建筑结构的抗震概念设计

提要本文根据地震作用的特点,结合震后启示,阐述了结构抗震设计中“概念设计”的重要性以及对结构进行概念设计的原则。在提高结构的整体抗震性能时,注重新的抗震设计理念的应用,为工程设计人员在今后的设计工作中提供思路。

关键词:建筑结构;抗震;概念设计

中图分类号:F407.9文献标识码:A

地震灾害具有突发性,至今可预报性很低,给人类社会造成的损失严重是各类自然灾害中最严重的灾害之一。随着建筑结构抗震相关理论的不断发展,结构抗震设计思路也经历了一系列的变化。设计思路经历了从弹性到非线性,从基于经验到基于非线性理论,从单纯保证结构承载能力的“抗”到允许结构屈服,并赋予结构一定的非弹性变形能力的“耗”的一系列转变。由于地震作用的随机性、复杂性、藕联性,每次地震所产生的波形各异,因而其对建筑物的作用各不相同,所产生的破坏程度也千差万别。因此,在进行结构的抗震设计时要综合考虑多方面因素,而切实做好抗震概念设计又显得尤为重要。

一、抗震概念设计的含义

建筑结构的抗震概念设计是指在进行结构抗震设计时,根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想,从概念上,特别是从结构总体上考虑抗震的工程决策,即正确地解决总体方案、材料使用和细部构造,以达到合理抗震设计的目的。

二、抗震概念设计的基本内容

1、建筑设计应重视建筑结构的规则性。建筑结构的规则性对抗震能力重要影响的认识始自若干现代建筑在地震中的表现。最为典型的例子是1972年2月23日南美洲的马那瓜地震。马那瓜有相距不远的两幢高层建筑,一幢为十五层高的中央银行大厦,另一幢为18层高的美洲银行大厦。当地地震烈度估计为8度。一幢破坏严重,震后拆除;另一幢轻微损坏,稍加修理便恢复使用。研究发现破坏较轻的建筑平、立、剖均较规则、对称;结构侧向刚度、材料强度和质量的分布也较均匀、连续,而另一栋建筑则恰恰相反,导致产生严重扭转、抗剪不足等而破坏严重。

2、合理选择建筑的结构体系。抗震结构体系是抗震设计应考虑的关键问题,结构方案的选取是否合理,对安全性和经济性起决定性作用。

(1)结构体系应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径。要求结构体系受力明确、传力合理、传力路线不间断、抗震分析与实际表现相符合。

(2)应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。抗震设计的一个重要原则是结构应有必要的赘余度和内力重分配的功能。诸多震后实例均印证了它的重要性,设计时要引起足够重视。

(3)结构体系应具备必要的承载能力,良好的变形能力和消耗地震能量的能力。足够的承载力和变形能力是需要同时满足的。有较高的承载能力而缺少较大变形能力,如不加约束的砌体结构,很容易引起脆性破坏而倒塌。必要的承载能力和良好的变形能力的结合便是结构在地震作用下具有的耗能能力。

3、提高结构构件的延性。结构的变形能力取决于组成结构的构件及其连接的延性水平。规范对各类结构采取的抗震措施,基本上是提高各类结构构件的延性水平。这些抗震措施如:采用水平向(圈梁)和竖向(构造柱、芯柱)混凝土构件,加强对砌体结构的约束,或采用配筋砌体;使砌体在发生裂缝后不致坍塌和散落,地震时不致丧失对重力荷载的承载能力;避免混凝土结构的脆性破坏(包括混凝土压碎、构件剪切破坏、钢筋同混凝土粘结破坏)先于钢筋的屈服;避免钢结构构件的整体和局部失稳,保证节点焊接部位(焊缝和母材)在地震时不致开裂等等。

4、抗震设计要注重非结构构件的设计。非结构构件包括建筑非结构构件和建筑附属机电设备,自身及其与结构主体的连接,应进行抗震设计。结合相关震后资料,启示如下:(1)附着于楼、屋面结构上的非结构构件,应与主体结构有可靠的连接或锚固,避免地震时倒塌伤人或砸坏重要设备;(2)围护墙和隔墙应考虑对结构抗震的不利影响,避免不合理设置而导致主体结构的破坏;(3)幕墙、装饰贴面与主体结构应有可靠连接,避免地震时脱落伤人;(4)安装在建筑上的附属机械、电气设备系统的支座和连接应符合地震时使用功能的要求,且不应导致相关部件损坏。

三、结束语

“5.12”汶川大地震后,国家对《建筑抗震设计规范》重新进行了修定,不难看出新的规范对于抗震概念设计提出了更高的要求。一幢抗震性能优良的建筑除了进行必要的结构计算之外,概念设计更为重要。作为结构工程师来说,必须使这一理念贯穿于结构设计的整个过程当中,既要严格把握好设计的大原则,又要全面考虑诸多因素,最终才能保证设计的科学性和严谨性,为社会创造更多精品工程。

(作者单位:河北能源工程设计有限公司)

主要参考文献:

[1]GB50011-2001,建筑抗震设计规范(2008年版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[2]王亚勇.汶川地震建筑震害启示-抗震概念设计[J].建筑结构学报,2008.

[3]郭继武.建筑抗震设计(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.