建筑结构设计中概念设计的抗震运用

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 建筑结构设计中概念设计的抗震运 用 摘 要：本文结合了笔者多年的 工作经验对建筑结构设计中概念设计进 行了论述,并谈到了如何做好建筑物的抗 震设计。 中国论文网 /2/view-12910256.htm 关键词：结构设计；抗震设计； 概念设计; 运用 引言 我国的地震占全球的 1/3,地震死 亡人数占全球的 1/2。地震带给人类带 来灾难,给社会造成不同程度的伤亡事故 和经济损失,所以土建工程技术人员为防 止,减少地震给建筑造成的危害,就需要 分析研究建筑抗震问题不断总结工程经 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 验,妥善处理这一工程问题。 1 概念设计的定义 结构设计分为理论设计和概念设 计理论设计是结构工程师根据计算理论 和规范，在对结构进行计算模型的假设 及受力状态的假定的前提下，对结构进 行计算分析，得出数据式的结果，然后 利用结果进行设计。概念设计是指不经 数值计算，尤其在一些难以做出精确理 性分析或在规范中难以规定的问题中， 依据整体结构体系与分体系之间的力学 关系、结构破坏机理、震害、试验现象 和工程经验所获得的基本设计原则和设 计思想，从整体的角度来确定建筑结构 的总体布置和抗震细部措施的宏观控制。 在建筑设计的方案阶段，从总体出发， 采用概念性近似计算方法，能迅速、有 效地对结构体系进行构思、比较和选择。 这种方法虽有一定误差，但概念清楚、 定性准确、手算简单快捷，能很快选择 出最佳方案，具有较好的经济、可靠性 能，同时也是施工图设计阶段判断计算 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 机内力分析输出数据可书与否的主要依 据。 2 概念设计的意义 概念设计的应用面非常广泛，几 乎组含了所有的结构设计。在不确定因 素多、受力状况变化较大的抗震设计、 高层建筑设计、基础设计中，概念设计 的应用尤显重要和突出。概念设计的重 要性，主要体现在三方面：一是因为现 行的结构设计理论与计算理论存在许多 缺陷或不可计算性。为了弥补计算理论 的缺陷，或实现对实际存在的大量无法 计算的结构构件的设计，都需要用概念 设计来满足结构设计的目的。二是由于 在方案设计阶段，初步设计过程是不能 借助于计算机来实现的。这就需要结构 工程师综合运用其掌握的结构概念，选 择效果最好、造价最低的结构方案。概 念设计在设计人员中提得比较多，但往 往被人们片面地理解，认为其主要是用 于一些大的原则，如确定结构方案、结 构布置等。其实，在设计中任何地方都 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 离不开科学的概念作指导。三是由于计 算机计算结果的高精度，容易给结构设 计人员带来对结构工作性能的误解，过 分地依赖于计算机和设计软件，进行习 惯性、传统的结构设计，对计算结果明 显不合理、甚至错误的地方不能及时发 现，使许多的建筑结构留下安全隐患。 因此，概念设计在结构设计中具有重要 的地位。 3 抗震概念设计 地震是一种随机振动，有难于把 握的复杂性和不确定性，要准确预测建 筑物所遭遇地震的特性和参数，目前尚 难做到。在结构分析方面，由于未能充 分考虑结构的空间作用、结构材料的非 弹性性质、材料时效、阻尼变化等多种 因素，同时也存在着不准确性。因此， 工程抗震问题不能完全依赖“计算设计” 解决，而必须立足于“ 概念设计 ”。结构 抗震概念设计的目标是使整体结构能发 挥耗散地震能量的作用，避免结构出现 敏感的薄弱部位。地震能量的聚散，如 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 果仅集中在少数薄弱部位，必会导致结 构过早破坏，目前各种抗震设计方法的 前提之一就是假定整个结构能发挥耗散 地震能量的作用，在此前提下才能以多 遇地震（小震）作用进行结构计算、构 件截面设计并辅以相应的构造措施，必 要时采用弹性时程分析法进行补充计算， 试图达到罕遇地震（大震）作用下结构 不倒塌的目标。 为了保证建筑具有足够的抗震能 力，通过概念设计从宏观上控制结构的 抗展性能，应充分考虑以下环节：选 择对抗震有利的场地及地基，避免地面 变形的直接危害，采取措施保证地基的 稳定性。进行合理的基础设计，同一 结构单元不宜设置在性质不同的地基土 上，不宜采用不同的基础形式，设计时 宜最大限度地发挥地基的潜力。建筑 物的体型应力求简单、规则、对称，质 量和刚度变化均匀，以减少地震作用产 生的变形、应力集中及扭转反应。选 择合理的结构体系，抗侧构件力求均匀 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 对称，设置多道抗展防线，避免局部出 现薄弱部位，要求结构布置受力明确， 传力简捷。各类构件之间要有可靠的 连接，并具有必要的强度和变形能力， 从而获得整个结构良好的抗震性能。 强调结构空间整体性，平面加强连接， 竖向确保足够整体刚度。重视对非结 构构件的处理，利用其对主体结构的有 利影响，避免不合理设置导致对主体结 构的不利影响。尽量减轻结构自重， 减少地基土压力，从而降低向建筑物传 输的地震力。 4 结构概念设计的运用 运用概念设计的思想，也使得结 构设计的思路得到了拓宽。传统的结构 计算理论的研究和结构设计似乎只关注 如何提高结构抗力 R，以致混凝土的等 级越用越高，配筋量越来越大，造价越 来越高。结构工程师往往只注意到不超 过最大配筋率，结果肥梁、胖柱、深基 础处处可见。以抗震设计为例，一般是 根据初定的尺寸、混凝土等级算出结构 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 的刚度，再由结构刚度算出地震力，然 后算配筋。但是大家知道，结构刚度越 大，地震作用效应越大，配筋越多，刚 度越大，地震力就越强。这样为抵御地 震而配的钢筋，增加了结构的刚度，反 而使地震作用效应增强。其实，为什么 不考虑降低作用效应 S 呢？目前在抗震 设计中，隔震消能的研究就是一个很好 的例子。隔震消能的一般作法是在基础 与主体之间设柔性隔震层；加设消能支 撑（类似于阻尼器的装置） ；有的在建 筑物顶部装一个“ 反摆” ，地震时它的位 移方向与建筑物顶部的位移相反，从对 建筑物的振动加大阻尼作用，降低加速 度，减少建筑物的位移，来降低地震作 用效应。合理设计可降低地震作用效应 达 60%，并提高屋内物品的安全性。这 一研究在国内外正广泛地深入展开。在 日本，研究成果已经广泛应用于实际工 程中，取得良好的经济、适用效果。而 我国由于经济、技术和人们认识的限制， 在工程界还未被广泛地应用。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 抗震验算时不同的楼盖及布置 (整体性) 决定了采用刚性、刚柔、柔性 理论计算。在建筑结构设计中，合理地 确定建筑物的刚度是非常重要的。建筑 物的刚度不宜太大，刚度大则结构自振 周期就短，在地震时结构所承受的地震 作用就大，相对后果较重，且造成材料 的浪费；刚度也不宜过柔，过柔的建筑 结构在地震时就会产生过大的变形，影 响其强度、稳定性和正常使用。抗震验 算时应特别注意场地土类别。8 度超过 5 层有条件时，尽量加剪力墙，可大大 改善结构的抗震性能。框架结构应设计 成双向梁柱刚接体系，但也允许部分的 框架梁搭在另一框架梁上。应加强垂直 地震作用的设计，从震害分析，规范给 出的垂直地震作用明显不足。 雨篷不得从填充墙内出挑。大跨 度雨篷、阳台等处梁应考虑抗扭。考虑 抗扭时，扭矩为梁中心线处板的负弯距 乘以跨度的一半。框架梁、柱的混凝土 等级宜相差一级。由于某些原因造成梁 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 或过梁等截面较大时，应验算构件的最 小配筋率。出屋面的楼电梯间不得采用 砖混结构。考虑地震作用时必须充分领 会和灵活运用抗震概念设计的优化准则 和采取相应的构造措施。优化准则“强 节弱杆” 防止节点破坏先于构件； “强柱弱梁”防止杆系发生楼层倾 移破坏机制，要求柱的抗弯能力高于梁 的抗弯能力；“ 强剪弱弯”防止构 件剪力破坏，要求杆件的受剪承载力高 于受弯承载力；“ 强压弱拉 ” 对杆 件截面而言，为避免杆件在弯曲时发生 受压区混凝土破裂的脆性破坏，使受拉 区钢筋承载力低于受压区混凝土受压承 载力。 保证措施有两个方面：一是调整 或限制构件的荷载效应；二是强制规定 必要的构造措施。这两个方面在高层 建筑混凝土结构技术规程 （JGJ3- 2002）有详细的规定，有的则是以强制 性条文提出严格要求。如：高层建筑 混凝土结构技术规程中第 6.3.2 条的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 第 1 点限制梁端截面混凝土受压区高度 与有效高度之比，就是保证梁的变形能 力，而它又决定于梁端塑性转动量，而 塑性转动量又与截面混凝土受压区的相 对高度密切相关；试验研究结果表明， 要使钢筋混凝土梁的位移延性系数达到 34，混凝土受压区相对高度必须控制 在 0.250.35。又如：对钢筋混凝土杆件 而言，杆件截面的平均剪应力过高，都 会降低箍筋的抗剪效果，平均剪应力较 小时，可以避免出现剪