論述多層建筑框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

　　關(guān)鍵詞:多層建筑；框架結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計(jì)；

　　1前言

　　地震所產(chǎn)生的地面運(yùn)動(dòng)有很大的隨機(jī)性,不同點(diǎn)所發(fā)生地震的形波是完全不同的,從而它對(duì)建筑物所產(chǎn)生的作用也是很不相同的。而且目前,按抗震規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)算,不考慮雙向地震力同時(shí)作用,實(shí)際上地震是非常復(fù)雜的三維振動(dòng)。所以抗震設(shè)計(jì)所考慮的地震作用是不確定的,不能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè),難以確切估計(jì)。因此,抗震設(shè)計(jì)必須留有較多的余地�？拐鹪O(shè)計(jì)的意義就在于盡量做到防患于未然。減輕地震帶來的災(zāi)害,確保建筑在一定的小震下不破壞,預(yù)防建筑在強(qiáng)烈地震作用下的倒塌,從而完成安全而經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì),達(dá)到盡量減輕地震作用下可能造成的人民生命財(cái)產(chǎn)和國民經(jīng)濟(jì)的損失。

　　2建筑鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)簡要說明分析

　　框架結(jié)構(gòu)以其平面布置較靈活,易于布置較大房間規(guī)定:工業(yè)設(shè)備和管道系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn),在建筑設(shè)計(jì)中較廣泛地應(yīng)用,而在工業(yè)建筑設(shè)計(jì)中出現(xiàn)較多的則是多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)的先期步驟要考慮選址。國內(nèi)外地震經(jīng)驗(yàn)表明,選擇地震危險(xiǎn)性較小的地段作為建筑場地,是減輕地震災(zāi)害的重要措施。場地條件對(duì)震害有明顯的影響,主要來自地質(zhì)構(gòu)造、土質(zhì)和地形的差異。地震對(duì)建筑物作用的顯著特點(diǎn)是與建筑物本身、場地土的動(dòng)力特性有關(guān)。當(dāng)?shù)卣鸩◤恼鹪唇?jīng)過基巖傳播到建筑場地后,地表土相當(dāng)于一個(gè)放大器和一個(gè)濾波器。它一方面把基巖的加速度放大,地表土越深,土質(zhì)越差,放大作用越顯著,對(duì)建筑物產(chǎn)生的震害也越大;另一方面由各種不同頻率組成的地震波通過地表土?xí)r,與場地土自振周期(卓越周期)一致的成分得到放大,不一致的成分衰減,地表土起到了濾波器的作用,使地震波的主頻率與場地卓越周期的頻率一致。

　　這樣,當(dāng)建筑物的自振周期與地面卓越周期一致或接近時(shí),由于共振而使震害更加嚴(yán)重。資料表明,場地條件對(duì)建筑物震害影響的主要因素是:場地土的剛性(即堅(jiān)硬或密實(shí)程度)大小和場地覆蓋層厚度。震害經(jīng)驗(yàn)指出:土質(zhì)愈軟,覆蓋層愈厚,建筑物震害愈嚴(yán)重,反之愈輕。地震波的某個(gè)諧波分量的周期恰為該波穿過地表上層所需時(shí)間dov/Vsl的4倍時(shí)覆蓋層地面振動(dòng)將最顯著。因此,在建筑抗震設(shè)計(jì)中,應(yīng)使建筑物的自振周期避開場地的卓越周期,以避免發(fā)生此類共振現(xiàn)象。對(duì)于由碎石、砂、粉土、粘性土和人填土等多層形成的覆蓋層,可按它們的平均剪切波速Vsm來計(jì)算場地的卓越周期。建筑物在地震作用下要受到慣性力,使建筑物產(chǎn)生內(nèi)力與位移。地震力的大小與建筑物的質(zhì)量和剛度有關(guān)。在同等烈度的場地條件下,建筑物的自重越大,受到的地震力也越大,因此,減輕結(jié)構(gòu)自重,不僅可以節(jié)省建筑材料,而且有利于抗震。同樣,結(jié)構(gòu)剛度越大,周期越短,受到地震力也越大,因此,建筑的剛度不宜過大。在滿足許可位移的前提下,可以適當(dāng)調(diào)整建筑物的剛度,適當(dāng)延長建筑物的周期,降低地震力,這會(huì)有很大的經(jīng)濟(jì)效益。

　　根據(jù)上述原則,由于框架結(jié)構(gòu)的自振周期較長(根據(jù)資料,框架的基本自振周期為T1=(0.084～0.12)Ns式中Ns為框架的層數(shù)),建筑的自重較輕,因此在較堅(jiān)硬的地基上受到地震作用較小。但純框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度小,屬柔性結(jié)構(gòu),在強(qiáng)地震作用下結(jié)構(gòu)的層間變形大,對(duì)那些非結(jié)構(gòu)件,如填充墻、建筑裝修等,會(huì)造成較大的破壞,因此需限制層間彈性位移角,加強(qiáng)構(gòu)造措施,適當(dāng)增加其剛度,以達(dá)到對(duì)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件遭受較小破壞的目的。由于在強(qiáng)烈地震作用下,建筑物的破壞機(jī)理和過程是十分復(fù)雜的,目前對(duì)它還沒有充分的認(rèn)識(shí),因此,要進(jìn)行精確的抗震設(shè)計(jì)是困難的。

　　20世紀(jì)70年代以來,人們?cè)诳偨Y(jié)大地震災(zāi)害經(jīng)驗(yàn)中提出了“概念設(shè)計(jì)”,概念設(shè)計(jì)是指正確地解決總體方案、材料使用和細(xì)部構(gòu)造,以達(dá)到進(jìn)行合理抗震設(shè)計(jì)的目的。掌握概念設(shè)計(jì),將有助于明確抗震設(shè)計(jì)思想,靈活恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用抗震設(shè)計(jì)原則,使不致于陷入盲目的計(jì)算工作,做到比較合理地進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。GBJ11-89建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是:采用三個(gè)水準(zhǔn),兩個(gè)階段的設(shè)計(jì)。三個(gè)水準(zhǔn)的要求,即“小震不壞,中震可修,大震不倒”。兩個(gè)分階段的設(shè)計(jì)步驟,即第一階段設(shè)計(jì):按小震作用效應(yīng)和其它荷載效應(yīng)的基本組合驗(yàn)算結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力,以及在小震作用下驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的彈性變形,以滿足第一水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo)的要求。第二階段設(shè)計(jì):在大震作用下驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的彈塑性變形,以滿足第三水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo)的要求。至于第二水準(zhǔn)抗震設(shè)防、目標(biāo)的要求《規(guī)范》是以抗震構(gòu)造措施來加以保證的。

　　多層框架結(jié)構(gòu)是以剪切變形為主的結(jié)構(gòu)�？梢杂脴菍铀�平地震剪力與層間位移來描述樓層破壞的全過程,也是最明顯、最具體采用二階段抗震設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)三個(gè)水準(zhǔn)設(shè)防要求的結(jié)構(gòu)。

　　1)第一階段的設(shè)計(jì)表達(dá)式在多遇地震作用下框架的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)滿足下列驗(yàn)算要求:

　　S≤R/γRE,(1)

　　ΔUe=Ve1k≤[θe]H,(2)

　　式中:S———框架梁、柱或節(jié)點(diǎn)組合的內(nèi)力設(shè)計(jì)值;

　　R———構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值;

　　γRE———承載力抗震調(diào)整系數(shù);

　　ΔUe———對(duì)應(yīng)于多遇地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的層間彈性位移(分項(xiàng)系數(shù)取1.0);

　　Ve1———對(duì)應(yīng)于遇地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的樓層彈性水平地震剪力;

　　k———層間側(cè)移剛度;

　　[θe]———層間彈性位移角限值;

　　H———層高。

　　滿足公式(1),框架結(jié)構(gòu)必然處于彈性階段,樓層也處于遠(yuǎn)離明顯屈服狀態(tài)。公式(2)的驗(yàn)算實(shí)質(zhì)上是控制建筑非結(jié)構(gòu)部件的過重?fù)p壞,以減少震后的修復(fù)費(fèi)用。限制了彈塑性層間位移角,實(shí)質(zhì)彈性上即是限制了最薄弱桿件的彈塑性變形。當(dāng)構(gòu)件吸收到某一定值的地震能量之后,便會(huì)破壞,這能量E可由力—位移曲線所包圍的面積來表示見圖1。當(dāng)結(jié)構(gòu)是完全性時(shí),力—位移是直線性關(guān)系,見圖1a),當(dāng)ΔOAB的面積達(dá)到一定數(shù)值時(shí),構(gòu)件破壞;如果構(gòu)件有一定的塑性變形能力,則當(dāng)吸收的地震能量相同時(shí),受到的地震力較小,見圖1b);如果塑性變形的能力越大,則受到的地震力越小,見圖1c)。

　　圖1a)這樣的彈性變形特性的構(gòu)件,是以彈性變形來吸收地震能量的;圖1b)及2c，這樣的構(gòu)件主要是以塑性變形(延性)來吸收地震能量的。在E1=E2=E3條件下,有P1>P2>P3。相應(yīng)Δ1<Δ2<Δ3,即可以利用構(gòu)件的變形能力來降低設(shè)計(jì)內(nèi)力。將構(gòu)件破壞時(shí)的變形與屈服時(shí)的變形的比值稱為延性u(píng),u=ΔVΔg。為了保證構(gòu)件有良好的抗震性能一般要求u>3,構(gòu)件延性主要依靠合理的截面尺寸、適宜的配筋和充分的構(gòu)造措施來保證。

　　3施工中應(yīng)注意的問題

　　當(dāng)框架的層數(shù)多、荷載大時(shí),框架梁柱的混凝土強(qiáng)度有可能不一致。而如果此時(shí)柱的施工縫留在梁下皮標(biāo)高上,節(jié)點(diǎn)區(qū)的混凝土與框架梁一并澆筑,梁的混凝土強(qiáng)度低于柱的混凝土強(qiáng)度,節(jié)點(diǎn)區(qū)的混凝土強(qiáng)度就會(huì)低于柱的混凝土強(qiáng)度,則會(huì)形成節(jié)點(diǎn)區(qū)的薄弱點(diǎn),對(duì)抗震不利。因此設(shè)計(jì)中盡可能將梁柱的混凝土強(qiáng)度取為一致或接近;再就是柱的施工縫最好留在梁的上皮標(biāo)高上,柱與節(jié)點(diǎn)區(qū)的混凝土同時(shí)澆筑。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工中,往往因缺乏設(shè)計(jì)規(guī)定的鋼筋規(guī)格型號(hào),而需要另外規(guī)格型號(hào)的鋼筋代替時(shí),不宜以屈服強(qiáng)度更高的鋼筋代替原設(shè)計(jì)中的主要鋼筋。當(dāng)需要替換時(shí),宜按照構(gòu)件截面實(shí)際屈服強(qiáng)度進(jìn)行換算,并應(yīng)注意替代后的構(gòu)件截面屈服強(qiáng)度不應(yīng)高于截面原設(shè)計(jì)的屈服強(qiáng)度。這樣,可以避免造成薄弱部位的轉(zhuǎn)移,以及構(gòu)件在有影響的部位混凝土發(fā)生脆性破壞,如混凝土被壓碎、剪切破壞等。

　　4 結(jié)束語

　　本文通過對(duì)多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的分析,說明抗震設(shè)計(jì)在整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要性及對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)和國民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生的重大影響。指出抗震設(shè)計(jì)要保證建筑小震不破壞,大震不倒塌,達(dá)到安全而經(jīng)濟(jì)的目的。