建筑结构抗震概念设计探讨

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  • 更新时间2018-07-08
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  【摘要】地震是一种不可预见的、危害极大的自然灾害,它能造成惨重人员伤亡和巨大的财产损失,而最主要的损失是由于建筑物的损坏引起,抗震就是针对这种灾害进行必要的防震措施,以降低灾害损失率,减少人员伤亡及财产损失,但是由于地震的不可预见性及建筑物的系统复杂性,因此抗震也是房屋建筑乃至一切土木工程最为困难的课题。针对地震灾害及衍生灾难性影响,进行建筑抗震设计的宏观控制措施,称为建筑结构的抗震概念设计。本文根据地震对建筑物破坏程度的理论分析,通过对抗震设计原则的阐述,论述了建筑结构设计中抗震概念设计的内容。


  【关键词】建筑结构;抗震;概念设计


  一、地震对建筑的破坏作用


  地震是一种地壳中的板块发生了顶撞、错动和断裂而产生震动的自然现象。我们不能够准确的预报在何时或是何地会发生多大级别的地震,更加不能阻止地震的到来,但是我们能够粗略地把地震破坏的作用分成三类:①地层被错位,地面有了开裂;②地基的液化,出现地陷或是滑坡;③地面发生振动。因为地震作用具有随机性与复杂性,建筑物被地震破坏的机理十分复杂,存在许多不确定的以及模糊的因素。


  但根据地震的破坏作用和民用建筑的常用结构形式可以把建筑结构在地震作用下的破坏分为四种情况:①在地震的时侯,水平与竖向的振动作用之下,建筑物内力与变形骤增,甚至内部结构受力的形式发生改变,导致建筑物的承载力不够甚至会丧失或是变形过大。②在地震的作用下,因为节点的强度不足、锚固失效、延性不够,这会使结构的构件缺乏安全可靠的连接,使建筑物丧失了整体性而被破坏。③在地震作用下,因为地基的承载力的下降或是地基土的液化,使地基的一部分已经失效甚至是完全失效,最终会导致建筑物整体倾斜或倒塌。④因为地震而引发次生灾害例如火山、滑坡、洪水、泥石流等会造成建筑物被严重破坏。


  二、结构概念设计的原则


  (一)优化选型原则


  结构概念设计归根到底是确定主体结构体系及其联系。它要考虑两个方面,用比较方法进行优化选择:(1)优化结构体系。前提是掌握各类基本构件的特征(如与受力相关的几何特征,与变形相关的刚性特征等),根据环境、使用、建筑和荷载实况优化选择合用的基本构件,确定它们间的联系,形成基本结构单元和它的支承做法(如框架结构,筒体结构等);再将基本结构单元通过线型、平面、叠合、交叉等集合形式构成主要结构体系。(2)优化结构布置。在满足使用要求和建筑意向前提下优化布置楼屋盖水平系统、柱墙竖向支承系统和基础系统。这时除比较各种布置的承载能力、竖向和侧向变形,支承做法、地质条件等结构问题的合理性、优越性外,重要的原则是平立面宜规则、对称,具有良好的整体性,竖向剖面除规整外,侧向刚度宜均匀变化,自下而上逐渐减小,避免突变。


  (二)空间作用原则


  建筑物本来是一个空间结构。在结构概念设计时,考虑建筑物内各部分结构的空间作用,实际上是还原到它本来的结构面貌。当然,如果这时更能有意识地利用构成构件间的空间关系,往往还会给所设计的建筑结构带来更大刚度、减小内力、受力效能好等方面的优点。


  (三)合理受力原则


  结构概念设计时,要经常运用力学原理来处理结构构件的一般受力分析问题。以下几个方面往往应给予注意:(1)从受力和变形看,均匀受力比集中受力好,多跨连续比单跨简支好,空间作用比平面作用好,刚性连接比铰接好,超静定的受力体系比静定的受力体系好,另外,传力简捷比传力曲折好,要避免不明确的受力状态。(2)从受力和变形的分析看,要尽可能利用结构的对称性、刚度的相对性、变形的连续性和协调性;既要分析各部分构件的直接受力状态,也要分析整体结构的宏观受力状态;要抓住主要的受力状况和它所发生的变形,忽略次要的受力状况和它的相应变形。


  (四)减轻自重原则


  结构所承受的荷载有两种,竖向荷载和水平荷载。竖向荷载的85%以上是建筑物自重,水平荷载中的地震作用与建筑物自重直接相关。减轻自重不仅可以减轻结构承受的荷载,而且可以降低建筑造价、加快建造速度、节约建筑材料、减少材料在生产运输方面的工作量。减轻自重可采取如下措施:a、采用轻质高强材料,如轻集料混凝土、高性能混凝土、高强度钢材、多孔或空心砌块等。b、采取高效能的结构型式,如采用予应力构件,根据结构受力特点采用组合构件或组合结构,采用薄壳、箱形结构等优越的结构型式。c、选择优越的结构体系,如采用筒体结构、网架结构、空间桁架等空间结构体系。d、选择合理的结构,如尽可能减少外墙面积、加大开间尺寸和柱网距离、降低不必要的楼层高度等。


  三、建筑结构抗震设计要点


  如何采取较低成本来有效地提高建筑物的抗震性能是重要课题。但抗震设计理念需要建筑物本身就具有一定的结构特性,这就需要在建筑物抗震设计前期就要考虑从概念设计的角度出发来对建筑物进行合理的设计,如确定出合理的建筑体系以及结构布置等等。随着概念设计的应用推广,越来越多的设计者接受了这一设计方式,并逐渐成为结构设计的主导思想。


  (一)我国对于建筑物的抗震设计,要求采取抗震设防标准是“三水准设防、两阶段设计”


  在这种抗震设计思想下,建筑结构设计经历了刚性设计、柔性设计、延性设计和结构控制设计四阶段。但是由于地震的随机性、复杂性、间接性和偶然性,在结构自振周期、材料性能、阻尼变化和基础差异沉降等因素的影响下,结构表现出极大的复杂性、计算假定与实际情况的不符的特点,甚至一些在定性分析上反应出来的结论完全相反,使计算结果差距很大。因此,要提高建筑结构抗震性能,建筑物设计时首先要考虑到良好的概念设计。


  (二)确保建筑结构体系的共同工作


  对建筑采取抗震设计时应充分利用建筑結构体系的协同工作,从而设计建筑物中的各个构件都处于相互协作以及共同工作的状态。也就是需要建筑结构构件在承载力极限的条件下不仅可以保持共同工作,同时也需要它们具有共同的耐久性。此外建筑结构的上部及其基础,当受到载荷时应保持着一个统一整体,共同承担载荷。在砌体结构的建筑中避免建筑结构单纯的依靠建筑结构自身刚度来承受载荷。


  (三)充分提高建筑物材料利用率的协同工作


  从建筑物抗震设计经验表明,材料的利用率越高,结构的协同工作能力也就越高。例如,因为梁的长度变化会引发梁弯矩的变化,同时梁的中和轴附近的材料利用率低致使实际使用中矩形截面受压构件利用率极低。分析此种情况,通过采取建筑概念设计理念来进行结构分析,调整梁截面的应变梯度,使构件保持轴心受力,以有效地提升材料的利用率,以达到提高结构抗震性能。


  四、结语


  总之,在建筑结构的防震设计中,设计人员必须根据建筑的实际情况,结合地质环境,在经济与安全的综合考量下,设计出科学合理的防震方案,保证建筑物在相应的防震标准下进行施工,保证建筑的安全。


  作者:魏丽芳