浅谈抗震结构设计

1、浅谈抗震结构设计     摘要:地震作用由于其随机、不能准确预见和计算,目前规范只确定了一类,半经验半理论计算方法进行精确抗震计算存在一定困难,因此在抗震设计中应遵循刚柔相济、多道设防的原则,并采取有效的构造措施予以保证结构的抗震性能。在改善短柱的抗震性能方面,可以采取使用复合螺旋箍筋、设置分体柱、使用钢骨混凝土等措施。 关键词:地震作用;延性短柱;抗震性能 中图分类号:TU352文献标识码:A文章编号:1006-8937(2010)14-0135-02 地震作用是一种目前尚且不能准确预见和准确计算的、随机的外部作用,其影响因素极为复杂。现行规范中确定的

2、有关地震的计算,所采用的计算还只是依赖经验的理论性方法,如果要得到比较精确结果还比较困难,对于从事建设抗震设计的结构工程师来讲,在设计建筑物尤其是那些高层建筑时,需要特别注意相关抗震安全问题,在进行设计时要充分考虑各种因素的影响,采取合理的措施进行防范。 1结构建筑物抗震设计的主要内容 1.1要重视结构物的规则性 首先结构建筑物的设计必须符合抗震概念设计的要求,严重不规则的结构形式必须要规避。较为合理的建筑物布置提倡平、立面简单对称。通过对以前震后建筑物的调查,我们发现:布置规则的建筑物在地震过程中不易受到破坏。同时,布置规则的建筑物所受到地震反应也较容易估计,有利于寻找合适的构造措施和细部处

3、理。建筑结构物的规则性主要表现在平立面形状简单、刚度承载力变化均匀连续、平面布置基本对称等方面,就是对建筑物的平、立面尺寸,构件布置,质量、承载力分布等诸多因素提出的综合要求。 1.2要重视设计的基本原则 原则一:刚柔相济柔性。结构可以有效的减少地震力的传递,吸收地震波的能量,减轻地震作用对结构物的影响。因此,在抗震设计中不能一味的追求结构的刚度与抗力。如果结构物的刚度太大,地震作用的效应很大,就需要配置更多的钢筋去抵御地震。而对于柔度过大的结构,虽然其具有很好的延性,可以消减一部分外力,但容易造成过大的变形而无法正常使用。在抗震设计中,既要满足变形要求,又要能减小地震力的影响。通常的程序是根

4、据初步拟定的尺寸和混凝土等级等因素计算结构的刚度,再依据结构刚度结果计算地震力,最后再计算配筋量。此外,还可以采取在基础和主体之间设置柔性隔震层、加设消能支撑(比如阻尼器的装置)等隔震消能措施,以减弱地震力的影响。 原则二:多层设防。一次高等级地震后通常会伴随着多次余震,假如仅仅只有一道防线,一旦建筑由于第一次破坏后再遭受余震袭击的话,就可能会因损伤的积累导致倒塌。所以,一个抗震结构体系,比如采用框架-剪力墙体系,即延性框架和抗震墙分体系的组合能够起到很好的协同作用,也就是通过多个延性较好的分体系,并且由延性较好的结构构件进行连接形成一个多层体系。 1.3建筑结构物延性构件的利用与抗震措施 结

5、构或构件的延性是指在保持承载力不显着降低的情况下材料的变形能力(即指材料的应变,而非结构构件的整体位移)。 抗震设计原则应落实为“大震不倒,中震可修,小震不坏”,因此,应尽量将结构设计成延性结构。由于塑性变形的存在,延性结构可以吸收或者耗散地震输入能量,减小地震作用下的动力效应,以其变形能力来抵抗地震作用,减轻地震破坏。结合实际工程案例,结构的 抗震措施一般包括以下几个方面:“强柱弱梁”:增大柱相对抗弯能力(针对梁),这样钢筋混凝土框架在地震作用下时,梁端较早出现塑性铰,在达到最大非线性位移时塑性转动较大;而柱端塑性铰则情况相反,出现时间晚且塑性转动较小,甚至根本不出现塑性铰。因此保证了框架成

6、为一个稳定的塑性耗能机构并具有较大的塑性耗能能力。“强剪弱弯”:因为剪切破坏属于基本上不具有任何延性得脆性破坏,一旦结构物的某个部分发生剪切破坏,该部分就将因失去承载能力而退出承载;另外,柱端的剪切破坏很可能致使结构的局部甚至整体倒塌。鉴于此,人为增大柱端、梁端、支座边缘处的组合剪力值,尽量使结构能在地震作用下,结构不会因内部构件发生剪切破坏而丧失承载力。 2改善短柱的抗震性能 通常结构工程师在进行高层建筑结构设计时,会遇到由于柱子的截面比较大,在结构下部形成短柱的情况。根据抗震设计的要求,减小短柱的截面尺寸,尽量提高短柱的承载力,采取各种有效构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 螺旋箍筋柱时采用螺旋钢箍或者焊接环筋作为箍筋的轴心受压构件。比如高层建筑框架中的短柱,如果符合“强剪弱弯”和“强柱弱梁”的标准,其构件是不容易发生剪切型破坏的。所以,可以使用复合螺旋箍筋,利用其对内部混凝土的套箍作用使核心混凝土处于三向受压状态从而提高其承载力和变形能力。使得螺旋箍筋柱具有较普通箍筋柱更强的抗震能力。 2.2采用钢骨混凝土柱 一般钢骨混凝土柱由钢骨和外包混凝土构成。钢骨有工字形、H字形、十字形截面形式,通常由钢板直接轧制或焊接拼制而成。与以前的一些钢结构相比,采用了外包混凝土的钢骨混凝土柱可以提高柱的整体刚度,同时显着改善钢构件

8、出平面扭转屈曲性能,有效防止钢构件的局部压曲。通常情况下,在设计中如果采用钢骨混凝土结构,在钢材用量上要比一般钢结构节约50 %以上。与此同时,采用这一设计,在柱结构的耐久性和耐火性方面也有所增强,在一定程度上弥补了钢结构耐腐蚀性差的特点。 由于配置了钢骨,使得开口钢骨翼缘与箍筋对混凝土起到了更好的约束作用,另外由于钢骨本身良好的塑性,在柱结构的延性和耗能能力也得到了提高。正是因为钢骨混凝土柱不仅具备了钢与混凝土两种材料的特性,还具有了截面尺寸小、自重轻延性好等优点,近年来已被广泛采用。因此,在资金条件允许的情况下,在设计高层或超高层建筑时考虑在采用钢骨混凝土柱,不仅可以减小柱的截面面积,还能

9、能够明显改善结构的抗震能力。 2.3采用分体柱 通常在地震反应中,由于短柱的抗弯承载力远远大于抗剪承载力,因此短柱常常会因为剪力破坏而失去效力,使得其抗弯能力难以发挥。因此,如果采用人为方式削弱短柱的抗弯强度,使得抗弯强度降低到等于或低于抗剪强度之下,那么在地震反应下,柱子就能因为达到抗弯强度而延性破坏。为了增强柱初期刚度和后期耗能能力,人为削弱抗弯强度的方法是通常是采用在柱中间沿竖向设置缝,人为地将短柱分为多个柱肢组成的分体柱,在在分体柱的各柱肢里面分别配筋,另外在不同分体柱的柱肢之间还要用连接键进行连接。      通过有关的实验表明,虽然采用分体柱的方法没有提高柱子的抗剪承载力,甚至抗弯承载力还有所降低