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浅谈建筑结构中的基本抗震设计

  建筑结构的抗震设计是一个完整、系统的概念,从场址的选择到建筑物的结构设计,抗震设计贯穿了整个过程。建筑物的抗震设计是衡量建筑结构设计是否符合要求的重要指标。
  一、抗震设防的目标
  目前, 我国抗震设防为“三水准”目标, 即“小震不坏、中震可修、大震不倒”, 具体含义为: 当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震时, 建筑物不受损坏或不需修理仍可使用, 建筑处于正常使用状态, 从结构抗震分析角度, 可以视为弹性体系, 采用弹性反应谱进行分析; 当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时, 建筑物可能损坏, 经一般修理或不需修理仍可继续使用, 结构在地震影响时进入非弹性工作阶段, 但非弹性变形或结构体系损坏控制在可修复的范围; 当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震时, 建筑物不致倒塌或发生危及生命安全的严重破坏, 此阶段结构有较大的非弹性变形, 但人员可以逃离。
  二、建筑结构设计中的抗震设计策略
  (一)建筑场地
  1、应选择对建筑抗震有利的地段,如开阔平坦的坚硬场地土或密实均匀的中硬场地土等地段。
  2、应避开对建筑抗震不利的地段,如软弱场地土,易液化土,条件突出的山嘴,高耸孤立的山丘,非岩质陡坡、采空区、河岸和边坡边缘,场地土在平面分布上的成因、岩性、状态明显不均匀(如故河道、断层破碎带、暗埋的塘滨沟谷及半填半挖地基等)等地段。当无法避开时,应采取有效的抗震措施。
  3、不应在危险地段造建甲、乙、丙类建筑,对建筑抗震危险地段,一般是指地震的可能发生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等地段,发震断裂带上地震等可能发生地表错位地段。建筑场地为Ⅰ类时,甲、乙类建筑可按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施; 丙类建筑允许按本地区抗震设防烈度降低一度的要求采取抗震构造措施,但抗震设防烈度为6度时,可按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施。另外,场地土的刚度大小和场地土覆盖层厚度是影响建筑物震害得主要因素。震害调查表明,土质越软,覆盖层越厚,建筑物震害越严重,反之越轻。
  (二)选择有利于抗震的建筑平面和立面布置
  1、建筑的体型要简单, 平立面布置宜规则。体型简单和规则的建筑, 受力性能明确,设计时容易分析结构在地震作用下的实际反应及其内力分析,且结构细部的构造也易于处理。所以这类结构遭遇地震后其震害相对都较轻。反之, 建筑体型不规则,平面上曲出凹进,立面上高低错落。易于形成刚度和强度上的突变,引起应力集中或变形集中,也容易形成薄弱环节,往往造成比较严重的危害。
  2、建筑的平、立面刚度和质量分布力求对称。建筑的刚度和质量分布不对称、即使在地面平动分量作用下也会发生扭转振动,从而造成比较严重的危害。所以,建筑或其独立单元应力应求刚度、质量的对称,使其质心与刚心重合或偏心很小。
  3、建筑的质量和刚度变化要均匀。建筑的质量和刚度沿竖向分布往往是不均匀的、例如, 由于建筑的竖向收进, 地震时收进处上、下部分振动特性不同, 易于在收进处的横隔层(楼板) 产生应力突变,使竖向收进的凹角处产生应力集中;又如,在建筑物底层设置上下不连续的抗震墙( 如底层框支抗震墙)、使建筑物沿竖向的不均匀性;框架的填充墙在层高范围内未连续设置或存在楼层的错层,使框架形成短柱。也易于造成危害。设计时对上述质量和刚度沿竖向分布不连续的情况应加以限制、采取必要的构造措施。
  4、必要时设置防震缝。防震缝的设置, 应根据建筑类型、结构体系和建筑体型等具体情况区别对待,不提倡一切都设,也不主张都不设。抗震规范的原则是,建筑防震缝的设置,可按结构的实际需要考虑。体型复杂的建筑不设防震缝时,应选择符合实际的结构计算模型,进行精细的抗震分析,估计其局部应力和变形集中及扭转影响、判别其易损部位、采取措施提高抗震能力。当设置防震缝时,应将建筑分成规则的结构单元,防震缝应根据烈度、场地类别、房屋类型等留有足够的宽度,其两侧的上部结构应完全分开。
  (三)建筑结构体系的合理选择
  1、建筑结构体系应当避免因部分结构或构件的破坏而导致整个建筑结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。建筑结构抗震设计的一个重要原则就是结构应当具有必要的赘余度、良好的变形能力和内力重分配的功能,地震中,即使一部分构件退出工作,其余部分构件仍能承担起竖向荷载,避免整体建筑结构失稳。
  2、建筑结构体系应当具有清晰明确的计算简图和恰当合理的地震作用传递路径。在这过程中,竖向建筑构件的布置,应尽量使竖向建筑构件在垂直重力荷载作用下的压应力水平接近均匀;楼屋盖梁体系的布置,应尽量使垂直重力荷载以最短的路径传递到竖向构件墙、柱上去;转换结构体系的布置,应尽量做到使上部结构竖向构件传递来的垂直重力荷载通过转换层一次至多二次转换。另外,建筑的整体抗侧力结构体系也必须明确,抗侧力结构一般由框架、简体、剪力墙、支撑等组成,它们宜尽量连续贯通。
  3、建筑结构体系应当具有合理适度的强度和刚度。宜具有合理恰当的强度和刚度分布,防止和避免因局部削弱或突变形成薄弱部位,产生过大的塑性变形集中或应力集中;建筑的框架结构设计应使节点基本不被破坏,底层柱底的塑性铰宜形成晚,应当使柱、梁端的塑性铰出现得尽可能地分散;对于可能出现的薄弱部位,应采取适当措施提高抗震能力。
  综上所述,建筑结构的抗震设计是一个完整、系统的过程,从场址的选择到建筑物的结构设计,抗震设计贯穿了整个过程。而且建筑物的抗震设计是衡量建筑结构设计是否符合要求的重要指标。因此如何准确、合理的运用不同的抗震设计方法,是非常重要的,对于不同的建筑、不同的情况应区别对待,从而寻求最合理的结构布置。

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