在震害中抗震设计

在5.12震害中探讨抗震设计摘要：本文从“5.12”汶川地震的震害研究出发，深入讨论结构抗震设计的新老方法。“5·12”汶川特大地震造成大量的人员伤亡，经济损失惨重，灾害发生后，房屋质量受到社会各界广泛关注，深入房屋抗震设计技术有重要意义。钢筋混凝土结构是工业与民用建筑中最常见的结构类型。在我国,其抗震设计思想发展至今已形成较为成熟的体系，然而现行抗震设计体系依然存在各种各样的问题，这些问题有待进一步解决和完善。在钢筋混泥土框架结构的抗震设计中主要注意几点问题，梁柱及节点核心区箍筋的配置、纵向钢筋的配置、混凝土强度等级、截面尺寸，合理地采取构造措施等，使抗震结构有足够的强度和延性，从而最大限度地减少地震所造成的损失。抗震是建筑设计的重点，本文还讨论了新的抗震设计技术如：隔震、消能减震及其他减震技术，以及介绍他们在工程中的应用情况以及。关键词：震害抗震设计新技术1“5.12”汶川地震中各种房屋结构震害研究1.1砖混结构中以大开间、大开窗、外走廊等建筑样式的震害最为严重。不少地方在上世纪90年代以前建造的砖混结构房屋中较多地使用了大开间、大开窗、外走廊等建筑样式。当时的抗震规范没有在圈梁和构造柱的设置上提出更多要求。再加上大量与墙体连接不充分的预制空心楼板，使砖混结构的整体性受到影响。这些结构建筑在重灾区普遍遭受到严重的破坏甚至是整体倒塌。1.2采用框架—砌体混合结构形式的建筑在重灾区普遍损毁严重。无论是底部框架砖混的竖向混合结构还是部分框架部分砖混的水平混合结构，由于刚度突变、传力途径复杂和变形能力不协调等因素，大量此类建筑受损严重。1.3框架结构在框架结构中出现了框架柱先于框架梁受到破坏的现象。震害调查显示，此次地震中，部分房屋的一些框架结构的破坏体现为框架柱先于框架梁受到破坏。规范中考虑框架的抗震作用主要是指抵抗水平振动作用和水平荷载作用。但此次地震的竖向振动十分剧烈，震中区域部分房屋的框架柱受到了水平、竖向叠加作用力，发生粉碎性压缩损坏，导致房屋受损严重甚至垮塌。1.4厂房、库房的排架结构受灾严重，震害调查中发现，灾区的不少厂房、库房的排架结构由于跨度大、屋架重、柱间连接薄弱，加上年久失修等原因，在此次地震中受损严重，垮塌较多。其中单跨结构比双跨结构震害严重，重屋架结构比轻屋架结构震害严重。1.5木结构房屋和轻钢结构房屋在此次地震中损坏较轻，木结构采用榫卯进行连接，榫头在榫卯节点处可轻微转动，具有“柔性”连接的特点；柱根直接放在柱基石上，水平震动时柱根可在柱基石上轻微滑动；厚重的屋盖通过穿斗或斗拱的连接方式与内柱、檐柱体系连成一体，保证了木结构房屋的整体性。木结构的这些特点使得重灾区的木结构房屋除有不少屋面瓦脱落外，多数房屋损坏较轻。灾区还有少量采用轻钢结构的厂房，由于轻钢结构具有质量轻、连接可靠、结构整体延性好的特点，再加上配套屋盖和墙板均采用轻质材料，因此，这类房屋具有较好的抗震性能。此次地震中，该类房屋受损主要是柱间支撑连接被拉断、钢构件防火涂料剥落等，震害较轻。2抗震设计需关注的问题2.1砖混结构设置钢筋混凝土构造柱:合理的设置钢筋混凝土构造柱可以明显地提高砖混结构房屋的抗震性能,使砖混结构的强度特别是变形能力得到提高,而使脆性性能得以改善。但是应注意不要片面夸大构造柱的作用,认为墙体数量少、抗震不足,可以依靠增加构造柱来弥补。例如:有人在多层砖混结构设计中抗震砖墙与构造柱不匹配,抗震砖墙偏少、偏小,而钢筋混凝土构造柱数量偏多、断面偏大,特别是商住楼的一层商店,抗震砖墙体明显不足。钢筋混凝土构造柱的设置能增加多层砖混房屋的延性、能显著提高房屋的抗倒塌能力,但钢筋混凝土构造柱对增加砌体抗剪作用不明显对砖墙体的抗裂效果不大。因此,那种用增加构造柱来消减砖墙体的做法是不对的。设置钢筋混凝土圈梁:圈梁在房屋建筑中可以发挥多方面的作用,如:增强纵横墙体的连接;增强房屋的整体性;减小墙的自由长度;增强墙体的稳定性;提高墙体的抗剪能力约束墙面裂缝的开展及抵抗由于地震或其他原因引起的地基不均匀沉降对房屋的影响。2.2框架结构2.2.1框架柱设计框架柱是框架结构中最主要的承重构件,要使框架结构具有较好的抗震性能,就要确保框架柱有足够的承载力和必要的延性。因此,框架柱设计应满足强柱弱梁要求,破坏时柱尽量不出现塑性铰,柱在弯曲破坏前不发生剪切破坏,同时控制柱的轴压比不要太大,并应加强约束,配置必要的约束箍筋。2.2.2框架梁设计框架结构的合理屈服机制是在梁上出现塑性铰。但梁形成塑性铰后又要保证不发生剪切破坏,同时要防止由于梁筋屈服渗入节点影响节点的性能核心。因此,框架梁设计应保证框架梁形成塑性铰后有足够的受剪承载力,框架梁筋屈服后,塑性铰区段应有较好的延性和耗能能力,框架梁筋锚固应满足构造要求。2.2.3框架节点设计框架节点易破坏且难以修复。其破坏形式是节点核心区剪切破坏和钢筋锚固破坏。因此框架节点设计应满足节点的承载力不应低于梁柱的承载力。多遇地震时,节点应在弹性范围内工作;罕遇地震时,节点承载力的降低不得危及竖向荷载的传递,同时节点配筋不应使施工太难。2.3剪力墙结构2.3.1墙体分布筋配筋率从墙体构件本身的受力特性分析,对于较规则的纯剪力墙结构,一般的墙肢属偏压构件,并仅考虑平面内承受水平力,则受力筋集中以暗柱的形式配置于墙肢端部,竖向分布筋仅需构造配置并与水平分布筋一起约束墙体表面裂缝,墙体水平分布筋起抗剪作用,对于墙较多的纯剪力墙结构,大部分墙肢的水平筋均为构造配置。因此,对于计算结果中显示的仅需构造配置的分布筋,配筋率不宜放的过大,以免造成浪费。但应注意在连梁及温度应力较大处应适当加大水平分布筋配筋率。2.3.2约束边缘构件从2002年开始实施的建筑结构规范,根据结构类型及受力状况,对剪力墙两端及洞口两侧的加强边缘,按墙肢在重力荷载代表值作用下墙肢轴压比的线及加强部位要求分为约束边缘构件和构造边缘构件两类。特一,一,二级抗震等级的剪力墙在底部加强部位及其上一层应设约束边缘构件。原因是剪力墙的轴压比虽未超过限制值,但轴压比又比较高时,在墙肢边缘轴压应力和压应变均较大,因此需在墙肢边缘设置约束作用较强的带箍筋的约束边缘构件。在国外,有的规范要求计算剪力墙截面的应力分布,按照应力大小设置带箍筋的约束边缘构件。我国规范为了简化设计,规范直接给出了约束范围,并将此范围分为两部分,靠近端部边缘部分的应力最大,箍筋数量要求多,靠内的部分应力减小,约束钢筋要求降低一些。2.3.3连梁高层剪力墙结构考虑地震作用上机计算时,往往会出现连梁超筋的情况,即使多次调整计算,也不一定能全部消除。连梁超筋主要是因为部分连梁跨高比较小,刚度较大,造成连梁剪力过大,致使连梁抗剪能力不能满足规范对剪压比的限值。剪力墙结构的一个设计原则是强墙弱连梁,因此可以考虑所有可能超限的连梁均出现塑性铰,按此时计算出的墙肢内力进行墙肢截面设计,剪力墙结构结构主体是安全的。由于目前剪力墙结构计算中,大部分墙肢配筋不大,所以采用这种方法是可行的。对于超限连梁,可采用根据连梁最大抗剪承载力计算连梁抗剪箍筋及抗弯纵向钢筋的方法,以确保超限连梁的强剪弱弯,具体的公式在北京市建筑设计研究院主编的《建筑结构专业技术措施》中有详细推导2.4框架-剪力墙结构2.4.1框架设计要求框架-剪力墙结构的框架部分设计按上述考虑。2.4.2剪力墙设计要求剪力墙部分的破坏形态有弯曲破坏、斜拉破坏、斜压破坏、剪压破坏、沿施工缝滑移和锚固破坏等。为使剪力墙有良好的抗震性能,设计中应保证剪力墙在发生弯曲破坏之前,不发生斜拉、斜压或剪压等剪切破坏形式和其他脆性破坏形式,同时应采用合理的构造措施,保证剪力墙具有良好的延性和耗能能力。3抗震新方法3.1隔震设计隔震是指在建筑物的基础和上部结构之间设置一个弹性的类橡胶垫层或可滑动、滚动的机械装置，将强烈的地震的作用隔离或减弱，从而达到抗震的目的。3.1.1夹层橡胶垫隔震装置用于隔震装置的橡胶垫块，可用天然橡胶，也可用人工合成橡胶（氯丁胶）。为提高垫块的垂直承载力和竖向刚度，橡胶垫块一般由橡胶片与薄铜板叠合而成。3.1.2铅芯橡胶支座这样就使支座具有足够的初始刚度，在风荷载和制动力等常见载荷作用下保持具有足够的刚度，以满足正常使用要求，但强地震发生时，装置柔性滑动，体系进入消能状态。3.1.3滚珠（或滚轴）隔震有自复位能力的、有加铜拉杆风稳定装置、横向油压千斤顶位的。另外，还有加消能装置的，消能装置有软消能杆剪、铅挤压消能器、油阻尼器、光阻尼器等。3.1.4摇摆支座隔震同原理还有踏步式隔震制作，用于细高的结构物，如烟囱、桥墩、柜体筒体建筑物等。3.1.5滑动支座隔震上部结构与基础之间设置相互滑动的滑板。风载、制动力或小震时，静摩擦力使结构固结于基础上；大震时、结构水平滑动，减小地震作用，并以其摩擦阻尼消耗地震能源。为控制滑板间的摩擦力，使之满足隔震要求；在滑板间可以加设滑层。目前常用的滑层有：涂层滑层（聚氯乙烯）、粉粒滑层（铅粒、沙粒、滑石、石墨等）。3.2被动减震设计3.2.1耗能减震结构消能减震体系是把结构的某些非承重构件（如支撑剪力墙等）设计成消能杆剪，或在结构物的某些部位（节点或连接）装设阻尼器，在风荷载轻微地震时，这些消能杆件或阻尼器仍处于刚弹性状态，结构物仍具有足够的侧向刚度以满足正常使用要求，在强地震发生时，随着结构受力和变形的增大，这些消能杆件和阻尼器，率先进入非弹性变形状态，产生较大阻尼，大量消耗输入结构的地震能量，从而使主体结构避免进入明显的非弹性状态并迅速衰减结构的地震反应，从而保护主体结构在强地震中免遭损失3.3主动控制减震主动控制——有外加能源的控制，其控制力是由控制装置按某种控制规律，利用外加能源主动施加的。主动控制是将现代控制理论和自动控制技术应用于结构抗震的高新技术。主动控制有主动拉索系统（ATS）、主动支撑系统（ABS）、主动可变刚度系统（AVSS）、主动质量阻尼系统（AMD）等。主动控制体系中的控制器由三部分组成：①传感器。安装在结构上，测量结构所受外部激励或结构反应或两者，将测量的信息传递给控制器的处理器。②处理器。处理测得的信息，根据给定的控制算法，计算所需的控制力，并将控制信息传递给控制器中的致动器。③致动器。根据控制信息，由外部供给能源产生所需的控制力，从而减小结构振动反应。3.4其他减震系统3.4.1变阻尼半主动控制系统通过研究人们已知道，阻尼的减振效果是有条件的。单自由度体系基座受到简谐运动激励时，阻尼愈大，结构和相对运动（位移、速度和加速度）不断减少；对绝对运动则不然，当干扰频率与自振频率的比值时，增大阻尼反而会使绝对位移、速度和加速度反应增大。在地震作用下也可能出现类似的情况。因此变阻尼半主动控制系统就是寻找比定阻尼系统更好的减震效果。对于中、短周期的结构，当设计地震动的主要周期较短时，不必要采用半主动变阻尼系统。但是对于长周期结构，采用半主动变阻尼控制方法与采用上限阻尼时相比可以明显地减小绝对加速度反应，对相对反应也无不利影响。看来只有当需要同时减小长周期结构的相对位移反应和绝对加速度反应时才有必要采用变阻尼半主动控制。常见的变阻尼半主动控制有变孔径油阻尼器、电流变阻尼器、磁流变阻尼器、变摩擦可控阻尼器、调谐质量可控阻尼器。3.4.2变刚度半主动控制系统（AVS）在此系统中，应用液压元件改变刚性支撑和大梁的连接条件，随时调节层间刚度，避免共振。变刚度和变阻尼系统应属于变结构控制的范畴，其理论基础在自动控制领域中已有深入的研究。在变刚度半制动控制系统中结构的层间水平刚度可以在其最大值和最小值之间跳跃或随意调节。当强震地面运动的主要频率不在被控结构自振频率的可能的变化范围以内时，对系统将产生什么样的影响则是值得研究的问题。3.4.3混合控制将主动控制与被动控制结合起来应用或采用其它复合控制方式通常称为混合控制，其最常用的形式是用作动器拖动调谐质量阻尼器（HMS）。主动控制、半主动控制和混合控制由于都需要实时观测结构反应并进行实时分析和反馈控制，系统极为复杂，在推广应用方面受制于经济和技术条件。相比之下以增加结构阻尼、避免共振的被动控制技术则更适合在众多的实际工程中应用。结语：随着社会经济的发展和人们生活水平的提高,对建筑结构抗震设计也提出了更高的要求。我国属于地震多发国家,重视概念设计的重要性,发展先进的抗震计算理论,加强计算机的应用,使建筑结构抗震设计更加安全、适用、可靠、经济是当务之急。新的抗震设计方法有：明显有效地减轻结构的地震反应；确保安全；减低房屋造价抗震措施简单明了；震后修复方便等优点，深入学习和研究有其重要意义。参考文献：[1]汶川地震房屋震害研究专家组“5.12”汶川地震房屋建筑震害分析与对策研究报告[2]吕敬彬广东省阳江市建筑设计院529500钢筋混泥土框架房屋抗震设计需关注的几个问题[3]赵群昌深圳市市政工程设计