鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

余 迪/新疆有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司

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鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

余 迪/新疆有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司

【摘 要】地震是嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，對(duì)建筑的破壞十分巨大，威脅著我們的生命、財(cái)產(chǎn)安全，因此人們對(duì)于建筑物的抗震性格外的關(guān)注。在鋼筋混凝土框架技術(shù)日趨成熟的今天，在高層建筑與大型建筑中應(yīng)用廣泛，框架結(jié)構(gòu)的抗震性能研究成為了建筑設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的重要問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】鋼筋混凝土；框架；抗震性

地震是人類(lèi)很難預(yù)測(cè)與預(yù)防的自然災(zāi)害，而造成地震中傷亡人數(shù)巨大的一個(gè)重要原因是房屋的抗震性不好。隨著建筑行業(yè)的發(fā)展與科技的進(jìn)步，高層建筑已經(jīng)成為了城市的主流建筑，而地震帶來(lái)的威脅變得尤為突出，地震對(duì)人身財(cái)產(chǎn)安全造成的危害、后果不堪設(shè)想。因此，加強(qiáng)建筑物的抗震設(shè)計(jì)是我們需要持續(xù)努力的方向，尤其是我國(guó)城市最多見(jiàn)的鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)，需要在已有建筑升級(jí)改造與新建筑設(shè)計(jì)上多下功夫。

一、鋼筋混凝土房屋的抗震特點(diǎn)

鋼筋混凝土高層建筑在力學(xué)控制上主要以豎向荷載為主，層數(shù)越多，水平荷載對(duì)于高層建筑穩(wěn)定的影響越大。自從我國(guó)1976年發(fā)生的唐山大地震之后，京津唐地區(qū)在對(duì)于高層建筑防震設(shè)計(jì)上引起了足夠的重視，并制定與出臺(tái)了《鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)定》。至2002年又出臺(tái)了《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，相對(duì)之前的抗震設(shè)計(jì)要求規(guī)范要提高了很多。

鋼筋混凝土建筑層建筑的抗震設(shè)計(jì)特點(diǎn)：一是由于水平荷載的影響要比豎向荷加得快。地震引起的內(nèi)力隨高度按線(xiàn)性比例增加，水平荷載越往上荷載越大。而由它們所引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力則與高度的平方成正比。二是任何材料在承受壓力時(shí)，可以利用材料的強(qiáng)度使其變彎，不可能全部發(fā)揮材料承受壓力的潛力，構(gòu)件軸心受力比偏心受力或受彎更為合理，并且建筑層數(shù)越多，彎剪內(nèi)力越大，結(jié)構(gòu)的材料性能越難以充分發(fā)揮承重潛力。三是當(dāng)建筑物高度越高，地震荷載對(duì)結(jié)構(gòu)起的作用將愈來(lái)愈大。除了結(jié)構(gòu)內(nèi)力將明顯加大外，結(jié)構(gòu)側(cè)向位移速度更快。由此可見(jiàn)，建筑抗震特性與高度有直接的關(guān)系，在荷載、彎矩、位移等方面都有明顯的影響。

二、鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)

1.地震給鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)帶來(lái)的危害

一是側(cè)向位移使建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力，尤其是對(duì)豎向構(gòu)件的影響，當(dāng)側(cè)向位移增大時(shí)，偏心加劇，當(dāng)產(chǎn)生的附加應(yīng)力值超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，將會(huì)引起整幢房屋的倒塌破壞。二是使居住的人們感到恐慌與不適。三是使填充墻等其他結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫或損壞，使電梯軌道變形、其他電器元件損壞等等，不但增加了危害的復(fù)雜性也增加了建筑后期的不穩(wěn)定性。

2.現(xiàn)行建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)

建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)是隨著結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐的發(fā)展而變化的，也是隨著建筑設(shè)計(jì)技術(shù)與建造工藝的發(fā)展而發(fā)展的，在人類(lèi)和地震災(zāi)害不斷的作斗爭(zhēng)的過(guò)程中，不斷積累經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，因而建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)也有些許改變，在做好建筑抗震設(shè)計(jì)之前，必須要清楚現(xiàn)行建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)，必須按照標(biāo)準(zhǔn)辦事。

現(xiàn)有鋼筋混凝土建筑物抗震目標(biāo)，從既安全又經(jīng)濟(jì)的抗震原則出發(fā)，世界各國(guó)的抗震研究工程師先后提出了較為一致的抗震設(shè)防的目標(biāo)。這就是在多遇的小震作用下，建筑物不應(yīng)發(fā)生破壞，在中等地震作用下允許建筑物發(fā)生破壞，其破壞程度應(yīng)在稍加修理或不需要修理就可繼續(xù)使用，在罕遇的地震作用下，允許結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重破壞，但應(yīng)確保主體結(jié)構(gòu)的安全，防止倒塌傷人。我國(guó)2001年出臺(tái)的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中“小震、中震和大震”是根據(jù)地震災(zāi)害的危險(xiǎn)性，用概率分析的方法給出，進(jìn)而給出了新建建筑的抗震標(biāo)準(zhǔn)，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”，其中中震即設(shè)防烈度。在《工業(yè)與民用建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》TJ23-1977規(guī)定的房屋抗震標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，“設(shè)防烈度地震影響下不倒塌傷人或砸壞重要生產(chǎn)設(shè)備，經(jīng)修理后仍可繼續(xù)使用”。

3.抗震鑒定的方法

目前對(duì)建筑抗震鑒定是運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，對(duì)要鑒定的建筑根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)、工藝、用途、建造過(guò)程等賦以一定的數(shù)值，評(píng)估建筑結(jié)構(gòu)的綜合抗震能力。通過(guò)現(xiàn)行的建筑設(shè)計(jì)基本抗震原則和思想，重點(diǎn)著眼于建筑結(jié)構(gòu)的抗震理念與設(shè)計(jì)，對(duì)現(xiàn)有建筑結(jié)構(gòu)的總體布置和關(guān)鍵構(gòu)造進(jìn)行宏觀(guān)判斷。借助于“抗震概念設(shè)計(jì)”的要求，采用“抗震概念鑒定”從多個(gè)側(cè)面的綜合來(lái)衡量現(xiàn)有建筑的整體抗震能力，以提高現(xiàn)有建筑的綜合抗震可靠性?？拐鹦缘蔫b定一般源于工程師的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)甚至直覺(jué)。它不同于僅僅按照規(guī)范進(jìn)行抗震鑒定的方式，而是依靠規(guī)范以外的思維、分析或計(jì)算手段得到的正確判斷進(jìn)行鑒定。

三、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震加固設(shè)計(jì)

1.抗震加固的基本原則

一是在已有的鋼筋混凝土建筑的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)于城市生命線(xiàn)工程和易造成次生災(zāi)害的工程等。加固主要是加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性和提高抗變形能力，及加強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)和危險(xiǎn)部位，提高抗震加固效果。二是抗震加固與修復(fù)的概念不同?？拐鸺庸淌窃诂F(xiàn)有建筑在正常使用下達(dá)到抗震設(shè)防要求，包括構(gòu)件受損后抗震能力不足的恢復(fù)性加固，構(gòu)件補(bǔ)強(qiáng)性加固，提高結(jié)構(gòu)抗震能力的局部加固或全面加固及改變使用性質(zhì)后的加固。三是提高綜合抗震能力的優(yōu)化原則。對(duì)建筑進(jìn)行抗震加固，一般選擇提高承載力、提高變形能力或既提高承載力又提高變形能力的方法。因此，抗震加固時(shí)，要先搞清房屋存在的缺陷，弄清使結(jié)構(gòu)達(dá)到規(guī)定設(shè)防要求，盡可能清除原結(jié)構(gòu)不規(guī)則、不合理、局部薄弱層等不利于抗震的因素，還要結(jié)合使用功能，施工方法，對(duì)環(huán)境影響等要求，選擇加固方法。

2.抗震加固設(shè)計(jì)常用的方法

一是增大截面加固法。針對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，對(duì)于梁板的加固，要采用截面加固法，用增大混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)筑物構(gòu)件的截面面積，達(dá)到提高其承載力的方法。對(duì)于梁柱加固，要采用外包鋼加固法，即在鋼筋混凝土梁、柱四周包以型鋼的一種加固方法。對(duì)于提高承載力、剛度和抗裂性及加固后所占空間小的混凝土承重結(jié)構(gòu)，采用外加預(yù)應(yīng)力的鋼拉桿或撐桿對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固的方法。

二是碳纖維加固法，碳纖維材料的抗拉強(qiáng)度高于普通鋼筋的10 倍、彈性模量是鋼筋的數(shù)倍，因此可利用高性能結(jié)構(gòu)膠將碳纖維織物（布）粘貼于構(gòu)件表面，從而達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的加固補(bǔ)強(qiáng)及改善抗震性能的目的。由于碳纖維對(duì)混凝土的約束作用，構(gòu)件受力性能明顯得到改善。碳纖維質(zhì)輕且薄，加固后對(duì)原結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面、荷載增加均不大，不影響原有建筑使用功能，因此極適合于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的加固。

三是針對(duì)框架結(jié)構(gòu)增設(shè)剪力墻的加固方法。增設(shè)剪力墻加固方法較為常見(jiàn)，需要利用新增的剪力墻承擔(dān)主要的地震力，減小結(jié)構(gòu)的變形，降低框架柱的配筋構(gòu)造要求。結(jié)構(gòu)及構(gòu)件加固后，各樓層屈服強(qiáng)度和剛度的增長(zhǎng)率大大高于可能的地震剪力和地震反應(yīng)的增長(zhǎng)率?？蛇x用的加固方法有外包鋼加固法，外部粘鋼加固法和外部粘貼碳纖維加固法。

四是間接加固。第一，房屋隔震加固，即把既有建筑物的特定層作為隔震層。隔震層通常放在基礎(chǔ)上，但根據(jù)需要也可放在建筑的某一特定層，在該層所有的鋼筋混凝土框架柱上增設(shè)使豎向剛度增大、水平側(cè)向剛度減小的隔震裝置。在地震作用下，通過(guò)隔震層的相對(duì)位移，達(dá)到大幅度降低結(jié)構(gòu)加速度譜值的目的。第二，消能減震，即減震加固結(jié)構(gòu)通過(guò)抗震評(píng)估確認(rèn)既有建筑某層的層承載力不滿(mǎn)足抗震性能目標(biāo)水準(zhǔn)要求時(shí)，通過(guò)設(shè)置耗能減震裝置，達(dá)到增大結(jié)構(gòu)阻尼、減小層間位移的目的。

目前，對(duì)于地震的地點(diǎn)、時(shí)間和大小還無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，地震的復(fù)雜性與破壞機(jī)理對(duì)建筑的抗震要求還很多，不能通過(guò)單一的設(shè)計(jì)原理來(lái)確定建筑是否能有效的抗震，且城市的新舊建筑存在形式也很復(fù)雜，如何保證地震時(shí)建筑的安全性，還需要不斷的研究。

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