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建筑工程结构抗震设计

期刊目录网建筑工程论文发表2022-05-27 09:20关注(1)

  地震在我国是一种常见的自然灾害,主要是由于地壳运动而引起的自然现象。由于部分突发性地震灾难所带来的社会损害很大,所以加强建筑抗震显得尤为重要。本文从抗震工程设计视角说明了建筑工程中抗震工程设计的重要性以及抗震概念设计的基本内涵,希望可以为建筑工程技术人员抗震工程设计提供参照。

建筑工程结构抗震设计

  [关键词]建筑工程结构;抗震设计;探讨

  一直以来,人们对在建筑中有关的耐震措施都是秉承着“小震不塌、大震能修”的准则,尽管建筑设计在耐震方面也采用了不少的措施,受诸多因素的影响仍然不可避免地出现了质量问题,与此同时也给社会造成了巨大的经济损失。影响建筑物质量的因素有很多,其中最主要的还是施工工人的安全意识不够,在施工过程中产生了侥幸心理,偷工减料,甚至私自更改了总体设计方案,从而未能切实地把建筑防震的安全措施落到实处。

  1建筑抗震设计的必要性

  据统计,全球一年出现的地震约达五百万次,其中大部分地震都产生于地球内部,而人类感受到的最大抗震,亦为有感抗震,仅占总量的百分之一以下,能引起灾害的强地震则为数更少,一般每年十几起[1]。不过,即使是这种每年为数不多的大地震,也给人类造成了无可挽回的巨额经济损失和触目惊心的人身伤亡事故。据有关统计表明,我国95%以上的地震事故是由于建筑无抗震结构能力或抗震结构能力低下出现倒塌。而作为一个地震频发国,日本一直很注重建筑材料的抗震设计工作,其抗震结构设备和技术手段也比较发达,日本建筑已普遍达到了抵御7~8级地震的能力。《中国防震减灾技术法》第35条明文规定:“新增、扩大、改造施工,必须符合抗震结构建筑设防标准。”由此可见,对建筑实施合理的防震设计是降低抗震灾情最可行、最基本的保护措施。

  2“结构抗震概念设计”的含义

  从20世纪70年代开始,世界各国标准都明确了在建筑工程技术上应当注意“结构抗震概念设计”,即基于抗震灾情调查、科研和施工经验等场所形成的基本原则与建筑设计思想,进行建筑物构件的总体布局和确定细部结构。这些设计理念将有利于确定构造抗震思想,不仅可以改善建筑物构造的抗震特性,同时也为有关抗震计算提供了有利条件,从而使计算分析结论更能体现今后抗震时构造的实际抗震反应。

  3抗震概念设计的基本原则

  3.1选择对抗震有利的场地和地基

  建筑的抗震能力和现场要求有密切联系。对多次地震的研究已经证实,对于同类别的建筑,因为施工地点不同,损坏程度也会存在较大差异。因此建筑物的选址应该尽量避免在地貌上有活动断层通过或断裂交叉的地区,尤其是在有活动断层的区域进行施工。

  3.2通过合理规划,防止地震时出现的次生灾害

  地震所引起的次生灾难,有时也会造成大于地震直接带来的社会经济损失,防止地震时出现更强烈的次生灾害,是防震工作的一项非常重要方面。在震中区域的建设规模上应使住宅分散建立,而住宅的高度间距以不低于1~1.5倍的房屋标高为宜,以便为在抗震时人员撤离和救援以及为抗震修筑临时性工程留出余地。要尽量避免房高巷小,防止抗震时因为楼房坍塌将道路阻断,公共建筑更应充分考虑抗震避难问题,通常可和消防避难一起考虑。

  3.3选择合理的抗震结构方案

  建筑的基本结构制度,必须根据建筑物抗震设防类型、抗震设防力度、建筑标高、施工条件、地基材料、结构构造建筑材料与施工条件等各种因素,经科学技术、经济价值与实际使用条件的综合评估对比后而制定。所选择的结构构造系统,应该具备明确的计算简图和合理的地震作用传导路径,并具有必要的抗震强度、正常的变化力量以及消耗抗震能量的能力,可以防止由于部分结构或构件损坏而造成整体构件缺乏抗震能力以及对重力荷载的承受能力。3.4非结构构件的处理非结构构件分为建筑物非结构构件和建筑物内部附带机械设施,包括与建筑物结构基础之间的机械连接等。但是,由于在强烈抗震影响下,建筑物中的这部分构件会或多或少地参与其中,因此可以改善整个构件或部分结构的强度、承载力和传力路径,从而形成意想不到的耐震效应。所以,有必须参照以往每一次震害经历,妥善处理这种非结构构件,以降低震灾,并增加建筑物的耐震可靠程度。

  4设计多道抗震防线

  4.1设计多道防线的必要性

  众所周知,地震的震动不只是一次,一般是在一段时间内持续震动,并且大型地震之后还会伴有余震。所以建筑物在地震多次震动的影响之下会形成累积型的损伤。因此,对于建筑物的抗震防线的设置,不能只局限于一道防线,只有在第一防线的基础上设置好第二、第三道耐震防线,才能够提高建筑物的抗震能力,从而提高建筑物的安全性。

  4.2第一道防线的构件选型

  建筑物的结构是不同的,无论是砖墙、构架还是墙体都必须具有一定的抗震能力。但是不同的建筑物的结构的受力能力不同,所在防震的效果则存在着具体的差异。一般来说,相关工作人员需要充分考虑建筑物结构所能承受的重力情况,例如轴压比较小的防震墙体结构,在具体的施工过程中将防震墙体当作第一道抗震设防的抗侧力构件。工作人员通常不考虑将轴压特别大的框架墙作为第一道设防的抗侧力构件。如果选择轴压较小的防震墙体作为第一道防线,即使结构被破坏,也不会危害到整体结构。选择轴压大的防震墙体作为第一道防线,一旦抗侧力构件遭到破坏,就会造成整体构架柱的竖向承载力大幅度降低,从而对整体构件的结构安全造成威胁。所以在技术条件允许的情况下,并且构架是整体结构中独立的抗侧力体系时,工作人员就必须采取强柱弱梁的结构,这样能够更好地提高整体构架的延展性。

  4.3抗侧力体系多余杆件的利用

  建筑物主体结构抗震设计的最主要目标是防倒塌,当建筑物主体结构受到较重外力造成损伤的情形下,也能够保持一种比较稳固的状态。因此针对建筑物结构主体比较理想的应用方法就是能在主体构件内部增加若干杆件,其中杆件和主体构件之间的强度差值应当在国家规定的标准范围内,并采用合适的配筋,保证主体构件及其杆件有较好的可伸缩性,当遇到地震时,这种杆件设备会在主体构件之前进行有效的抗压,利用它所具备的塑性程度,把地震过程中产生的破坏力进行分散[3]。例如:针对两片或者是多片的单肢抗震墙,利用水平抗弯梁共同连接成为多肢的抗震墙,并且使抗震墙能够和同一个平面之中的框架形成并联,从而加强其抗震方面的能力。这种方式可以实现对于结构动力整体的特性的控制,并且在多余杆件之间的耗能和内部力量在双重分布之下,通过结构系统将压力逐渐转移到内部,从而形成更加稳定的结构系统。具体可以从以下两个方面进行:首先是关于新建楼宇的总体设计。随着当前建筑行业的迅速发展,以及建筑架构设计理念的不断更新,人类对建筑内部结构的减震、隔振设计也日益关注。因此在建筑设计的时候,除了对建筑的基础部分采取特殊处理措施以外,还可以利用消能减震设备以及元件减小震害对结构的作用力,进一步保障人们的生命财产安全性。其次是加强新建成建筑物的防震加固措施。针对新建筑的地面或基座实施隔震设计,工作人员需要在建筑还没有施工之前进行建筑物的隔震设计,采取各种积极措施结合实际情况进行适当的调整。在具体的施工过程中,必须在建筑的关键地点设置特殊的隔震设备。在建筑完成之后,如果要增强建筑物的耐震性,工作人员可以采取增设阻尼器的措施,在建筑的构造上进行添加减能设备。

  4.4结构选型

  4.4.1合适的结构类别工作人员在具体的施工过程中应该制定出相应的结构方案,这种方案既能满足经济效益的提升,也能够保证建筑物的实用性,工作人员在设计方案时需要充分考虑建筑物的抗震性能。通过对抗震的相关资料进行研究,从而得出钢筋之中的直径混凝土结构整体的抗震特性需要优于砌块,在具体的施工过程中砌块结构要比无筋砌块理想。而针对配筋砌块,工作人员需要配合结构方面的具体模式进行施工。从整个杆件的类型上而言,墙体在抗震性比起材质的空间构架或者是排架更加稳定,而整个空间构架的抗震性优于平面的抗震性。4.4.2超静定次数增多从平面构件上来说,各个构架的耐震性排名如下,构架的耐震特性高于排架构造,带支承构架也高于简单架构。静定结构的杆件具体特点表现在搭设受力体系和传力路径独立,当一根杆件搭设损坏之后,整体构造也不会因传力路径的断裂而损坏。当超静定构件在超载荷状况下工作时,首先是剩余杆件的搭设上发生损坏,该杆件搭设在产生塑性铰的工作过程中,会分解一部分地震的危害力量。其结果也只能是减少构件的超静定次数,但整体构件结构仍然是一种稳固体系,具备较好的防震能力构件的超静定次数越多,所消耗的震害能力也就越多,抗震安全程度也就越高。4.4.3耐震的屈服机制一个良好的结构屈服机制,主要特点是结构在其杆件出现塑性较之后,在承载能力基本保持稳定的条件下,可以持续地变形而不倒塌,最大限度地吸收和耗散地震能量。结构的塑性发展从次要构件开始,或从主要构件的次要杆件开始,最后才在主要构件上出现塑性铵,从而形成多道抗震防线。结构中所形成的塑性铵的数目多,塑性变形发展的过程长.构件中塑性较的塑性转动量大,结构的塑性变形量大。

  5建筑结构的主要隔震措施

  中国的建筑的耐震设计中,一般都是采取对地面结构进行特殊处理、设置耐震装置、对建筑物的上部构造进行抗震设计,以便于实现建筑抗震隔震的目的,相关措施一般也是混合应用的,不过人们根据震害构造特征和建筑自身构造特点,会有所侧重的在重要部位设置隔震层,而根据隔震层的情况不同我们可以将建筑的隔震设计分成如下几类。

  5.1对建筑物地面使用的特殊建筑材料隔展

  建筑物基本隔震,主要是对建筑物的基底部分加以特别处理,减少地震时的地震波,进而降低震害对建筑物结构的破坏。传统上是在建筑物的基本部分交替铺设黏土和砂子,甚至直接设置黏土或沙子垫板,在我国建筑史上,就已经有人以糯米为主要原料,在建筑物的基本部分设置了垫板,以减轻震害对建筑物结构的破坏。近年来,国家有关部门在这方面的研究上已经获得了突破性发展,以沥青为主要原材料研发出了特殊建筑材料,这种方法设置的隔震层效果比较良好。

  5.2在建筑基础上设有隔振装置减震

  这一类隔震措施,主要是在建筑的基座和上层建筑物中间设有特殊安装,从而减少震害的方向传播,不过,这些措施的主要缺点是不宜使用于大型高层建筑,由于在大型高层建筑设有这种安装会拉长建筑物构造本身的自震期,起不到减少震害对建筑破坏的目的。一般使用的措施有:摩擦滑动隔震、粘弹性隔震等多种,一般设定的装备有橡胶垫、混凝土隔震设备等。

  5.3建筑楼层间隔地震预防措施

  建筑楼层间隔地震这种方式主要应用于旧房改造,在建筑施工中有着简便、易于运行的优点。与在建筑物结构基础部分设置隔震设备的方法比较,层间隔震的效应并不是特别显著,这些方法大多是通过设置在建筑物结构中各层间隔的减震设备吸引和减弱地面震害力量,从而降低地震对建筑结构的损害,所设置的装置也基本与建筑基础隔震的原理一致。

  5.4对建筑构件悬挂隔震

  所谓悬挂隔震,就是把建筑的部分甚至整体构件都悬挂起来,也就是人们平时所谓的悬空构件,这样,在地震来临时,地震的力量就不会传导给悬空起来的建筑构件,从而起到了减轻地震带来的危害的目的。这个隔震方法最常用于特大型钢构,因为特大型的钢结构建筑都是通过钢构件悬挂系统用以隔震。而大型钢结构建筑一般划分为副构架和子框架,在悬架系统中,子框架通过索链和吊杆挂在主构架上,在地震发生来临之时,主构架就会因为地壳运动而产生摇晃,不过,由于子构架与主架构之间是可以活动的索链和吊杆,当震害的力量在达到这个部位的时候就会减弱,不至于传导到次结构上产生惯性力。

  5.5其他减震措施

  (1)根据建筑的方向设置防震问题。众所周知,建筑防震问题主要受到地壳的移动影响,和地质构造学有着十分重要的联系。人们在建筑材料选择的时候,必须充分考虑现场地质条件,并分析当地地震的震向,使建筑材料的方向与地震震向垂直,而尽量避免二者方向相互平行。从刚刚发生的四川汶川地震和玉树地震的实际状况分析,与地震震向水平的建筑的坍塌概率更高,而与此相反,与地震震向垂直的建筑不太易坍塌。而科学研究也表明,与地震震向水平的建筑,当震中产生时,随地震波运动的振幅更大,所以更易于坍塌。(2)无粘接支持系统的减震问题。无粘接支持系统是建筑结构减震系统中较为有效的一类,这个系统主要是经过科学设计,使建筑内部钢板与外部的包钢间无粘接并可形成能随意滑动的一个层面,当抗震问题产生时,可以利用内部钢板间的协同效应从而消耗抗震能力。不过,这样设计的缺点是在结构设计和有关部件的计算方面规定得特别严格。主要是因为这种系统中建筑物的重量大部分由内钢来承受,外钢则主要起配合和辅助的功能,还能够避免内钢弯曲变形。

  6结语

  综上所述,地震是一个突然的自然灾害现象,就目前世界各国为减少地震等突发灾难所采用的对策来说,大致有以下三种:一是加强地震预报,并在震害出现之前采取适当措施以降低经济损失;二是在建筑设计与施工等方面,增强各种建筑对震害的抵抗能力,以及对已建建筑进行耐震能力评估与加固;三是做好大地震时的紧急指挥和救灾工作。总之,在各个环节上注意和严格把关,将大地震灾难规模尽量减至最小、最轻微。

  参考文献

  [1]胡爱珍.关于提升建筑工程结构抗震性能的思考[J].河南建材,2018(4):55-56.

  作者:金旭 汲鹏 张值源 刘子寒

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