以上。與此同時(shí),采用這一設(shè)計(jì),在柱結(jié)構(gòu)的耐久性和耐火性方面也有所增強(qiáng),在一定程度上彌補(bǔ)了鋼結(jié)構(gòu)耐腐蝕性差的特點(diǎn)。 由于配置了鋼骨,使得開口鋼骨翼緣與箍筋對混凝土起到了更好的約束作用,另外由于鋼骨本身良好的塑性,在柱結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力也得到了提高。正是因?yàn)殇摴腔炷林粌H具備了鋼與混凝土兩種材料的特性,還具有了截面尺寸小、自重輕延性好等優(yōu)點(diǎn),近年來已被廣泛采用。因此,在資金條件允許的情況下,在設(shè)計(jì)高層或超高層建筑時(shí)考慮在采用鋼骨混凝土柱,不僅可以減小柱的截面面積,還能

9、能夠明顯改善結(jié)構(gòu)的抗震能力。 2.3采用分體柱 通常在地震反應(yīng)中,由于短柱的抗彎承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于抗剪承載力,因此短柱常常會(huì)因?yàn)榧袅ζ茐亩バЯ?使得其抗彎能力難以發(fā)揮。因此,如果采用人為方式削弱短柱的抗彎強(qiáng)度,使得抗彎強(qiáng)度降低到等于或低于抗剪強(qiáng)度之下,那么在地震反應(yīng)下,柱子就能因?yàn)檫_(dá)到抗彎強(qiáng)度而延性破壞。為了增強(qiáng)柱初期剛度和后期耗能能力,人為削弱抗彎強(qiáng)度的方法是通常是采用在柱中間沿豎向設(shè)置縫,人為地將短柱分為多個(gè)柱肢組成的分體柱,在在分體柱的各柱肢里面分別配筋,另外在不同分體柱的柱肢之間還要用連接鍵進(jìn)行連接。      通過有關(guān)的實(shí)驗(yàn)表明,雖然采用分體柱的方法沒有提高柱子的抗剪承載力,甚至抗彎承載力還有所降低