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建筑结构抗震设计基本要求及方法

时间:2022-05-19 09:05:00 来源:河南三建美辰建筑科技有限公司
  我国是一个地震多发的国家,从上世纪唐山地震开始,现在其危害已经深入人心。很多土木工程的研究者们也把他们毕生的精力用到了建筑结构的抗震设计上。结构的抗震设计虽然还有很长的路要走,但是行者们从未停下脚步。建筑结构抗震设计包含了两个设计范畴,即概念设计和参数设计。建筑结构抗震概念设计主要针对地震的不确定性和近似性,从概念上,特别是从结构总体上考虑抗震的工程决策;建筑结构的参数设计主要是采用二阶段的抗震设计方法(地震作用计算、构件强度验算和结构变形验算等)实现三水准的抗震设防要求。两者是相辅相成的。作为一个正确的抗震设计,必须重视抗震概念设计,灵活而又合理地运用抗震设计思想,才能不致陷入盲目的计算工作。
  

  建筑结构抗震设计基本要求

  
  1、钢结构房屋结构类型
  
  常见的钢结构房屋的结构体系有框架结构、框架一支援结构、框架一抗震墙板结构、简体结构以及巨型框架结构等。钢结构房屋的抗震性能的优劣取决于结构的选型,进行实际工程设计时,需要综合考虑多种因素进行方案的优化,在优化过程中确定其适宜的结构体系。
  
  2、钢结构房屋结构布置原则
  
  钢结构房屋的结构体系和结构布置的选择关系到结构的安全性、适用性和经济性。和其他类型的建筑结构一样,多高层钢结构房屋应尽量采用规则的建筑方案。当结构体型复杂、平立面特别不规则时,可按实际需要在适当部位设置防震续,从而形成多个较规则的抗侧力结构单元。由于钢结构可耐受的结构变形大于混凝土结构,一般来说,不宜设抗震缝,必须设置时,抗震缝宽应不小于相应钢筋混凝土结构房屋的1.5倍。
  
  3、 钢结构房屋适用的高度和高宽比
  
  根据结构总体高度和抗震设防烈度确定结构类型和适用高度。结构的高宽比是影响结构整体稳定性和抗震性能的重要参数,它对结构刚度、侧移和振动形式有直接影响。高度比指房屋总高度与平面较小宽度之比。高宽比值较大时,一方面使结构产生较大的水平位移及P—A效应,还由于倾覆力矩使柱产生很大的轴向力。因此,需要对钢结构房屋的高宽比制定限值,不宜大于合理的限值,超过时应进行专门研究,采取必要的抗震措施。
  

  建筑结构抗震设计的一般方法

  
  钢材基本属于各向同性的均质材料,且质轻高强、延性好,是一种很适合于建筑抗震结构的材料,在地震作用下,高层钢结构房屋由于钢材材质均匀,强度易于保证,所以结构的可靠性大;轻质高强的特点使得钢结构房屋的自重轻,从而所受地震作用减小;良好的延性使结构在很大的变形下仍不致倒塌,从而保证结构在地震作用下的安全性。但是,钢结构房屋如果设计和制造不当,在地震作用下,可能发生构件的失稳和材料的脆性破坏或连接破坏,使钢材的性能得不到充分发挥,造成灾难性后果。因此高层钢结构房屋的抗震设计就显得非常重要和必要。
  
  1、建筑场地
  
  在选择建筑场地时,应根据工程需要,掌握地震活动情况和工程地质的有关资料,对建筑场地做出综合评价。宜选择对建筑抗震有利的地段,如开阔平坦的坚硬场地土或密实均匀的干硬场地土等地段,避开对建筑抗震不利的地段,如软弱场地土、易液化土、条状突出的山嘴、高耸孤立的山丘,非岩质的陡坡、采空区、河岸和边坡边缘等地段。
  
  2、地基和基础
  
  为了避免建筑物不均匀沉降而导致结构产生裂隙、甚至倾斜,使结构构件过早进入塑性区,同一结构单元不应设置在性质截然不同的地基土上,不宜部分采用天然地基,部分采用桩基;地基有软弱粘性土、可液化土或严重不均匀土层时,应加强基础的整体性和刚性。
  
  3、平面和立面布置
  
  为了避免地震时建筑发生扭转和应力集中或塑性变形集中而形成薄弱环节,建筑平面、立面布置宜规则、对称,质量分布和刚度变化宜均匀。但不设置抗震缝时,应采用与实际情况相符合的计算模型,设置抗震缝时,应将建筑物分割成规则的结构单元。我国《抗震规范》对高层钢结构房屋的适用高度和钢结构房屋的高宽比都有规定:
  
  (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;应有多道抗震设防防线,避免因部分结构或构件失效而导致整个体系丧失抗震能力或丧失对重力的承载能力;应具备必要的承载能力,良好的变形能力和耗能能力;应具有合理的刚度分布和承载力分布,避免因局部削弱或突变而形成薄弱部位,产生过大的应力集中或塑性变形集中,对可能出现的薄弱部位,应采取措施提高其承载能力。
  
  (2)在抗震结构体系中,应使结构构件和连接部位具有良好的延性,避免脆性破坏,提高抗震结构的整体变形能力。因此,钢结构构件应合理控制尺寸,防止局部失稳或整体失稳,如对梁翼缘和腹板的宽厚比和高厚比都作了明确规定。此外,还应加强各构件之间的连接,以保证结构的整体性,抗震支承系统应保证地震作用时结构的稳定。
  
  (3)对于女儿墙、围护墙、雨篷、封墙等非结构构件,应使其与主体结构有可靠地连接和锚固,避免地震时倒塌伤人,产生附加震害;围护墙、隔墙等与主体结构的连接,应避免设置不当而导致主体结构破坏;应避免吊顶塌落及悬吊较重的装饰物坠落,不可避免时应采取可靠措施。
  
  (4)建筑物在强震作用下的表现,既是对抗震设计的检验,也是对施工质量的检验。施工质量的好坏,直接影响钢结构房屋的抗震能力。因此,抗震结构对材料和施工质量的特别要求,应在设计文件上注明。建筑物的施工要特别注意符合图纸上合理的抗震要求,注意材料选择,确保施工质量。
  

  建筑结构抗震设计常见问题

  
  1、缺乏岩土工程勘察资料或资料不全。有的在扩初设计阶段还缺建筑场地岩土工程的勘察资料,有的在扩初设计会审之后就直接进入了施工图设计,有的在规划设计或方案设计会审后就直接进入了施工图设计。无岩土工程勘察资料,设计缺少了必要的依据。
  
  2、结构的平面布置。外形不规则、不对称、凹凸变化尺度大、形心质心偏心大,同一结构单元内,结构平面形状和刚度不均匀不对称,平面长度过长等。
  
  3、一个结构单元内采用两种不同的结构受力体系。如一半采用砌体承重,而另一半或局部采用全框架承重或排架承重;底框砖房中一半为底框,而另一半为砖墙落地承重[这种情况常发现在平面纵轴与街道轴线相交的住宅,其底层为商店,设计成一半为底框砖房(有的为二层底框),而另一半为砖墙落地自承,造成平面刚度和竖向刚度二者都产生突变,对抗震十分不利]。
  
  4、底框砖房超高层。如1996年,对在杭设计单位作的一次专题普查,发现有69幢底框砖房超高层。新项目亦普遍存在此现象,1999年某地块住宅竣工交付使用验收中发现有三幢底框砖房超高层,甚至有超三层的。
  
  5、抗震设防标准掌握不当。有一些项目擅自提高了设防标准,按照《建筑抗震设防分类标准(GB 50223-95)》划分应属六度设防的,但设计中提高了一度按七度设防,提高了建筑抗震设防标准,将会增加工程投资;有的项目严格应按七度采取抗震措施的,但设计中又按六度设防,减低了抗震设防标准,不利抗震。
  
  6、结构的竖向布置。在高层建筑中,竖向体型有过大的外挑和内收,立面收进部分的尺寸比值B1/B不满足≥0.75的要求。
  
  7、抗震构造柱布置不当。如外墙转角处,大厅四角未设构造柱或构造柱不成对设置;以构造柱代替砖墙承重;山墙与纵墙交接处不设抗震构造柱;过多设置抗震构造柱等。
  
  8、框架结构砌体填充墙抗震构造措施不到位。砌体外围护墙砌筑在框架柱外又没有设置抗震构造柱,框架间砌体填充墙高度长度超过规范规定要求又没有采取相应构造措施。
  
  9、结构其他问题。有的底层无横向落地抗震墙,全部为框支或落地墙间距超长;有的仅北侧纵墙落地,南侧全为柱子,造成南北刚度不均;有的底层作汽车库,设计时横墙都落地,但纵墙不落地,变成了纵向框支;还有的底框和内框砌体住宅采用大空间灵活隔断设计,其中几乎很少有纵墙。不少地方都采用钢筋混凝土内柱来承重以代替砖墙承重,实际上将砖混结构 演变为内框架结构,这比底框砖房还不利,因内框砖房的层数、总高度控制比底框砖房更严,因此存在着严重抗震隐患。更为严重的是这种情况并未引起目前大多数结构工程师的重视。
  
  10、平面布局的刚度不均。抗震设计要求建筑的平、立面布置宜规正、对称,建筑的质量分布和刚度变化宜均匀,否则应考虑其不利影响。但有的平面设计存在严重的不对称:一边进深 大,一边进深小;一边设计大开间,一边为小房间;一边墙落地承重,一边又为柱承重。平面形状采用L、π形不规则平面等,造成了纵向刚度不均,而底层作为汽车库的住宅,一侧为进出车需要,取消全部外纵墙,另一侧不需进出车辆,因而墙直接落地,造成横向刚度不均。这些都对抗震极为不利。
  
  11、防震缝设置。对于高层建筑存在下列三种情况时,宜设防震缝:①平面各项尺寸超过《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程(JGJ 3-91)》中表2.2.3的限值而无加强措施;②房屋有较大错层;③各部分结构的刚度或荷载相差悬殊而又未采取有效措施;但有的竟未采取任何抗震措施又未设防震缝。
  
  12、墙体局部尺寸限值。在抗震设计规范中对此有专门的限制性规定,这是从宏观上保证砌体房屋安全度的有效措施。但发现有承重窗间墙宽度<1.0m(六度设防);承重外墙尽端至门窗洞边的距离<1.0m;非承重墙外墙尽端至门窗洞边的距离<1.0m, 甚至只有几十厘米等情况,片面追求开敞明亮却忽视了房屋的抗震安全。
  
  13、同一结构单元基础形式不同。有关规范、规程中规定了“同业结构单元中不宜部分采用天然地基,部分采用桩基”,“高层建筑在同一结构单元内,不宜采用局部箱形基础”,但发现有高层建筑部分采用桩基,部分又采用天然地基(主要指裙房部分);同一结构单元内,部分有地下室,部分无地下室的情况。
  
  14、基础的埋置深度。有关规程明确规定,采用天然地基时基础埋置深度不小于建筑高度的1/12,采用桩基时可不小于建筑高度的1/15,桩的长度不计在埋置深度内。但发现有的设计人员忽视了基础的埋置深度必须满足地基变形和稳定的要求,在选择天然地基时或是桩基时都达不到上述规定的要求。
  
  15、结构抗震等级掌握不准。有的提高了,而有的又降低了,主要是对场地土类型、结构类型、建筑高度、设防烈度等因素综合评定不准造成。
  
  16、阁楼问题。其内收外墙不是支撑在墙上,而是支撑在楼板上,又未采取任何其他抗震构造措施。
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