概念設計在建筑抗震設計中的重要性和實現(xiàn)方法

楊 杰,張 敏,李紅培

(1.四川省南充市順慶區(qū)建設工程質(zhì)量監(jiān)督管理站,四川 南充 637000;2.四川省嘉益房地產(chǎn)開發(fā)有限責任公司,四川 南充 637000;3.西南石油大學建筑工程學院,四川 成都 610500)

大量的震害調(diào)查和分析表明:要減輕房屋建筑的地震破壞,設計出一個合理、有效的抗震結構,僅僅依賴于計算分析是不夠的,往往更多地依靠良好的“抗震概念設計”。與“計算設計”相比,概念設計是指人們借助于地震災害和工程經(jīng)驗積累等形成的基本設計原則和設計思想,進行建筑和結構的總體布置并確定細部構造的設計過程。概念設計內(nèi)容豐富、應用廣泛,貫穿結構選型、方案設計、結構布置、計算簡圖抽象、計算結果處理、施工圖繪制等設計的整個過程[1]。地震作用的不確定性、現(xiàn)行設計規(guī)范和設計方法的固有缺陷以及計算機結構設計軟件的發(fā)展和普及,使得概念設計在建筑抗震設計中的重要性進一步加強。在建筑結構設計中,概念設計與結構構造措施在一定程度上反映了一個結構工程師的設計水平。

1 概念設計在抗震設計中的重要性

1.1 地震作用的不確定性

地震是在極其復雜的地質(zhì)結構中孕育發(fā)生的,它的過程是高度非線性、極為復雜的物理過程。人類迄今為止對這一過程的了解很少。當前科學技術雖然突飛猛進,但仍然是“上天容易入地難”,人們還不能對地震孕育發(fā)生的 10～20km深處進行直接觀測,即使是設在地表的間接觀測也十分稀疏。通常情況下,人們把危險性分析中的不確定性按其來源,從客觀到主觀作 5個層次的劃分,即:地震固有的隨機性;理想模型相對于事物的不確定性;實際模型引入的不確定性;不完善的模型引入的不確定性和主觀傾向性引入的不確定性。對地震不確定性的分析和判定,是工程地震的重要內(nèi)容。地震作用強烈的不確定性,決定了在結構抗震設計中僅僅依靠現(xiàn)有的“計算設計”是遠遠不能滿足要求的,必須輔以必要的概念設計,用以抵抗、消除地震作用的種種不確定性。

1.2 現(xiàn)行設計規(guī)范中的缺陷

《抗震設計規(guī)范》(GB 50011-2001)制定了二階段(彈性階段和塑性階段)的設計方法和三水準(小震不壞、中震可修、大震不倒)的設防目標[2],其先天缺陷在于中、小地震概念不明,大地震缺乏量化計算手段。在現(xiàn)行的結構設計體系下,小震不壞和中震可修可以通過“計算設計”使建筑物具有充足的延性來實現(xiàn);而對于大震,由于缺乏量化計算手段,其不倒的目標只有通過概念設計來實現(xiàn)。歷次地震教訓告訴我們,地震中 90%以上的人員傷亡是由建筑物倒塌造成的。汶川地震后,如何通過工程手段實現(xiàn)真正意義上的“大震不倒”,一直是學術界和工程界研討的熱點和努力的方向[3]。好的概念設計從結構選型開始,就奠定了結構體系明確的受力體系和良好的耗能能力,確保建筑物在遭遇大震時屹立不倒,更好地保護人民群眾的生命財產(chǎn)安全。與“計算設計”加大截面、增多配筋等辦法相比,好的概念設計顯得更加經(jīng)濟、合理,而且效果更加明顯。

此外,我國現(xiàn)行的結構設計理論與計算理論采用以概率理論為基礎的結構極限狀態(tài)設計準則,與過去經(jīng)歷過的經(jīng)驗估算法、容許應力法及破損階段法相比,它更科學、更合理,但也存在一些缺陷或不可計算性,即它對具體空間結構體系整體研究存在一定的局限性,只能視作近似概率法。為了彌補這一缺陷,或者實現(xiàn)對實際存在的大量無法計算的結構構件的設計,就必須用良好的概念設計與結構措施來滿足結構設計的目的。

1.3 設計軟件的開發(fā)和普及

設計軟件的開發(fā)和發(fā)展成熟,把結構工程師從繁瑣的計算中解脫了出來,結構設計從建立模型到出圖、打印,大量的計算開始由計算機承擔,大大提高了結構設計的工作效率和質(zhì)量。與此同時,一種錯誤的觀念也開始產(chǎn)生、蔓延:認為結構設計很簡單,只要遵循規(guī)范、手冊、圖集,等待建筑師給出一個非結構性方案,即可使用計算機在某種設計下完成結構設計了。久而久之,計算機設計軟件的普及客觀上造成了許多設計人員缺乏結構設計的概念、對規(guī)范與軟件之間的缺乏了解,從而無法對計算結果進行判斷。實際上,在計算機取代設計人員完成大量計算后,概念設計已經(jīng)成為設計人員最重要的設計任務,它在整個結構設計中的重要性進一步得到加強,對概念設計的應用水準,也逐漸成為判定一個結構工程師設計水平高低的標準[4]。

2 概念設計的實現(xiàn)

2.1 場地要求

地震對建筑物的破壞作用是通過場地、地基和基礎傳給上部結構體系的。在具有不同工程地質(zhì)條件的場地上,建筑物在地震中的破壞程度是明顯不同的,故對于場地條件的選擇是抗震設計的第一步。一般選擇有利地段、避開不利地段,重要建筑不應建在地震斷裂帶、條狀凸出的山嘴、高聳孤立的山丘等危險地段,同一結構單元不宜設置在性質(zhì)截然不同的地基土上,當?shù)鼗熊涴ば酝?、液化土、新近填土或嚴重不均勻土層時,應加強基礎的整體性和剛度[5]。

2.2 平、立面布置

大量震害事實表明,規(guī)則、簡單、對稱的建筑平、立面布置震害較輕,原因在于規(guī)則、簡單、對稱的結構體系受力明確,荷載傳遞路徑合理,結構體系在地震作用下,始終保持良好的整體性,結構構件在地震作用下共同、協(xié)調(diào)承受地震作用,從而提高建筑物承受地震作用的能力。根據(jù)規(guī)范的要求,平面宜簡單、規(guī)則、對稱、減少偏心,剛度中心與質(zhì)量中心盡量重合;質(zhì)量大的跨間不宜布置在結構單元的邊緣,質(zhì)量大的設備宜布置在距剛度中心較近的部位;盡量少采用大懸挑結構;圍護結構宜采用輕質(zhì)材料[6]、[7]。

2.3 多道抗震防線

“89規(guī)范”第一次提出了多道抗震防線的抗震設計要求,所謂多道抗震防線即指結構體系是由若干個延性較好的分體系組成,并由延性好的連接構件連接起來協(xié)同工作[8]。具有多道抗震防線的結構體系具有最大可能數(shù)量的內(nèi)部、外部贅余度和耗散大量地震能量的能力,在遭受罕遇地震時第一道防線可能遭受破壞,部分結構退出工作(如框架結構的填充墻、磚混結構的磚砌體等),多道抗震防線將會避免因部分構件破壞而導致結構體系喪失抗震能力和承受荷載的能力,從而實現(xiàn)“大震不倒”的設防目標。

2.4 構件之間的連接

結構構件之間連接的可靠性必須得到保證,結構體系的整體性和穩(wěn)定性才能得到保障。例如:按照規(guī)范要求,砌體結構中的預制空心板應與圈梁或樓面大梁可靠拉結,否則在地震作用下樓面板極易脫落,造成結構局部或整體倒塌[9]。

3 結 論

(1)在現(xiàn)有的技術條件下,地震及地面運動高度的不確定性還難以精確地量化計算;結構抗震規(guī)范所采用計算理論本身也還有缺陷,尚不能充分反映地震時結構反應及破壞的復雜過程。上述原因決定了概念設計仍然是建筑抗震設計的重要內(nèi)容,且隨著計算機設計軟件的開發(fā)和普及,其重要性得到了進一步加強,只有建立在正確的“概念設計”的基礎上并輔以必要的抗震計算而完成的抗震設計,才能使結構物具有較可靠的抗震性能。

(2)嚴格按照規(guī)范要求進行場地選擇和進行平立面布置,在設置多道防線的同時,保證構件之間可靠的連接,是結構抗震概念設計的基本原則,也是實現(xiàn)規(guī)范“三水準”抗震設防目標的重要途徑和方法。

[1]尚守平,周福霖.結構抗震設計[M].北京:高等教育出版社,2003

[2]戴國榮,王亞勇.房屋建筑抗震設計[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005

[3]Hongpei Li,Hongling Sun,Peng Zhang.Analysis on Seismic Damagesof the School Buildings in the Wenchuan Earthquake and Seismic Isolation Design Recommendation in the Important Buildings Reconstruction[C].Wenhao Liang,Qiao Li,Bo Gao.Proceedings of International Conference on Earthquake Engineering.2009

[4]陳剛.建筑結構設計中的概念設計與結構措施[J].廣西大學學報(自然科學版),2007,32(增刊)299-301

[5]樊永華.概念設計在結構設計中的應用[J].陜西建筑,2008,34(12):84-85

[6]吳曉春.結構設計中的概念設計用[J].山西建筑,2006,32(15):60-61

[7]GB 50011-2001建筑抗震設計規(guī)范(2008年版)[S]

[8]馮漢颋.概念設計在抗震設計中的應用[J].淮南師范學院學報,2002,15(14):23-24

[9]王亞勇.地震建筑震害啟示 -抗震概念設計[J].建筑結構學報,2008,29(4):26-33