1、淺談抗震結構設計     摘要:地震作用由于其隨機、不能準確預見和計算,目前規范只確定了一類,半經驗半理論計算方法進行精確抗震計算存在一定困難,因此在抗震設計中應遵循剛柔相濟、多道設防的原則,并采取有效的構造措施予以保證結構的抗震性能。在改善短柱的抗震性能方面,可以采取使用復合螺旋箍筋、設置分體柱、使用鋼骨混凝土等措施。 關鍵詞:地震作用;延性短柱;抗震性能 中圖分類號:TU352文獻標識碼:A文章編號:1006-8937(2010)14-0135-02 地震作用是一種目前尚且不能準確預見和準確計算的、隨機的外部作用,其影響因素極為復雜。現行規范中確定的

2、有關地震的計算,所采用的計算還只是依賴經驗的理論性方法,如果要得到比較精確結果還比較困難,對于從事建設抗震設計的結構工程師來講,在設計建筑物尤其是那些高層建筑時,需要特別注意相關抗震安全問題,在進行設計時要充分考慮各種因素的影響,采取合理的措施進行防范。 1結構建筑物抗震設計的主要內容 1.1要重視結構物的規則性 首先結構建筑物的設計必須符合抗震概念設計的要求,嚴重不規則的結構形式必須要規避。較為合理的建筑物布置提倡平、立面簡單對稱。通過對以前震后建筑物的調查,我們發現:布置規則的建筑物在地震過程中不易受到破壞。同時,布置規則的建筑物所受到地震反應也較容易估計,有利于尋找合適的構造措施和細部處

3、理。建筑結構物的規則性主要表現在平立面形狀簡單、剛度承載力變化均勻連續、平面布置基本對稱等方面,就是對建筑物的平、立面尺寸,構件布置,質量、承載力分布等諸多因素提出的綜合要求。 1.2要重視設計的基本原則 原則一:剛柔相濟柔性。結構可以有效的減少地震力的傳遞,吸收地震波的能量,減輕地震作用對結構物的影響。因此,在抗震設計中不能一味的追求結構的剛度與抗力。如果結構物的剛度太大,地震作用的效應很大,就需要配置更多的鋼筋去抵御地震。而對于柔度過大的結構,雖然其具有很好的延性,可以消減一部分外力,但容易造成過大的變形而無法正常使用。在抗震設計中,既要滿足變形要求,又要能減小地震力的影響。通常的程序是根

4、據初步擬定的尺寸和混凝土等級等因素計算結構的剛度,再依據結構剛度結果計算地震力,最后再計算配筋量。此外,還可以采取在基礎和主體之間設置柔性隔震層、加設消能支撐(比如阻尼器的裝置)等隔震消能措施,以減弱地震力的影響。 原則二:多層設防。一次高等級地震后通常會伴隨著多次余震,假如僅僅只有一道防線,一旦建筑由于第一次破壞后再遭受余震襲擊的話,就可能會因損傷的積累導致倒塌。所以,一個抗震結構體系,比如采用框架-剪力墻體系,即延性框架和抗震墻分體系的組合能夠起到很好的協同作用,也就是通過多個延性較好的分體系,并且由延性較好的結構構件進行連接形成一個多層體系。 1.3建筑結構物延性構件的利用與抗震措施 結

5、構或構件的延性是指在保持承載力不顯著降低的情況下材料的變形能力(即指材料的應變,而非結構構件的整體位移)。 抗震設計原則應落實為“大震不倒,中震可修,小震不壞”,因此,應盡量將結構設計成延性結構。由于塑性變形的存在,延性結構可以吸收或者耗散地震輸入能量,減小地震作用下的動力效應,以其變形能力來抵抗地震作用,減輕地震破壞。結合實際工程案例,結構的 抗震措施一般包括以下幾個方面:“強柱弱梁”:增大柱相對抗彎能力(針對梁),這樣鋼筋混凝土框架在地震作用下時,梁端較早出現塑性鉸,在達到最大非線性位移時塑性轉動較大;而柱端塑性鉸則情況相反,出現時間晚且塑性轉動較小,甚至根本不出現塑性鉸。因此保證了框架成

6、為一個穩定的塑性耗能機構并具有較大的塑性耗能能力。“強剪弱彎”:因為剪切破壞屬于基本上不具有任何延性得脆性破壞,一旦結構物的某個部分發生剪切破壞,該部分就將因失去承載能力而退出承載;另外,柱端的剪切破壞很可能致使結構的局部甚至整體倒塌。鑒于此,人為增大柱端、梁端、支座邊緣處的組合剪力值,盡量使結構能在地震作用下,結構不會因內部構件發生剪切破壞而喪失承載力。 2改善短柱的抗震性能 通常結構工程師在進行高層建筑結構設計時,會遇到由于柱子的截面比較大,在結構下部形成短柱的情況。根據抗震設計的要求,減小短柱的截面尺寸,盡量提高短柱的承載力,采取各種有效構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 螺旋箍筋柱時采用螺旋鋼箍或者焊接環筋作為箍筋的軸心受壓構件。比如高層建筑框架中的短柱,如果符合“強剪弱彎”和“強柱弱梁”的標準,其構件是不容易發生剪切型破壞的。所以,可以使用復合螺旋箍筋,利用其對內部混凝土的套箍作用使核心混凝土處于三向受壓狀態從而提高其承載力和變形能力。使得螺旋箍筋柱具有較普通箍筋柱更強的抗震能力。 2.2采用鋼骨混凝土柱 一般鋼骨混凝土柱由鋼骨和外包混凝土構成。鋼骨有工字形、H字形、十字形截面形式,通常由鋼板直接軋制或焊接拼制而成。與以前的一些鋼結構相比,采用了外包混凝土的鋼骨混凝土柱可以提高柱的整體剛度,同時顯著改善鋼構件

8、出平面扭轉屈曲性能,有效防止鋼構件的局部壓曲。通常情況下,在設計中如果采用鋼骨混凝土結構,在鋼材用量上要比一般鋼結構節約50 %以上。與此同時,采用這一設計,在柱結構的耐久性和耐火性方面也有所增強,在一定程度上彌補了鋼結構耐腐蝕性差的特點。 由于配置了鋼骨,使得開口鋼骨翼緣與箍筋對混凝土起到了更好的約束作用,另外由于鋼骨本身良好的塑性,在柱結構的延性和耗能能力也得到了提高。正是因為鋼骨混凝土柱不僅具備了鋼與混凝土兩種材料的特性,還具有了截面尺寸小、自重輕延性好等優點,近年來已被廣泛采用。因此,在資金條件允許的情況下,在設計高層或超高層建筑時考慮在采用鋼骨混凝土柱,不僅可以減小柱的截面面積,還能

9、能夠明顯改善結構的抗震能力。 2.3采用分體柱 通常在地震反應中,由于短柱的抗彎承載力遠遠大于抗剪承載力,因此短柱常常會因為剪力破壞而失去效力,使得其抗彎能力難以發揮。因此,如果采用人為方式削弱短柱的抗彎強度,使得抗彎強度降低到等于或低于抗剪強度之下,那么在地震反應下,柱子就能因為達到抗彎強度而延性破壞。為了增強柱初期剛度和后期耗能能力,人為削弱抗彎強度的方法是通常是采用在柱中間沿豎向設置縫,人為地將短柱分為多個柱肢組成的分體柱,在在分體柱的各柱肢里面分別配筋,另外在不同分體柱的柱肢之間還要用連接鍵進行連接。      通過有關的實驗表明,雖然采用分體柱的方法沒有提高柱子的抗剪承載力,甚至抗彎承載力還有所降低