工程结构抗震原理及应用论文.doc

工程结构抗震原理及应用一、前言地震（earthquake）又称地动、地振动，是地壳快速释放能量过程中造成振动，地震按其成因可分为三种主要类型，即火山地震、塌陷地震和构造地震。其中构造地震为数最多，危害最大。地球上地震活动划分为两个主要地震带：环太平洋地震带和地中海南亚地震带。我国地处环太平洋地震带和地中海南亚地震带之间，是一个多地震国家，抗震设防的国土面积约占全国面积82.7%。地震灾害是对人类生命和财产威胁最大的自然灾害，号称群灾之首。地震灾害对人类社会的破坏多是以建筑物的倒塌而造成的。地震是一种破坏力很大的自然灾害，除了直接造成房倒屋塌和山崩、地裂、砂土液化、喷砂冒水外，还会引起火灾、爆炸、毒气蔓延、水灾、滑坡、泥石流、瘟疫等次生灾害.此外由于地震所造成的社会秩序混乱、生产停滞、家庭破坏、生活困苦和人们心理的损害，往往会造成比地震直接损失更大的! 对于我们搞工程的来说，地震灾害主要表现在其对建筑物与构筑物的破坏。如房屋倒塌、桥梁断落、水坝开裂、铁轨变形等等。 本文主要讲述下抗震设计的两大方法，一种是对建筑进行抗震加固，另一种就是考虑延性对抗震设计的影响。二、结构在地震下的主要特点地震以波的形式从震源(地面上的相对位置称震中)向周围快速传播，通过岩土和地基，使建筑物的基础和上部结构产生不规则的往复振动和激烈的变形。结构在地震时发生的相应运动称为地震反应，包括位移、速度、加速度。同时，结构内部发生很大的内力和变形，当它们超过了材料和构件的各项极限值后，结构将出现各种不同程度的破坏现象，例如混凝土裂缝，钢筋屈服，显著的残余变形，局部的破损，碎块或构件坠落，整体结构倾斜，甚至倒塌等等。在震中区附近，地面运动的垂直方向振动激烈，且频率高，水平方向振动较弱；距震中较远处，垂直方向的振动衰减快，其加速度峰值约为水平方向加速度峰值的1/21/3。因此，对地震区的大部分建筑而言，水平方向的振动是引起结构强烈反应和破坏的主要因素。钢筋混凝土结构在地震作用下受力性能的主要特点有：1、结构的抗震能力和安全性，不仅取决于构件的承载力，还在很大程度上取决于其变形性能和动力响应。地震时结构上作用的荷载是结构反应加速度和质量引起的惯性力，它不像静荷载那样具有确定的数值。变形较大，延性好的结构，能够耗散更多的地震能量，地震的反应就减小，荷载小，町能损伤轻而更为安全。相反，静承载力大的结构，可能因为刚度大、重量大、延性差而招致更严重的破坏。2、屈服后的工作阶段当发生的地震达到或超出设防烈度时，按照我国现行规范的设计原则和方法，钢筋混凝土结构一般都将出现不同程度的损伤。构件和节点受力较大处普遍出现裂缝，有些宽度较大；部分受拉钢筋屈服，有残余变形；构件表面局部破损剥落等。但结构不致倒塌。3、变形大地震时结构有很大变形。例如桥墩的侧向位移等。一方面对结构本身产生不利影响，如柱的二阶效应，增大附加弯矩，甚至引起失稳或倾覆，构造缝相邻结构的碰撞等；另一方面造成非结构部件的破损，桥梁上部结构的脱落等破坏。故抗震结构设计时要控制其总变形。三、对结构进行抗震加固结构抗震加固是针对正在使用的既有建筑物或构筑物进行检测、评价、维修、加固改造的总称。我国建筑抗震加固的研究与应用经历了一个曲折的过程。中华人民共和国成立以后，由于当时科学技术水平落后、经济水平有限以及人们对地震灾害严重性、建筑物抗震重要性认识的不足，建筑物的抗震设计一直没有得到很好的贯彻实施。自从20世纪60年代以来，我国着手对已有建筑抗震加固技术和方法进行研究，并取得了良好的社会和经济效益。 在对结构进行加固时，除了针对构件由于强度或延性不足进行诸如包钢、粘钢、粘贴纤维材料等一般加固以外，尚需对构件进行抗震加固、对结构进行整体性能加固，其不仅仅要考虑结构构件在地震力作用下的破坏情况并对其进行抗震加固、提高其抗震承载力，更要考虑整体结构的抗震性能。目前，常用的抗震加固方法主要有增设构件加固法、增强构件加固法和隔震减震加固法3大类，前两类属于传统抗震加固方法，后一类属于新发展的抗震加固方法。 1、增设构件加固法 此法是目前对结构进行抗震加固最基本、最有效的方法之一，该法可以有效地提高结构的抗震能力、变形能力和整体性能。其具体的方法包括增设抗震墙加固法、增设支撑加固法、增设刚架加固法等。当原有结构的抗震墙体的间距不满足现有规范的规定值或者原有墙体的抗震承载力严重不足时，宜采用增设抗震墙加固法。此法利用新增的抗震墙来承担主要的地震作用，以减小结构的变形。采用抗震墙加固时，需处理好新增墙体与原有构件的连接，既要保证连接的可靠性，又要避免对原结构构件造成过多的损伤。此外，在布置新设抗震墙体时应注意，由于抗震墙的刚度较大，要充分考虑加固后的结构刚度的均匀性，以便增设抗震墙后使整体结构刚度均匀，避免造成薄弱层的转移。 此法优点是应力传递简单、刚度强度高、可靠性能好、造价低。其缺点是墙体重量大，基础结构必须有富足的承载力。此外，施工过程中噪音、振动都很大，工期也很长。 2、增强构件加固法 当无法采用新增构件加固时，可以分别对原结构构件进行加固，以提高原有构件的承载力、改善构件的延性，从而达到抗震加固的目的。方法主要有:1)外粘型钢加固法；2)粘贴钢板加固法；3)粘贴纤维增强复合材料加固法等等。 外粘型钢加固法适用于需要大幅度提高截面承载能力和抗震能力的钢筋混凝土梁、柱等构件的加固。该法用灌浆或焊接等方法将型钢外包于构件四周或两角，使之与原构件共同承担荷载，通过约束原构件从而来提高其承载力和变形能力。该方法适用于大型结构及大跨度结构，尤其适用于不允许增大原构件截面尺寸却又要求较大幅度地提高承载能力的混凝土梁、柱等构件的加固。其优点是施工简便，现场工作量较小，构件截面尺寸变化不大，结构自重增加较小，而承载能力提高显著，构件截面的刚度和延性也得以改善。 粘贴钢板加固法适用于对钢筋混凝土受弯、大偏心受压和受拉构件的加固。该法是用建筑结构胶将钢板粘贴在混凝土构件表面，使两者共同受力以提高结构承载力的加固方法，相对于传统加固方法，粘贴钢板加固法更为简单、快速，对结构的外形和净空以及生产生活的影响较小。 纤维增强复合材料加固法是指采用以纤维或其制品作为增强材料的一种复合材料对构件进行抗震加固的方法。本方法适用于钢筋混凝土受弯、轴心受压、大偏心受压及受拉构件的加固。外贴纤维复合材加固法是采用FRP片材对混凝土构件进行修复加固的一种新技术。外贴纤维复合材加固法具有很高的抗化学腐蚀能力和对被加固结构的保护能力，提高了结构耐久性；材料强度高，外贴加固用量少(材料厚度小)；荷载增加极少，几乎不改变原有结构的外形和尺寸；施工周期短，操作简单；加固施工时噪音小，对结构的使用环境影响较小。 3、隔震、耗能减震加固法 隔震加固法是将隔震技术应用于抗震加固领域中的一种方法，通过隔震层的设置将地震变形集中到隔震层上，从而达到减小原有结构地震反应的目的，限制能量向上部结构传递，提高了建筑的抗震安全度。此法的优点是加固效果好、抗震安全度高、无需对非结构构件等再进行抗震加固，故建筑的功能和用途均不受影响。缺点是设置隔震层后，穿过隔震层的设备配线、配管等需要进行妥善的柔性连接，费时费事。 耗能减震加固方法是通过在结构某些部位增设耗能阻尼减震装置，以减小地震反应，是抗震加固的一条新途径。此方法主要依赖增加结构的能量耗散能力，而不是依靠增加结构的刚度和延性来加固结构，即地震输入到结构中的能量通过率先进入耗能状态的耗能构件来耗散，而不是由结构主要承重构件的屈服或破坏来耗散。国内外耗能减震结构的振动台试验研究表明例，耗能减震结构与传统抗震结构相比，地震反应减小了40%60%。而从国外工程资料表明，耗能减震结构体系与传统抗震结构体系相比，可以节约结构造价5%10%。若用于已有结构的加固改造，可节省造价会更加可观，有的加固改造工程节省造价达60%。 四、延性对结构抗震设计的影响钢筋混凝土框架结构具有良好的抗震性能，然而未经合理设计的框架结构会在地震作用下产生较严重的震害。结构抗震的本质就是延性， 延性是指构件和结构屈服后，在承载能力不降低或基本不降低的情况下，具有足够塑性变形能力的一种性能，一般用延性比来表示。对于受弯构件来说，随着荷载增加，首先受拉区混凝土出现裂缝，表现出非弹性变形。然后受拉钢筋屈服，受压区高度减小，受压区混凝土压碎，构件最终破坏。提高延性可以增加结构抗震潜力，增强结构抗倒塌能力。延性结构通过塑性铰区域的变形，能够有效地吸收和耗散地震能量；同时，这种变形降低了结构的刚度，致使结构在地震作用下的反应减小，也就是使地震对结构的作用力减小。当结构设计成为延性结构时，由于塑性变形可以耗散地震能量，结构变形虽然会加大，但结构承受的地震作用不会很快上升，内力也不会再加大，因此具有延性的结构可降低对结构的承载力要求，也可以说，延性结构是用它的变形能力来抵抗罕遇地震作用；反之，如果结构的延性不好，则必须有足够大的承载力抵抗地震。后者会多用材料，对于地震发生概率极少的抗震结构，延性结构是一种经济的设计对策。此外，延性可以使超静定结构的内力得以充分重分布，采用塑性内力重分布方法设计时，同样也可以节约钢筋用量，取得较好的经济效果。因此可以说结构的延性和结构的强度是同等重要的。延性好的结构的破坏我们称之为塑性破坏，延性差的结构的破坏我们称之为脆性破坏，塑性破坏能提前给人以预兆，是符合结构设计理论的。 结构延性在抗震中之所以如此重要，是因为结构延性具有如下作用 。1 、防止脆性破坏由于钢筋混凝土结构或构件的脆性破坏是突发性的，没有预兆，所以为了保障人们生命财产安全，除了对构件发生脆性破坏时的可靠指标有较高要求以外，还要保证结构或构件在破坏前有足够的变形能力。2 、承受某些偶然因素的作用结构在使用过程中可能会承受设计中未考虑到的偶然因素的作用，比如说，偶然的超载、基础的不均匀沉降、温度变化和收缩作用引起的体积变化等。这些偶然因素会在结构中产生内力和变形，而延性结构的变形能力，则可作为发生意外情况时内力和变形的安全储备。3 、实现塑性内力重分布延性结构容许构件的某些临界截面有一定的转动能力，形成塑性铰区域，产生内力重分布，从而使钢筋混凝土超静定结构能够按塑性方法进行设计，得到有利的弯矩分布，使配筋合理，节约材料，而且便于施工。框架结构是由梁、板、柱以及节点这四部分组成，其中梁、柱以及节点的延性决定了整个框架结构的延性。因此，只要保证柱、梁和节点的延性也就保证的框架结构的延性，从而也就确保了框架结构的抗震能力。因而，影响延性的主要因素有以下3个方面：1、梁是框架结构中的主要受力构件之一，在抗震设计中要求塑性铰首出现在梁端且其又不能发生剪切破坏，同时还要防止由于梁筋屈服渗入节点而影响节点核心区的性能。试验和理论分析表明，影响梁截面延性的主要因素有：2、梁截面尺寸。在地震作用下，梁端塑性铰区混凝土保护层容易剥落，故梁截面宽度过小则截面损失比例较大，所以一般框架梁宽度不宜小于200mm。同时为了提高节点剪力、避免梁侧向失稳及确定梁塑性铰区发展范围，分别要求梁宽不宜小于柱宽的1/2、梁的高宽比不宜大于4、梁的跨高比不宜小于4。3、梁纵筋配筋率。试验表明，当梁纵向受拉钢筋配筋率很高时，在弯矩达到最大值时，弯矩曲率曲线很快出现下降；当配筋率较低时，弯矩达到最大值后能保持相当长的水平段，因而大大提高了梁的延性和耗散能量的能力。五、结语随着我国城市化进程的加快，地震灾害问题越来越受到人们的重视，为了保障我国人民生命财产安全，