有關(guān)建筑抗震性的結(jié)構(gòu)設(shè)計淺議

任慧志

【摘要】隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，公共建筑的安全越來越受人關(guān)注，文章建筑結(jié)構(gòu)形式出發(fā)，闡述建筑抗震性的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】建筑抗震性；結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.引言

造成建筑物震害的原因是多方面的，結(jié)構(gòu)工程抗震問題不能完全依賴“計算設(shè)計”解決，應(yīng)立足于工程抗震基本理論，靈活運用抗震設(shè)計準(zhǔn)則，全面合理地解決結(jié)構(gòu)設(shè)計中的基本問題。丈章論述了結(jié)構(gòu)抗震結(jié)構(gòu)形式、建筑的震害特征和建筑優(yōu)化設(shè)計三個方面對整個結(jié)構(gòu)抗震性能的影響及相關(guān)措施。

2.建筑結(jié)構(gòu)形式

2.1磚木結(jié)構(gòu)

由于經(jīng)濟條件的限制和材料供應(yīng)等方面的限制，磚木結(jié)構(gòu)形式的學(xué)校建筑主要集中于我國偏遠地區(qū)。這種形式的建筑是以砌體和木材為主要材料，縱、橫墻為主要的承重構(gòu)件，均由砌體砌筑而成，屋蓋為析架形式的三角形木屋架與承重墻體相連，并且能夠傳遞水平地震作用，凜條一端放置于山墻上，另一端與木屋架相連，如圖2.1所示。這種結(jié)構(gòu)形式的建筑建造時間比較久遠，多集中于上世紀(jì)六十年代以前，特點是建造簡單，取材容易，費用較低，但其防潮、防火及抗震性能比較差。

2.2砌體結(jié)構(gòu)

砌體結(jié)構(gòu)主要是以磚、石等材料通過砂漿的粘結(jié)作用砌筑而成的結(jié)構(gòu)，由于其組成的基本材料和連接方式，決定了它的脆性性質(zhì)（抗剪強度低，延性較差），加之砌體結(jié)構(gòu)以墻體為承重構(gòu)件，其側(cè)向剛度往往較大，結(jié)構(gòu)自振周期小，故產(chǎn)生的地震作用也較大，從而使其遭受地震時破壞較重，抗震性能很差。在國內(nèi)外歷次強震作用下，砌體結(jié)構(gòu)的建筑破壞率非常高：1923年日本關(guān)東大地震中，砌體房屋破壞率為80%一90%；1948年蘇聯(lián)阿什巴哈地震中，砌體房屋破壞率為70%一80%；1976年唐山大地震中，砌體房屋破壞率為70%一90%；2008年漢川大地震砌體房屋的破壞率也高達70%。因此在對多層砌體結(jié)構(gòu)進行抗震設(shè)計時，需要采用構(gòu)造柱、圈梁及其它拉結(jié)等構(gòu)造措施以提高其延性和抗倒塌能力。砌體建筑一般采用單跨外帶懸挑走廊的結(jié)構(gòu)形式。由于采光、通風(fēng)及空間等方面的要求，這類建筑在設(shè)計過程中過度追求大開間、大門洞、甚至通窗等效果，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)橫墻間距大，縱墻上窗戶開洞面積較大，對墻體剛度削弱較多，則抗震性能也就越差。

2.3框架結(jié)構(gòu)

框架結(jié)構(gòu)也是建筑普遍采用的一種結(jié)構(gòu)形式，與砌體結(jié)構(gòu)類似一般采用單跨外帶懸挑走廊的結(jié)構(gòu)形式，也有些框架結(jié)構(gòu)為了增加結(jié)構(gòu)的冗余度而在走廊一側(cè)增加一排框架柱使其成為兩跨框架結(jié)構(gòu)，或者在結(jié)構(gòu)兩側(cè)走廊各增加一排框架柱使其成為三跨框架結(jié)構(gòu)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)屬于柔性結(jié)構(gòu)，單跨框架的側(cè)向剛度就更加的小，在強烈地震作用下，結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的水平位移較大，容易造成非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞，在框架節(jié)點處應(yīng)力集中現(xiàn)象顯著，容易造成節(jié)點區(qū)域的破壞。

3. 建筑的震害特征

3.1磚木結(jié)構(gòu)震害特征

由于木屋架支撐處沒有均勻傳力的墊塊和緊固措施，地震作用下木屋架上的慣性力不能有效地傳遞至磚墻上，木屋架缺乏有效約束，構(gòu)件體系的整體性差，導(dǎo)致木屋架整體坍塌。屋面瓦在屋架上的固定不足，導(dǎo)致地震作用下瓦片紛紛散落。

墻體開裂有：門窗洞口處、窗間墻處、縱橫墻交叉處的裂縫。門窗洞口處及窗墻處的墻體裂縫主要由于整個結(jié)構(gòu)剛度分布不均勻，加之這些部位墻體的剛度較大，所以地震作用也相對較大，導(dǎo)致出現(xiàn)X形裂縫?？v、橫墻交叉處的裂縫是由于外墻轉(zhuǎn)角處和內(nèi)外墻結(jié)合部位咬合不牢，更沒有拉結(jié)鋼筋，加之砌體的延性、抗剪、抗拉強度均較低，所以這些部位兩側(cè)墻體接搓處容易形成上下貫通的裂縫。

3.2墻體出現(xiàn)x形裂縫

墻體出現(xiàn)貫穿的斜裂縫，在地震作用下，由于墻體上的主拉應(yīng)力超過砌體強度引起剪切破壞，從而出現(xiàn)貫穿墻體的斜裂縫，這種震害現(xiàn)象比較常見。

墻體出現(xiàn)x形裂縫，由于靠近走廊一側(cè)的的縱墻上即開門又開窗，該側(cè)墻體的剛度及承載力小于另外一側(cè)，所以X形裂縫主要出現(xiàn)在該側(cè)的縱墻上，多集中于門洞之間，窗間墻和窗下縱墻，X裂縫產(chǎn)生的原因和斜裂縫相同，出現(xiàn)X形裂縫的墻體往往是砂漿被震松，墻體被壓酥，并且喪失承載力。

墻體出現(xiàn)水平裂縫，水平裂縫產(chǎn)生的原因是：豎向地震作用導(dǎo)致砂漿受拉，并且超過其抗拉強度，或者水平地震作用下砂漿受剪，最終超過其抗剪強度而破壞。這種震害現(xiàn)象一般出現(xiàn)在樓蓋、屋蓋梁板附近的墻體上下，墻體沿灰縫出現(xiàn)貫通的水平裂縫后引起樓蓋、屋蓋的滑移和錯位，嚴(yán)重時會導(dǎo)致預(yù)制板脫落。

縱橫墻體平面外失穩(wěn)倒塌，外縱墻與橫墻之間接搓處沒有設(shè)置構(gòu)造柱或拉結(jié)鋼筋，導(dǎo)致墻體失穩(wěn)倒塌。

4. 基于功能的含屈曲約束支撐的建筑框架結(jié)構(gòu)一體化優(yōu)化設(shè)計

4.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計概述

優(yōu)化方法的出現(xiàn)，可以追溯到牛頓、拉格朗日和柯西時代。到了20世紀(jì)60年代，優(yōu)化問題發(fā)展并形成為一門新興的基礎(chǔ)學(xué)科。而結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是計算力學(xué)的一個分支，它致力于研究改進結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法，來幫助工程結(jié)構(gòu)設(shè)計人員設(shè)計出既經(jīng)濟又可靠的工程結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計有三個要素：設(shè)計變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件。設(shè)計變量：設(shè)計變量是設(shè)計中可以獨立改變的參數(shù)，不同的設(shè)計變量取值對應(yīng)不同的設(shè)計方案。對應(yīng)于最優(yōu)設(shè)計方案的設(shè)計變量取值稱之為最優(yōu)點或最優(yōu)解。與最優(yōu)點相對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值稱為最優(yōu)值。約束條件：又稱為狀態(tài)變量，是求目標(biāo)函數(shù)極值時的某些限制條件，簡稱約束。約束條件越接近實際系統(tǒng)，所求得最優(yōu)化問題的解越接近于實際情況的最優(yōu)解。目標(biāo)函數(shù)：目標(biāo)函數(shù)是評價設(shè)計方案優(yōu)劣的數(shù)學(xué)表達式，它的建立對能否得到理想的方案非常關(guān)鍵。使目標(biāo)函數(shù)極大或者極小，就是使問題的性能指標(biāo)為最優(yōu)。

4.2強震作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)分析

為了準(zhǔn)確地模擬結(jié)構(gòu)在強烈地震動作用下的響應(yīng)過程，本文采用空間有限元動力計算模型，用SAP20OO軟件的線單元中的框架單元將整個框架結(jié)構(gòu)離散。該框架單元使用一般的三維梁一柱公式，包括雙軸彎曲、扭轉(zhuǎn)、軸向變形、雙軸剪切變形等效應(yīng)，能準(zhǔn)確地模擬實際的工程結(jié)構(gòu)?？蚣芙孛嬖赟APZO00中可以很方便的定義，如參數(shù)形式的直接定義，型鋼庫的調(diào)用或者直接指定常數(shù)。每個框架單元由兩個節(jié)點控制其幾何位置，每個節(jié)點具有六個自由度（3個平動自由度和3個轉(zhuǎn)動自由度）。動力分析中，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量用來計算慣性力，框架單元所貢獻的質(zhì)量集中在兩個節(jié)點上。屈曲約束支撐采用SAPZ000有限元軟件中的Wen塑形單元來模擬。

4.3一體化動力優(yōu)化設(shè)計的計算模型與優(yōu)化方法

在大震作用下，對于含屈曲約束支撐的單跨框架結(jié)構(gòu)，在不超過規(guī)范的前提下，希望其層間位移角盡量小，同時希望結(jié)構(gòu)和屈曲耗能支撐的造價盡量低。也就是說，要使兩個相互矛盾的要求同時滿足，一般的設(shè)計方法很難辦到。屈曲耗能支撐的體積和框架結(jié)構(gòu)梁柱尺寸一體化動力優(yōu)化設(shè)計可以同時滿足上述兩個設(shè)計要求。

優(yōu)化選用的是序列二次規(guī)劃算法。該種算法比較適用于優(yōu)化問題不是很大、函數(shù)和梯度能夠用較高的精讀來評估的優(yōu)化問題，其特點是用來解決帶有約束的非線性數(shù)學(xué)規(guī)劃問題，并假設(shè)目標(biāo)函數(shù)和約束條件是連續(xù)可微的?；舅枷胧菍⒛繕?biāo)函數(shù)以二階拉氏方程展開，并把約束條件線性化，使得轉(zhuǎn)化為一個二次規(guī)劃問題。二階方程通過quasi-Newton公式得到了改進，而且加入了直線搜索提高算法的穩(wěn)定性。

結(jié) 論

本文主要研究了中小學(xué)建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，內(nèi)容主要分為三部分：一是典型的單跨建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能的研究；二是幾種不同的建筑結(jié)構(gòu)體系的抗震性能的研究對比；三是對含有屈曲約束支撐的中小學(xué)框架結(jié)構(gòu)進行了一體化動力優(yōu)化設(shè)計。

參考文獻

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