混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計初探

王超

摘要：本文主要闡述了抗震概念設(shè)計及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的概念，分析鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基本抗震體系性能，并探討了提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能措施。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土建筑；抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計；初探

抗震設(shè)計中必須滿足強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點、強(qiáng)底層柱底等延性設(shè)計原則以及有關(guān)規(guī)定。砌體結(jié)構(gòu)自重大、強(qiáng)度較低，抗震性能差；鋼結(jié)構(gòu)易連接破壞、側(cè)向剛度小以及耐火性差；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于其自身優(yōu)勢，目前城市中正在建設(shè)以及擬建多層、高層建筑物大都是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。地震是一種自然現(xiàn)象，為避免它造成生命以及財產(chǎn)損失，作為結(jié)構(gòu)工程師必須該依據(jù)《規(guī)范》對混凝土結(jié)構(gòu)建筑抗震設(shè)計在給定抗震設(shè)防烈度下合理地確定結(jié)構(gòu)選型、布置、各構(gòu)件截面乃至構(gòu)件之間聯(lián)系，使建筑結(jié)構(gòu)在經(jīng)濟(jì)條件下應(yīng)該足夠強(qiáng)度、剛度以及延性。

1 建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計

結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計是依據(jù)地震災(zāi)害以及工程經(jīng)驗等提煉出設(shè)計原則以及設(shè)計思路，進(jìn)行構(gòu)筑物以及結(jié)構(gòu)體系的總體布置，確定建筑物各細(xì)部構(gòu)造的抗震設(shè)計過程。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計必須遵循正確抗震概念設(shè)計思路，滿足基本抗震概念設(shè)計技術(shù)要求，以此為基本基準(zhǔn)進(jìn)行必要抗震計算。概念設(shè)計是抗震計算前提以及數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，它與抗震計算相比更應(yīng)該決定性意義。

1.1抗震概念設(shè)計要領(lǐng)

建筑結(jié)構(gòu)體講究簡單、規(guī)則、對稱、剛度變化均勻，抗震結(jié)構(gòu)體系必須符合要求，計算簡圖必須明確以及合理地震傳遞作用的途徑；抗震結(jié)構(gòu)布置必須避免部分結(jié)構(gòu)、構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)喪失其抗震能力和承載能力；抗震結(jié)構(gòu)必須具備必要抗震承載力，即抗剪、抗壓、抗彎、抗扭等作用能力，以及較好變形能力即延展性能、通過延性及阻尼來消耗地震能量等作用；對于抗震結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位必須采取有效措施進(jìn)行加強(qiáng)；應(yīng)該設(shè)置多道抗震防線；抗震結(jié)構(gòu)平面上兩個主軸方向受力相近；應(yīng)該合理分布剛度以及強(qiáng)度，避免局部削弱產(chǎn)生薄弱部位，產(chǎn)生過大應(yīng)力集中和塑形變形集中，抗震結(jié)構(gòu)各類構(gòu)件之間必須應(yīng)該可靠連接，抗震結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)必須能保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件包括維護(hù)墻、隔墻、填充墻都要合理設(shè)置。

1.2抗震技術(shù)設(shè)計

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》2010版本（下稱《規(guī)范》）中對于平面和豎向不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)，在計算模型都有特別要求必須采用空間結(jié)構(gòu)計算模型，產(chǎn)生了大量計算工作，提高了計算難度。而且雖說計算模型、方法、手段增多了，但是并不能保證抗震計算結(jié)果就是準(zhǔn)確，主要是真實地震情況比較復(fù)雜，產(chǎn)生破壞作用偶然性比較大，雖然是空間計算模型但是也是模型，而不是真實的結(jié)構(gòu)體必然存在較大差異性，造成建筑結(jié)構(gòu)體安全度很難控制。所以，抗震設(shè)計時必須盡量避免采用不規(guī)則設(shè)計方案。設(shè)置防震縫能解決這些建筑結(jié)構(gòu)，由于復(fù)雜變形而避免碰撞的好方法。但對于高層，特別是超高層建筑多選用合理建筑結(jié)構(gòu)方案，而不設(shè)抗震縫，同時可以采用合適計算方法以及有效技術(shù)措施，可消除不設(shè)抗震縫帶來反面影響。強(qiáng)調(diào)強(qiáng)剪弱彎，必須改變傳統(tǒng)做法即箍筋只有I級鋼筋，可以用Ⅱ、Ⅲ級鋼箍；混凝土要求強(qiáng)度越高，其脆性就越大，其抗震性能 越低，因此，對混凝土強(qiáng)度等級選擇是否越高越好，正確選擇科學(xué)設(shè)計方法是非常必要的。

1.3設(shè)計關(guān)鍵問題

1.3.1 結(jié)構(gòu)層間屈服強(qiáng)度弱

在高層建筑過程中框架結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為較為普遍的存在，然而在整體設(shè)計中鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)存在不均勻性，這些結(jié)構(gòu)存在著層間屈服強(qiáng)度非常薄弱。在強(qiáng)烈地震作用下，抗震結(jié)構(gòu)薄弱層率先屈服，彈塑性變形急劇發(fā)展，并產(chǎn)生彈塑性變形集中現(xiàn)象。

1.3.2 柱端與節(jié)點破壞嚴(yán)重

混凝土框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件地震災(zāi)害往往是柱重梁輕，柱頂重于柱底，特別是角柱以及邊柱最易發(fā)生破壞現(xiàn)象。除剪跨比較小的短柱易發(fā)生柱中剪切破壞之外，往往柱的破壞產(chǎn)生柱端彎曲破壞最多，輕者產(chǎn)生水平和側(cè)向斷裂；重者混凝土被壓酥，主筋外露、壓屈以及箍筋脫落。如混凝土構(gòu)件節(jié)點核芯部位無箍筋約束時，節(jié)點與柱端破壞加倍。如柱側(cè)有強(qiáng)度高砌體填充墻緊密嵌砌時，柱頂剪切破壞嚴(yán)重，破壞部位可能轉(zhuǎn)移至窗洞處，甚至出現(xiàn)短柱剪切破壞。

1.3.3 砌體填充墻破壞嚴(yán)重

砌體填充墻剛度較大，其形變能力低，承受地震作用力低，遭受破壞，在8度以及以上地震作用力下，填充墻裂縫明顯破壞和加重，甚至部分墻體倒塌，地震危害規(guī)律往往是上輕下重，空心砌體墻重于實心砌體墻，砌塊墻重于磚墻。

2 混凝土結(jié)構(gòu)基本抗震體系性能

混凝土框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)以及框架剪力墻結(jié)構(gòu)是鋼筋混凝土建筑最為常用三大基本結(jié)構(gòu)體系。其性能分析有表現(xiàn)如下：

2.1 框架結(jié)構(gòu)

通過合理設(shè)計框架結(jié)構(gòu)體系，把建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)置成延性框架。延性框架在大地震作用下，通過先產(chǎn)生在梁鉸、后產(chǎn)生在柱鉸，這樣一種耗能機(jī)構(gòu)消耗大量地震能量，同時該結(jié)構(gòu)能夠承受較大側(cè)向形變能量。純框架結(jié)構(gòu)是一種抗震性能非常好的結(jié)構(gòu)體系，但是同時也能分析出純框架是一種抗震剛度較小，造成側(cè)移值比較大，因此，建筑高度不宜建造的太高。

2.2 剪力墻結(jié)構(gòu)

剪力墻結(jié)構(gòu)承載力大其剛度也很大，但側(cè)移形變能力較小，因此，它使用范圍可比純框架結(jié)構(gòu)更高。但是，剪力墻中不論是墻肢還是連梁，它截面特點是短而高，這類構(gòu)件對剪切變形相當(dāng)敏感，容易出現(xiàn)裂縫，容易出現(xiàn)脆性剪切破壞，因此需進(jìn)行精心合理設(shè)計，才能夠使剪力墻應(yīng)該良好抗震性能以及良好延性能力。

2.3 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)

把框架以及剪力墻結(jié)合在一起共同抵抗豎向荷載以及水平荷載一種體系，它利用剪力墻高抗側(cè)力剛度以及承載力，彌補(bǔ)框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度差，變形較大弱點。由于剪力墻與框架協(xié)同工作，改善了純框架以及純剪力墻變形性能。層間變形上下趨于均勻，框架各層柱受力也比較均勻。另外，在地震作用下，剪力墻承擔(dān)了大部分剪力，框架只承擔(dān)很小一部分剪力，通常都是剪力墻先屈服，剪力墻屈服后將產(chǎn)生內(nèi)力重分配，框架分配剪力將會增大，如果地震作用繼續(xù)增大，框架結(jié)構(gòu)也會屈服，使之產(chǎn)生曲線分布吻合最好。

3 提高混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能

根據(jù)當(dāng)前震害經(jīng)驗以及理論認(rèn)識，良好抗震設(shè)計必須盡可能地考慮下述原則：場地選擇，場地選擇原則是避開可能發(fā)生地基失效松軟場地，選擇堅硬場地。體形均勻規(guī)整，無論是在平面和立面上，結(jié)構(gòu)布置都要力求使幾何尺寸、質(zhì)量、剛度、延性等均勻、對稱、規(guī)整，避免突然變化。提高結(jié)構(gòu)以及構(gòu)件強(qiáng)度以及延性，結(jié)構(gòu)物振動破壞來自地震動引起結(jié)構(gòu)振動，因此抗震設(shè)計要力圖使從地基傳人結(jié)構(gòu)振動能量為最小，并使結(jié)構(gòu)物應(yīng)該適當(dāng)強(qiáng)度、剮度以及延性，以防止不能容忍破壞。在不增加重量、不改變剛度前提下，提高總體強(qiáng)度以及延性是兩個有效抗震途徑。多道抗震防線，使結(jié)構(gòu)應(yīng)該多道支撐以及抗水平力體系，則在強(qiáng)地震作用下，建設(shè)工程一道防線破壞后尚有第二道防線可以支撐結(jié)構(gòu)，避免倒塌。防止脆性與失穩(wěn)破壞，增加延性，脆性與失穩(wěn)破壞常常導(dǎo)致倒塌，故必須防止。這種破壞常見于設(shè)計不良細(xì)部構(gòu)造。

4 結(jié)束語

人類在社會發(fā)展過程中遇到一種可怕、不可抗力自然災(zāi)害就是地震。強(qiáng)烈地震往往是突發(fā)性以及巨大破壞力給社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人類生存安全、社會穩(wěn)定、社會功能帶來非常嚴(yán)重危害。使工程建筑達(dá)到減輕和避免地震災(zāi)害目，抗震設(shè)計是減輕地震災(zāi)害主要措施。這樣可以減少不可抗力自然災(zāi)害對整人類社會造成損失。

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