淺談民建中抗震設(shè)計(jì)的幾種方法

胡曉雷

1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

地震荷載作用下多自由度結(jié)構(gòu)的動(dòng)力平衡方程:

其中,M,C,K分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣;ug(t)為地震荷載;B為權(quán)矩陣。

若反應(yīng)結(jié)構(gòu)本身特征的變量為S,則結(jié)構(gòu)的模態(tài)矩陣 M,C,K可分別表示為變量S的函數(shù)M(S),C(S),K(S)。變量S的變化,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)模態(tài)矩陣改變,引起結(jié)構(gòu)狀態(tài)反應(yīng)量{y(t),y(t)}變化,因此結(jié)構(gòu)的狀態(tài)反應(yīng)量是變量S的函數(shù),將式(1)改寫成狀態(tài)方程:

式(2)更為一般式:

其中,Z(t,S)為狀態(tài)變量;w(t)為外荷載變量;φ(s)為模態(tài)變量。

從狀態(tài)方程(3)出發(fā),可發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)有兩類途徑:一種是對(duì)外荷載實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)跟蹤和預(yù)測(cè),并通過(guò)作動(dòng)器對(duì)結(jié)構(gòu)施加控制力來(lái)改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性,這就是通常所說(shuō)的主動(dòng)控制方法;另一種是通過(guò)改善結(jié)構(gòu)本身的特征,實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)變量的控制或優(yōu)化,改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。

1)主動(dòng)控制的抗震效果較好,但由于需要通過(guò)外部作動(dòng)器向結(jié)構(gòu)輸入控制能量,因此經(jīng)濟(jì)費(fèi)用高。2)傳統(tǒng)方法通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)力計(jì)算分析,在結(jié)構(gòu)易被破壞、地震反應(yīng)強(qiáng)烈的薄弱部分,進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸的加大、加厚或選取合適的高強(qiáng)度材料,滿足結(jié)構(gòu)局部的抗震安全要求,實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)計(jì)。這種方法簡(jiǎn)單易行,但整體抗震的全局性效果不好,經(jīng)濟(jì)性差。3)基礎(chǔ)隔震與被動(dòng)控制設(shè)計(jì)均利用附屬結(jié)構(gòu)或設(shè)備,以此改變結(jié)構(gòu)的整體模態(tài),特別是模態(tài)阻尼,實(shí)現(xiàn)主結(jié)構(gòu)的抗震效果。由于基礎(chǔ)隔震與被動(dòng)控制設(shè)計(jì)不需要外部能源,比較易于在工程上實(shí)現(xiàn),因此理論研究與工程應(yīng)用較為廣泛。但由于采用附屬結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)隔震與被動(dòng)控制技術(shù),它是在原主體功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后,需對(duì)其某種動(dòng)力反應(yīng)加以限制時(shí)而設(shè)計(jì)附屬控制結(jié)構(gòu)的,沒(méi)有將結(jié)構(gòu)的功能體系與控制體系作為一個(gè)整體進(jìn)行一體化設(shè)計(jì),因此在工程應(yīng)用上有局限性。4)基于分災(zāi)模式的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)是將結(jié)構(gòu)體系分為主要功能部分和分災(zāi)功能部分,并對(duì)其進(jìn)行一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)的基于分災(zāi)模式的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法,極大地發(fā)展了結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想。它與被動(dòng)控制設(shè)計(jì)是有區(qū)別的,從設(shè)計(jì)過(guò)程看:被動(dòng)控制設(shè)計(jì)中的附屬子結(jié)構(gòu)是在主體結(jié)構(gòu)完成后設(shè)計(jì)的,而基于分災(zāi)模式的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的分災(zāi)功能部分是與主體功能部分同時(shí)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)的,因此在工程應(yīng)用上更為廣泛;從完成功能上看:被動(dòng)控制設(shè)計(jì)中的附屬子結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)的正常使用功能不發(fā)揮作用,只在地震發(fā)生時(shí)發(fā)揮抗震功能,而基于分災(zāi)模式的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的分災(zāi)功能部分是與主要功能部分共同發(fā)揮作用來(lái)保證結(jié)構(gòu)的正常使用功能的,且當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí),分災(zāi)功能部分發(fā)揮抗震功能。5)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)不需要外部能源、無(wú)須附加子結(jié)構(gòu)、不改變結(jié)構(gòu)的整體性,充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)自身的潛能,在保證結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)適用的同時(shí),通過(guò)拓?fù)湫问?、局部尺寸和形狀等特征量的變?達(dá)到改變結(jié)構(gòu)的模態(tài)矩陣、實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)抗震的目的。

2 抗震概念設(shè)計(jì)

抗震概念設(shè)計(jì)的一般原則需要強(qiáng)調(diào)的是設(shè)計(jì)不能陷入只憑計(jì)算的誤區(qū),若結(jié)構(gòu)嚴(yán)重不規(guī)則,整體性差,僅按目前的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算水平,是難以保證結(jié)構(gòu)的抗震、抗風(fēng)性能的,尤其是抗震性能。出于現(xiàn)代都市地域狹小,民用住房緊缺的現(xiàn)狀,目前的民用住宅偏向于高層混凝土結(jié)構(gòu),而關(guān)于高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的一般原則和具體內(nèi)容,JGJ 3-2002高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程有關(guān)章節(jié)作了規(guī)定。1)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性,是指結(jié)構(gòu)在地震作用下具有直接和明確的傳力途徑。只有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,才能夠?qū)Y(jié)構(gòu)的計(jì)算模型、內(nèi)力與位移進(jìn)行分析,限制薄弱部位的出現(xiàn)易于把握,因而對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的估計(jì)也比較可靠。2)結(jié)構(gòu)的規(guī)則性和均勻性。建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求:“建筑及其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面布置宜規(guī)則、對(duì)稱,并應(yīng)具有良好的整體性;建筑的立面和豎向剖面布置宜規(guī)則,結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度宜均勻變化,豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和材料強(qiáng)度宜自下而上逐漸減小,避免抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載力突變?！?)結(jié)構(gòu)的剛度和抗震能力。水平地震作用是雙向的,結(jié)構(gòu)布置應(yīng)使結(jié)構(gòu)能抵抗任意方向的地震作用。結(jié)構(gòu)剛度的選擇既要減少地震作用效應(yīng),又要注意控制結(jié)構(gòu)變形的增大,過(guò)大的變形會(huì)產(chǎn)生重力二階效應(yīng),導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞、失穩(wěn)。結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的抗扭剛度和抵抗扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的能力,現(xiàn)有的抗震設(shè)計(jì)計(jì)算中不考慮地震地面運(yùn)動(dòng)的扭轉(zhuǎn)分量,在抗震概念設(shè)計(jì)中應(yīng)注意提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度和抵抗扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的能力。4)結(jié)構(gòu)的整體性。在高層建筑結(jié)構(gòu)中,樓蓋對(duì)于結(jié)構(gòu)的整體性起到非常重要的作用,樓蓋相當(dāng)于水平隔板,它不僅聚集和傳遞慣性力到各個(gè)豎向抗側(cè)力子結(jié)構(gòu),而且要求這些子結(jié)構(gòu)能協(xié)同承受地震作用,特別是當(dāng)豎向抗側(cè)力子結(jié)構(gòu)布置不均勻或布置復(fù)雜或抗側(cè)力子結(jié)構(gòu)水平變形特征不同時(shí),整個(gè)結(jié)構(gòu)就要依靠樓蓋使抗側(cè)力子結(jié)構(gòu)能協(xié)同工作。

3 幾種常用的構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

1)框架梁的塑性鉸外移傳統(tǒng)鋼筋混凝土框架梁的塑性鉸出現(xiàn)在始于柱面的梁端。將塑性鉸從柱面移開一定距離,可以避免梁端鋼筋屈服,從而不僅可以避免鋼筋屈服后向節(jié)點(diǎn)核心區(qū)發(fā)展,引起粘結(jié)破壞,還能改善核心區(qū)的性能。2)高強(qiáng)混凝土柱的主要優(yōu)點(diǎn)有:抗壓強(qiáng)度高,柱截面小,增加使用面積,梁截面小,降低受彎構(gòu)件高度,從而降低層面;減輕結(jié)構(gòu)自重,減小基礎(chǔ)負(fù)擔(dān);彈性模量大,提高結(jié)構(gòu)剛度,減小軸向變形;密實(shí)性好,抗凍、抗?jié)B性能好,耐久性優(yōu)于普通強(qiáng)度混凝土。3)鋼管高強(qiáng)混凝土柱將高強(qiáng)混凝土填充在圓形鋼管內(nèi),成為鋼管高強(qiáng)混凝土柱,是充分發(fā)揮高強(qiáng)混凝土的優(yōu)勢(shì),克服其不足的最好方法。4)對(duì)于高層住宅項(xiàng)目,角窗的設(shè)置對(duì)結(jié)構(gòu)平面的抗扭剛度有較大影響,由于剪力墻端部缺少約束,其空間作用的效應(yīng)大大降低,對(duì)平面整體剛度的貢獻(xiàn)也要下降,因此為滿足規(guī)范對(duì)最大位移與平均位移的比值限值要求,就不得不加大墻體的厚度,從而增加混凝土的用量。通過(guò)大量的分析比較,即使加大墻體的厚度,也很難有效的提高建筑的抗扭剛度,在這種情況下,如果減少角窗的設(shè)置,或增設(shè)端柱,則可以有效提高結(jié)構(gòu)整體抗扭性能。5)高寬比的大小對(duì)整體結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的影響很大。因此,在建筑方案設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)適當(dāng)增加平面寬度,降低高寬比,在平面布置中設(shè)置一定數(shù)量的通長(zhǎng)墻體,提高墻體的抗側(cè)剛度。6)在高層住宅設(shè)計(jì)中,盡量避免采用整個(gè)樓層的轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)語(yǔ)

從目前的情況看,我國(guó)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法的理論研究多,實(shí)驗(yàn)研究少,工程應(yīng)用更少;雖然主動(dòng)控制系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)性和抗震效果,但由于土木結(jié)構(gòu)本身的質(zhì)量巨大,地震輸入的能量也十分巨大,所以要達(dá)到抗震效果,將需要很大的外部控制能源輸入,這在當(dāng)前還難以實(shí)現(xiàn);對(duì)于被動(dòng)控制系統(tǒng),要求比主體結(jié)構(gòu)具有更高的可靠性,從而使得整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的經(jīng)濟(jì)造價(jià)上升。因此,較有發(fā)展前景的抗震設(shè)計(jì)方法有基于控制方法的結(jié)構(gòu)混合控制與半主動(dòng)控制、基于優(yōu)化方法的結(jié)構(gòu)體型抗震優(yōu)化與結(jié)構(gòu)拓?fù)淇拐饍?yōu)化(其中具有代表性的是基于分災(zāi)模式的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法)。研究的重點(diǎn)則應(yīng)該集中在關(guān)于各種具體抗震設(shè)計(jì)方法的可行性、穩(wěn)定性、有效性、可靠性及經(jīng)濟(jì)性的理論論證與評(píng)價(jià)準(zhǔn)則;強(qiáng)震作用下,結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)規(guī)律的研究;關(guān)于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的控制指標(biāo)和優(yōu)化目標(biāo)的研究;針對(duì)具體抗震設(shè)計(jì)方法,大尺寸的模型實(shí)驗(yàn)與實(shí)際結(jié)構(gòu)抗震效果的研究;各種造價(jià)低、穩(wěn)定可靠且施工方便的抗震控制裝置的研究開發(fā)與推廣應(yīng)用;考慮地震隨機(jī)性的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法的研究。

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