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【关键词】砌体结构,主要震害,震害特征,抗震设计
中图分类号:TU973+.31文献标识码: A 文章编号:
一、前言
砌体结构建筑设计中的抗震设计,关乎民生,关乎经济发展,社会稳定,对房屋建筑实施结构设计,主要涉及对建筑高度,承载力,总体结构,各个部件的性能规划等一系列的因素,要求通过对各个构件和整体规划的基础上,既实现满足居民生活生产保障安全的需要,又具有值得欣赏的美学价值。增强房建结构的抗震设计,必须综合考虑地基,房屋的结构体系选择,综合布局等多方面建设因素,是一项及其专业,严谨,复杂的高技术工作。
二、多层砌体房屋的主要震害特征
1.多层砌体房屋的破坏分析
(一)墙体的破坏
在多层砌体房屋中,墙体的震害表现在产生斜向或交叉裂缝、水平裂缝或竖向裂缝。破坏严重的墙体产生滑移、错位、交叉裂缝两侧的三角楔块脱落,使墙体不足以抵抗上部荷载和水平地震作用,出现歪斜甚至倒塌。
(二)楼梯间的破坏
楼梯间的震害除了墙体开裂外,也会发生预制踏步在接头处拉开,以及现浇楼梯踏步板与平台梁相连接处拉断等。
(三)纵横墙连接的破坏
纵横墙连接处由于受到2个方向的地震作用,受力比较复杂,容易产生应力集中现象。如果纵横向墙体之间缺乏足够的拉结,施工没有很好咬搓砌筑,地震时在连接处容易产生竖向裂缝,严重时纵横墙向墙体脱开、纵墙外闪倒塌,使房屋丧失整体性。
2.底层框架砖房的主要震害特征
(一)震害多发生在房屋的底层,房屋上部震害与多层砖房类似,其破坏程度比底层小。
(二)底层为框架结构时的震害比底层为框架-剪力墙时震害大;剪力墙少的房屋震害比剪力墙多时严重。
(三)底层的震害表现为:墙比柱严重,柱比梁严重。
三、砌体结构的抗震设计
虽然砌体结构房屋地震时的破坏较为严重,但地震震害调查结果也表明:凡是通过合理的抗震设计,采取恰当的抗震构造措施,并且保证砌体材料和施工的质量,在不高于9级地震区建造的砌体房屋仍然具有较强的抗震能力,安全是可以得到保证的。
1.合理的结构选型及布置
选择哪种砌体结构是抗震结构设计中的关键环节,应从抗震的概念设计出发,综合建筑使用功能、技术、经济和施工等方面进行选择。
(一)多层砌体房屋应优先采用横墙承重或纵横墙共同承重的结构体系,纵横墙的布置宜均匀对称,沿平面内宜对齐,沿竖向应上下连续,同一轴线上的窗间墙宽度宜均匀。而底层框架砖房底部应沿纵横两方向设置一定数量的抗震墙,抗震墙应均匀对称布置或基本均匀对称布置,上部布置同多层砌体房屋。
(二)房屋的平面最好是矩形的,若由于使用的要求,在平面或立面上必须做成复杂体型时,应采用防震缝将复杂的体型分割成若干规正、简单体型的组合,以避免地震时房屋各部分由于振动不协调产生的破坏。
(三)房屋的层数或总高度不能超出GB50011)2001中7.1.2条的限值。现在不少建筑采用了蒸压灰砂砖、蒸压粉煤灰砖,应注意6、7烈度时采用蒸压灰砂砖、蒸压粉煤灰砖砌体的房屋,当砌体的抗剪强度不低于粘土砖砌体的70%时,房屋的层数应比粘土砖房屋减少一层,高度应减少3 m,且混凝土构造柱应按增加一层的层数所对应的粘土砖房设置。
(四)普通砖、多孔砖和小砌块砌体承重房屋的层高不应超过3.6 m;底层框架砖房的层高不应超过4.5 m。若因建筑功能要求,某楼层的层高超过规定限值时,应于该楼层承重墙沿墙长每隔不大于2m增设一根构造柱。
(五)房屋的承重外墙,每个开间最多只能开设一个窗洞,当同一个开间兼有门和窗时,门与窗应连成一个洞口。同一轴线上的窗间墙宜等宽。
(六)多层砌体住宅应设置不少于三道承重纵墙,且每道纵墙沿各自轴线对齐、贯通。若因建筑布局必须错位时,每段纵墙的高长比不应超过相应烈度的房屋高宽比限值,较窄墙段的两端还应增设构造柱。
(七)楼梯间不应设置在房屋的终端和转角处,如果由于建筑功能要求,楼梯间必须设在第一开间或其他外墙转角处,则需采取局部加强措施,如根据烈度的高低,在楼梯间的四角或仅在外墙转角处设钢筋混凝土构造柱,在楼梯休息平台板标高处增设圈梁或配筋砖带,在顶层楼梯间增设水平配筋带或圈梁等。
2.计算简图及计算方法的选取要正确,符合实际情况
(一)计算简图:计算多层砌体房屋地震作用时,应取一个结构单元作为计算单元,在计算单元中将各楼层的质量集中到楼、屋盖标高处。多层砌体房屋可视为嵌固于基础顶面的竖向悬臂梁,各质点的计算高度取楼(屋)盖到结构底部的距离。计算简图中结构底部按下列规定取值:当基础埋置较浅时取为基础顶面;当基础埋置较深时,可取为室外地坪下0.5 m处;当设有整体刚度很大的全地下室时,则取为地下室顶板顶部;当地下室整体刚度较小或为半地下室时,则应取为地下室室内地坪处。对于底层框架砖房,应将上部结构转为直接作用在底部框架上的均布荷载和弯矩进行计算。
(二)计算方法:一般情况下,多层砌体房屋的抗震承载能力的验算采用底部剪力法,仅考虑水平地震作用,沿房屋的横向和纵向分布进行验算。对于很不规则的房屋,可采用振型分解反应谱法进行验算。对于底层框架砖房,上部楼层地震剪力的计算与多层砌体房屋相同。由于底部相对薄弱,因此应考虑塑性变形集中的影响,底层的纵向和横向地震剪力设计值应乘以增大系数;对于底部二层的结构,底层与第二层的纵向和横向地震剪力设计值均应乘以增大系数。
3.抗震构造措施到位
(一)按规范要求设置构造柱,尤其注意构造柱上下端箍筋应加密时的配筋。在墙端有构造柱时应锚入构造柱,当墙端无构造柱时,应将水平筋弯折成直钩。
(二)在高度方向减少构造柱数量时,应加强减少构造柱处的墙的相互拉结措施,包括采取加强圈梁等措施。
(三)在地震区,砌体房屋的圈梁应符合抗震规范GB50011)2001表7.3.3要求,现浇楼盖不单独设置圈梁亦未沿墙周边设置加强钢筋,该加强钢筋一般可用2φ12 mm通长筋平放或竖放于墙中板边,与板的钢筋绑扎,两端可靠地锚固于构造柱内。
(四)当楼、屋盖中有较大的梁或屋架支承在墙上或砌体柱上时,支座处应设置抵抗水平向作用的措施:增加支座处的螺栓数量和强度、加大梁或屋架的支承长度、支承处墙内若有构造柱,则应增大构造柱内配筋,甚至按排架柱考虑。
五、结束语
在建筑行业中,砌体结构是最为重要的结构主体之一,而最大的威胁便是地震,因此,加强对建筑结构的抗震设计,必将会被提升到建筑设计新的战略高度。要保证建筑结构抗震设计的高效完成,应当在遵循相关规范要求的原则上,对其进行科学合理地设计,使建筑物具有可靠的抗震性能,达到建筑物小震不坏,中震可修,大震不倒的要求。相信,随着设计师抗震设计水平的提高,做出经济、合理地且能实现功能目标的建筑结构抗震设计指日可待。
参考文献:
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[4]蔡贤辉,李刚,程耿东,重视砌体结构的抗震构造和加固技术的研究和推广[会议论文] 2008 - 2008年汶川地震建筑震害分析与重建研讨会
论文摘要:《混凝土异型柱技术规程}(JGJ149—2006)的颁布为我国的结构设计人员提供了一本可以参照的国家标准,同时为广大结构设计人员指明了异型柱结构与普通混凝土结构的区别,现将其与《建筑抗震设计规范》(GB500l1-2001)的区别与广大设计人员共同探讨。
引言
新的《混凝土异型柱技术规程》(JGJl49—2006)(简称异型柱规程)于2006年8月颁布,改变了异型柱设计只有地方性规定而没有国标的历。随之而来就是我们对规范的理解可能没有比较深入的研究,另外《异型柱规程》有些规定比《建筑抗震设计规范》(GB50011-2~1)(简称抗震规范)严格。现就规范的几点规定,谈谈个人的一点看法:
(1)异型柱结构最大适应高度
由于异型柱是一种新型的结构形式,只经过十余年的实践。综合考虑现有的理论研究、实验研究成果及设计施工经验,其房屋适用的最大高度较一般的钢筋混凝土结构有所降低。现就《异型柱规程》与《抗震规范》对比见下表:
沈阳市抗震设防烈度为7度,设计基本加速度值为0.10g,超过40米的结构,建议采用短肢剪力墙结构。
(2)异型柱的抗震等级
由于异型柱结构的抗震性能相对于普通混凝土房屋较弱,异型柱结构的抗震等级相对于普通混凝土房屋也应较严格。由于异型柱结构的适用范围较普通混凝土结构小,相应《异型柱规程》的抗震等级分类较《抗震规范》详细。对于丙类建筑抗震设计的房屋,《异型柱规程》给出了抗震等级的确定方法,现就《异型柱规程》与《抗震规范》的异《抗震规范》现浇钢筋混凝土房屋的抗震等级《异型柱规程》中表3.3—1注3,当为7度(0.15g)时,建于Ⅲ、Ⅳ类声地的异形柱框架结构和框架一剪力墙结构情形时,也按8度(O.20g)采取抗震构造措施,但于括号内所示的抗震等级形式来具体表达,需注意的是《异型柱规程》采取了“应”按表中括号所示的抗震等级采取抗震构造措施,比《抗震规范》的上述对应部分规定(“宜”按……)有所加严
(3)不规则异型柱结构的抗震设计应符合下列要求
1.当异型柱结构楼层竖向构件的最大水
平位移(或层间位移)与该楼层层两端弹性水平位移(或层间位移)平均值之比大于1.20时,根据《抗震规范》有关规性,可界定为平面不规则的“扭转不规则类型”,但《异型柱规程》规性此时控制该比值不应大于1.45(第3.2.5条第1款),较《抗震规范》相应规定“不大于1.5”有所加严,目的是为了为严格控制异型柱结构平面的不规则性,避免过大的扭转效应而导致严重的震害。
2.当异型柱结构的层间受剪承载力小于上一楼层的80%时,根据《抗震规范》有关规性,可界定为竖向不规则中的“楼层承载力突变类型”,并规定其薄弱层的受剪承载力不应小于上一层的65%,但《异型柱规程》规性此时乘以1.20的增大系数(第3.2.5条第2款),较《抗震规范》相应规定乘以增大系数1.15有所加严
(4)异型柱的抗震作用计算规则
1.《抗震规范》第3.1.4条规定:“抗震设防为6度时,除本规范规定外,对乙、丙、丁类建筑可不进行地震作用计算”及第5.1.6条规定:“6度时的建筑(建造于Ⅳ类场地上较高的高层建筑除外),以及生土房屋及木结构房屋,应允许不进行截面抗震验算。”但《异型柱规程》第4.2.3条则以强制性条文方式规定:“抗震设防为6度、7度(0.1Og、0.15g)及8度(0.20g)的异型柱结构应进行地震作用计算及结构抗震验算。”本条是基于异型柱结构的抗震性能特点而制定的,6度设防时设计者应注意此条。
2.异型柱的双向偏压正截面承载力随荷载(作用)方向不同而有较大的差异,在L形、T形和十字形三种异型柱中,以L形柱的差异最为显著(设计者应着重加强L形柱的构造)。如根据《抗震规范》5.1.1条第一款(一般情况下(所有烈度),应允许在建筑结构的两个主轴方向分别计算地震作用并进行抗震验算,各方向的水平地震作用应由该方向抗侧力构件承担),则可能在某些情况下造成结构的不安全性,所以《异型柱规程》4.2.4条第一款规定,7度(0.15g)及8度(0.20g)时尚应对与主轴成45°方向进行补充计算。
(5)异型柱的抗震变形验算
由于异型柱结构的特殊性,《异型柱规程》对异型柱结构的弹性层间位移角限值也较《抗震规范》严格,现比较如下:
考虑到异型柱结构的特殊性,本人建议进行异型柱设计时弹性层间位移角应从严控制:框架结构【】应小于l,800,框架一剪力墙结构【]应小于1/I100。
(6)异型柱框架梁柱节点核心区受剪承载力验算。
《抗震规范》附录D规定:
一、二级框架节点核心区应进行抗震验算;一般
关键词:高层结构抗震,抗震规范,高层抗震注意问题,纤维增强混凝土
1引言
地震是一种突发性和毁灭性的自然灾害,它对人类社会的危害首先是引起建筑物的破坏或倒塌,导致严重的人身伤亡和财产损失;其次是引起火灾、水灾等次生灾害,破坏人类社会赖以生存的自然环境,造成严重的经济损失,产生巨大的社会影响。近十年来,地壳运动进入活跃期,世界各地都爆发了不同程度的地震,而我国更是世界上大陆地震最多的国家之一,20世纪以来,全球发生7级以上地震1200余次,其中十分之一在我国。例如,1976年7月28日的唐山7.8级地震,2008年5月12日的汶川8.0级地震,2010年4月14日的玉树地震,都给人们的生命财产安全带来巨大的损失。同时,由于地震破坏的后果严重,我国抗震规范在2008年与2010年都进行了不同程度的修正,目的是加强建筑结构的安全性。因此,为保障地震作用下人们的生命财产损失降至最低,有必要对建筑物的抗震设计进行研究,本文就高层结构的一些常用抗震设计方法进行了讨论。
2结构抗震设计方法的发展
结构抗震设计方法的发展历史是人们对地震作用和结构抗震设计能力认识不断深化的过程,对结构抗震设计方法发展历史进行回顾,有助于对结构抗震设计原理的认识,
结构抗震设计方法经历了静力法、反应谱法、延性设计法、能力设计法、给予能量平衡的极限设计方法、基于损伤设计方法和近年来正在发疹的基于性能/位移设计法几个阶段[1]。这些抗震设计方法在发展阶段相互交错与渗透,对齐进行系统化整理,结构抗震设计方法可以分为以下几类[2]:
基于承载力设计方法
基于承载力和构造保证延性设计方法
基于损伤和能量设计方法
能力设计法
基于性能/位移设计方法
根据清华大学叶列平教授的研究,第(5)种方法在结构抗震设计中较前几种方法优点更为突出,并且在各国规范中应用最广泛。
3高层抗震设计的设防目标
长期的地震观测表明,在同一地区不同强度地震的重现期是不同的。强度小的地震重现期,一般10~50年左右发生一次,即所谓频遇地震或“小震”;强度较大的地震,重现期较长,一般100~500年发生一次,即所谓偶遇地震或“中震”;而强度特别大的强烈地震,重现期一般为数千年,即所谓罕遇地震或“大震”。
高层建筑的使用寿命一般为50~100年,高层住宅的寿命更短,因此要求结构在“大震”作用下不破坏显然四不合适和不经济的。这就提出了对于不同强度地震的重现期,结构应具有不同的抗震性能,即所谓抗震设防目标。目前国际上公认的较为合理的抗震设防目标是:
(1)在频遇地震作用下,结构地震反应应处于弹性阶段,结构无损坏或轻微破坏,且结构变形很小,不会导致非结构构件的破坏,震后可无条件继续使用;
(2)在偶遇地震作用下,结构和非结构构件损伤在一定限度内,震后经修复可继续使用;
(3)在罕遇地震作用下,结构不产生倒塌,非结构构件无脱落或落下,保证人身安全,
上述抗震设防目标与我国抗震设计规范中的“三水准”即“小震不坏,中震可修,大震不倒”是一个含义。现在的问题是这种单一的抗震设防目标已不能适应现代工程结构对抗震性能的需求。许多重要建筑对大震作用下的性能要求也不再是不倒塌,而是应满足一定性能指标要求,以保证其仍具有一定的建筑功能和使用功能,这即是基于性能抗震设计方法研究的目的。
高层抗震设计方法的几点讨论
4.1遵循建筑抗震设计规范
建筑结构抗震规范实际上是各国建筑抗震经验带有权威性的总结,是指导建筑抗震设计(包括结构动力计算,结构抗震措施以及地基抗震分析等主要内容)的法定性文件。它既反映了各个国家经济与建设的时代水平,又反映了各个国家的具体抗震实践经验。它虽然收抗震有关科学理论的引导,向技术经验合理性的方向发展,但它更是具有坚定的工程实践基础,把建筑工程的安全性放在首位。正是基于这种认识,现代规范的条文有的被列为强制性条文,有的条文中应用了“严禁、不得、不许、不宜”等体现不同程度限制性和“必须、应该、宜于、可以”等体现不同程度灵活性的用词。任何结构的抗震设计都必须以抗震规范为基础,按其规定条文执行。
4.2高层建筑抗震设计应注意的问题
高层建筑结构应根据房屋高度和高宽比、抗震设防类型、抗震设防烈度、场地类别、结构材料和施工技术条件等因素考虑其适宜的结构体系,高层建筑的高宽比是对结构刚度、整体稳定、承载能力和经济合理性的宏观控制,在设计过程中应注意以下几点:
应当注意抗震缝的设计,必须留有足够的防震缝宽度;
平面形状和刚度不对称,会是建筑物产生显著的扭转、震害严重,设计中应避免这种情况,不能避免时应对抗震薄弱处进行加强;
凸出屋面的塔楼受高振型的影响,产生显著的鞭梢效应,破坏严重,设计中加以注意;
高层部分和底层部分之间的连接构造是否合理;
框架柱截面太小、箍筋不足、柱子的延性和抗震能力不够等容易导致剪切破坏或柱头压碎;
沿竖向楼层质量与刚度变化太大容易导致楼层变形过分集中而产生破坏;
地基的稳定性尤为重要;
伸缩缝和沉降缝宽度过小(W昂王与防震缝一切三缝合一)使得碰撞破坏很多;
不应在建筑物端部设置楼梯间,楼板有大洞口会因刚度不均匀而产生扭转;
中间部分楼层柱子截面和材料改变或取消部分剪力墙,都会产生刚度或承载力的突变,形成结构薄弱层。
4.3采用纤维增强混凝土
对于高层建筑,混凝土材料由于其自身缺陷,地震作用下易于发生脆性破坏,引起结构损伤,因此从建筑材料角度分析,可以在某些关键部位采用韧性材料代替混凝土提高整体结构的吸收能量能力与抗震能力。抗震建筑材料必须具备轻质、高强、高韧性特征,例如,木材、轻钢、型钢、钢筋混凝土、复合材料等都可以从某些方面达到抗震目的。而在我国,森林覆盖面积少,人居木材占有量少,而钢材成本较高,这些材料的使用都有相当的局限性。而在钢筋混凝土结构的关键部位采用一些韧性较高、延性较好、抗性强度高的纤维增强混凝土对提高结构的抗震性能具有非常明显的作用[3]。目前,我国的纤维增强混凝土种类繁多,例如,钢纤维混凝土、聚丙烯增强混凝土、聚合物增强砂浆、超高韧性水泥基复合材料等,这些材料的研究与发展对高层结构的抗震也起着重要作用。
结束语
本文在回顾结构抗震设计方法发展历史的基础上,探究了高层结构的抗震设防标准,并讨论文高层抗震设计中应该注意的问题。高层抗震是个很复杂的课题,涉及的考虑因素众多,由于笔者参加工作时间较短,相关工程经验较少,本文仅提供一般性的参考,如有不到之处,敬请指正。
参考文献
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【关键词】建筑工程 抗震设防对策建议
中图分类号: TU761文献标识码:A 文章编号:
一、工程抗震及其意义
建筑工程抗震是指通过编制、实施抗震防灾规划,对建设工程进行抗震设防和抗震加固,最大限度地抵抗和防御地震灾害活动。建筑物的抗震能力取决于抗震设防烈度、抗震设计和施工质量三方面,其中抗震设防烈度是基础,抗震设计是保障,而施工质量是工程抗震的关键。实践证明,在地震发生时,建筑的整体质量是保证人民群众生命安全的最重要保障,是当前预防地震的最好办法。
地震设防烈度是一个地区抗震设防规划时所依据的地震烈度,由国家主管部门对建筑工程制定必须达到的抵御地震破坏的准则和技术指标。1976 年以前,唐山地区地震设防烈度为6度,而震后修改为8 度,同时期做出修改的还有北京由6 度调整为8 度,天津由6 度调整为7 度。地震防设烈度是人为规定的,需要综合考虑地质、环境、工程重要程度等因素,以达到安全目标和经济承受能力的平衡。
1976 年后,我国对地震灾害进行了大量研究,主要成果体现在文献[1][2][3]等标准与技术文件之中,其中《GB50011-2001 建筑抗震设计规范》对于我国抗震设计具有指导和规范双重意义,既是建筑工程抗震设计的依据,也是建筑抗震安全性的衡量标准,是建筑抗震必须坚决遵照的规范。建筑抗震设计中的标准可归纳为“小震不坏、中震可修、大震不倒”。抗震设计一般分为承载力验算和弹塑性变形验算两个阶段,承载力验算是为了保证满足对于小震和中震的要求,而弹塑性变形验算是对于重点薄弱部位进行检验,并依据检验结果提出应对地震的构造措施,实现对于大震的设防要求。
建筑施工质量是工程抗震的关键。汶川特大地震中,位于重灾区的北川六汉希望小学,创造了没有一座房屋倒塌、没有一人因地震遭遇不测的奇迹,而承建该希望小学的承建商,在受灾地区所建五栋希望小学全都不倒,足以体现工程质量在抗震中的重要作用。建筑施工中的质量问题对于抗震有重要意义,应予以特别重视。
二、抗震设防存在的问题
地震烈度是一个十分复杂、模糊和笼统的主观的概念。这一概念产生于人们尚无有效的测量地震动物理参数的工具的时候。当时的地震学者用它来描述和比较某次地震在相关地区产生的影响程度的大小。地震烈度的概念发展至今,地震烈度表是其目前最精细的使用参照。不可否认,地震烈度表仍然是非常粗略的。由于地震烈度包括人的感受、地震动引起的响动之类无法量化的多重指标,这就导致了每次强震过后,强震区的烈度划分总是存在争议。由于地震烈度具有多指标综合性,在多个指标评定结果相差较多时,如何综合评定,这往往就取决于个人主观决定。不仅如此,具体到衡量地震烈度的每个指标的应用同样带有较大的随意性。目前的地震工程领域已经认识到包括结构类型,场地条件,震源机制在内的诸多因素对地震作用的影响。在实际的结构抗震工程中,认识较为成熟的影响因素已经考虑到结构抗震设计之中。地震烈度为设防指标显然没有区分种种因素造成的差异,从而也说明,在一定程度上地震烈度是一个落后的概念。总而言之,地震烈度是个十分粗略的概念,在建筑结构抗震设计中使用这一概念作为抗震设防指标是不恰当的。地震作为一个极为复杂的自然现象,地震动参数之间往往不存在明确的对应关系,事实上地震烈度和任一地震动参数之间的
对应关系更加模糊。自从20世纪30年代一50年代,人们逐渐积累了不少的地震记录,并依靠这些资料试图建立地震烈度与某个地震动参数的对应关系。最后的结论是:寻求地震动的任一单项参数与烈度的对应关系是徒劳的。这一事实的存在也就导致了在抗震工程中无法以地震烈度为出发点,直接合理的得到建筑结构的抗震设防参数,也无法经由合理的计算方法,将结构抗震验算的结果回归至地震烈度并依据三水准的设防目标来检验。考虑到地震烈度与地震动参数的对应关系极不明确,可以设想地震烈度与结构抗震概念设计要求和构造要求的对应关系更加不明确。很显然,地震烈度不是目前建筑结构抗震设防技术水准可以直接把握的概念,而在本质上,地震烈度在实际抗震设计中已经在很大程度上被绕开了。以地震烈度作为抗震设防标准的指标存在着建筑结构的抗震设计与抗震设防目标的脱节现象。
三、加强建筑工程抗震设防的措施
要适度提高建筑设防等级、提高建筑设计水平和确保工程质量等方面做到有效结合。主要措施有:
(1)建筑抗震设防,确定合理的设防等级。加固旧建筑的抗震等级。确保工程质量需适度提高设防等级的.主要是地处地震带、发生过大地震和设防级别明显偏低的地区。对于新建建筑则有必要、有可能大面积地提高抗震能力。对原有未设防的房屋,也要普遍进行抗震鉴定和抗震加固。抗震加固不仅在地震时能大大减轻房屋的破坏、保障人员的安全,就是没有发生地震,也在增加建筑物的安全、延长建筑物的使用年限、抗御其他灾害等方面具有明显的经济效益、环境效益和社会效益。
(2)完善进行抗震设防的法律依据。近年来国家为了规范抗震管理工作,建立健全建筑工程抗震设防法规体系,制定完善建筑工程抗震考核配套规章。认真做好施工单位管理规范和建筑工程抗震施工管理规范等国家标准和行业标准的制定修订工作。各地要结合
本地实际.制定和完善地方抗震设防管理审批法规规定.尽快形成国家和地方相互呼应、互为补充、比较完善的建筑工程抗震设防新体系。
(3)选择合理的地震安全性评价标准。地震安全性评价是抗震设计的一部分。它要求所设计的工程在使用期内可能遇到几次小的地震,工程基本无损,无需修理即可继续使用;在难得一遇的中震下.经修理后仍可继续使用;而在不大可能遭遇的特大地震下,可以容许工程破坏,但仍不倒塌,以保证人身安全。地震安全性评价主要包括地震危险性分析和土层地震反映,直接提供不同年限、不同概率水准的基岩与地振动工程参数。建筑工程首先要确定设防标准、设防标准定低了,工程设施安全度降低,地震时起不到抗震的效果。设防标准定高了,增加不必要的浪费,甚至工程项目因资金不足而缓建或停建。
(4)在工程建设的整个过程中抗震设防措施不容忽视。要使建筑工程真正达到能够减轻以至避免地震灾害,必须把抗震防灾工作贯穿始终,就是说在选址时选择地震危险性较小的地段作为建设场地。在抗震设计上,一定要严格按“二阶段”的设计步骤和“三个水准”的设防目标进行设计,不得马虎。在施工的各个环节上要全面贯彻抗震规范要求,充分体现抗震设计意图,使建筑物防御地震的能力得到保障,从而减轻地震灾害给人民生命财产带来的损失。
(5)加大科技投入,建立工程抗震设防管理信息化平台随着科学技术的发展。传统的管理手段已经不能满足建筑工程抗震设防的需要,迫切需要地震管理部门和建筑工程部门及建筑业业务主体三方联合起来加快建筑工程抗震设防信息化平台的构建。应用现代的通讯设备和电子计算机技术,建立健全建筑工程场地的数据库,逐步实现施工现场管理和监控的现代化.减少工程建设方因资金因素而降低工程抗震性能。可以通过工程抗震管理信息系统进行现代抗震设防管理和职能监督工作,确保建筑物在工程建设中抗震系数的真实性。
【参考文献】
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[2]戚跃远.关于框架结构抗震设防的几点认识[J].抗震研究,2008(10)
【关键词】房屋,建筑结构,抗震设计,要求
中图分类号:TU318 文献标识码:A 文章编号:
一.前言
由于经济发展速度加快,社会需求不断增多,使得建筑的高度不断加高,形态愈加复杂,建筑结构中抗震设计也趋于多样化。我国作为一个多震国家,结构设计中应注重抗震设计,良好的抗震设计和抗震措施至关重要。抗震设计中,要进行地基基础的抗震设计。抗震构造措施是结构设计的重要内容。针对房屋建筑结构中的抗震设计要求,进行结构抗震设计和抗震措施,在结构设计与建筑施工中,应熟悉各种结构设计的抗震构造措施。
二.建筑结构抗震设计的基本要求
地震作用越大,房屋抗震要求越高。不同设防烈度和场地上,结构的实际抗震能力会有差别,结构可能进入弹塑性状态的程度不同。震害表明,未经抗震设计的钢筋混凝土结构,在7度区只有个别构件破坏,8度、9度破坏增多,因此,对不同设防烈度和场地可以有明显差别。结构的抗震能力主要取决于主要抗侧力构件的性能,主、次要抗侧力构件的要求可以有区别。如框架结构中的框架与框架――抗震墙结构中的框架应有所不同。房屋越高,地震反应越大,其抗震要求越高。综合考虑地震作用,结构类型和房屋高度等因素划分抗震等级进行抗震设计,可以对同一设防烈度的不同高度的房屋采用不同抗震等级设计;对同一建筑物中结构部分采用不同抗震等级。
三.影响建筑抗震的因素分析
1.建筑抗震取决于所选取建筑结构形式
为实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震目标,新版《建筑抗震设计规范》中取消了砖混内框架结构,提高了砖混结构建筑的设计要求。目前普遍使用的框架-剪力墙结构、剪力墙结构、框架结构三种结构形式中,框架-剪力墙结构的抗震性能最为突出,剪力墙次之。单纯的框架结构造价虽然抗震性能不如前两种,但其造价较低,施工技术成熟,是目前最为常见的结构形式。根据建筑当地的实际情况,结合建筑的使用功能,选取合适的结构形式,对于建筑抗震意义重大。
2.建筑抗震取决于适宜的抗震措施
在场地类型不同的情况下,抗震措施主要由建筑的不同等级决定。在确定建筑等级及场地类型之后,将先进的抗震理念和系统的分析计算纳入到抗震措施设计中,即可改善建筑抗震设计,提高建筑抗震效果。
3.影响房屋建筑抗震性能的因素
房屋建筑抗震性能取决于场地选择、施工质量等其他因素。建筑工程场地选择不当等造成施工质量下降,这些因素都可能对建筑结构的抗震性能造成重要影响。选择建好的工程场地、加强施工质量监督,对于提高建筑抗震性能是十分必要的。
四.建筑抗震设计具体分析
抗震设计的重要基本要求就是要确保房屋基础构造的延性设计要求得以保证,能够在建筑结构延性问题上设立多道防线,以此才能避免建筑结构脆性过大造成的构造强度失衡、失控的现象发生,从而影响其抗震性能及成果。因此,这就需要做好以下几点把握。
1.周全考虑房屋建筑选址问题在房屋工程项目立项之初,就要周全考虑好能够发挥抗震成果的选址问题,如健全周到考虑好土体结构、地质、地貌等问题,并要预测分析地震活动发生时建筑构造的承受能力,且要记录相关技术资料档案中,待实地考证时能够综合评价。此外,还要避开影响建筑构造抗震效果发挥的不利区域、地段等,当避无可避时应当立足实际采取合理控制措施
2.加强建筑构造规划研究
由于地震发生时建筑结构本身会发生应力过于集中、突破塑性变形弹性极限等的可能,进而形成结构抗震薄弱部分。因此,建筑构造设计应能保证建筑结构延性、安全度、以及选取合适的建筑平面、剖面进行设计,既要保证建筑结构强度稳定,又能避免建筑脆性过大而延性过小的负面现象发生。
3.保证地基与基础设计要求当房屋项目工程的地基土体为粘性土、软土、液化土、以及不均匀沉降土时,应当评估好地基的基础沉降是否在预控范畴之内,是否发生严重不规则沉降现象,从而才能有针对性的采取防控措施。
4.满足建筑构造体系设计要求
抗震性能价值体现是建筑构造体系设计中的重要组成部分。因此在构造设计上就要综合分析、周全考虑、能够统筹把握好各项综合因素。如考虑好抗震防御等级、抗震强度控制指标、项目建设场地、以及基础地基处理、供应材料的质量体系要求、现有技术规模等问题。
5.确保建筑构造的构件要求
(一)房屋建筑工程的结构基础构件设计应当满足相关规程标准、要求,如混凝土的圈梁、构造柱、芯柱、或者配筋砌体等的质量建设体系要求就必须能够保证。
(二)要保证混凝土结构合理设计,在建筑的具体结构构件应能具备尺寸合理、纵向承重钢筋及箍筋的强度达到设计标准,目的是控制剪切破坏先于弯曲破坏发生的可能,以及防止钢筋屈服而引起的构件塑性变形遭受破坏发生。
(三)钢结构建筑施工时能够保证其构件尺寸、规格、数量合理,进而才能避免整体构造抗震成果发挥不利、结构失稳的现象发生。最后,还要周全考虑好建筑构造构件之间的链接、衔接性的体现,控制好构件节点的稳定性,保证其在地震发生时的塑性破坏能够晚于其他结构构件,进而才能增强建筑结构的整体稳定性与安全度。
五.建筑结构设计抗震关键措施和设计方法
1.建筑结构抗震措施要点
(一)房屋建筑结构设计要从建筑的全局出发,全面考虑各种建筑部位的功能,在此基础上,科学设计每个部分的构件,保证每个部件之间的契合,促使每个部件或者是若干部件组合起来可以完成某一特定的设计要求,满足一定的现实需求,同时,通过抗震设计,使得每个构件都可以具有相应的承载力,当地震来袭,每个构件都可以有着一定的次序先后破会,整体组合构件将会有着更强大的承载力和柔性,从而延缓地震破坏的速度,消耗爆发的能量。增强建筑的整体抗震能力。
(二)要严格选择地基选址,地基选址是进行建筑结构设计的基础,因此,在建筑结构抗震设计中,要科学避开山嘴,山包,陡坡,河流等不利因素,要本着坚硬,牢固,平坦,开阔的选址原则。亲身实地,利用先进技术设备,进行地质勘探,山石水土监测,并取样论证,科学严谨分析。力求使得整个地基牢固可靠,地质稳定无渗漏,无坍塌,无暗河,无熔岩,无火山……从而保证整个地基不会因为承载而发生小范围的坍塌。影响到整体承载能力和抗震能力设计。
(三)采用合理的建筑平立面。建筑物的动力性能基本上取决于其建筑布局和结构布置。建筑布局简单合理,结构布置符合抗震原则,通过无数次的实验表明,简单、规则、对称的建筑结构抗震能力强,对延缓地震烈度范围延伸,消耗地震的能量,减少地震对整体结构的破坏,而且,对称结构容易准确计算其地震反应。
(四)选择合理的结构形式。抗震结构体系是抗震设计应考虑的关键问题。建筑结构抗震设计中,不同结构的抗震结构体系的承载力受到抗震设防烈度、建筑高度、场地条件以及建筑材料、施工条件、经济条件等多种条件的影响,因此房建结构抗震设计要综合考虑,做到科学选择,严谨设计。
(五)结构良好的延性有助于减小地震作用,吸收与耗散地震能量,避免结构倒塌。因此,结构设计应力求避免构件的剪切破坏,争取更多的构件实现弯曲破坏。
六.结束语
因为涉及到人类生命财产安全的重要问题,建筑物的抗震问题是目前建筑结构设计界讨论比较多的话题之一。因此,我们在对建筑物进行结构设计的时候,必须把房屋建筑结构中的抗震设计要求放到非常重要的位置,并采取适当的措施,尽量避免地震对建筑物的损坏,为保障人民的生命及财产作出应有贡献。
参考文献:
[1]戴国莹.建筑结构基于性能要求的抗震措施初探[J].建筑结构,2011,(08)
[2]吴智,李贵男,段壮志.民房建筑结构抗震能力分析与抗震措施探讨[J].山西建筑,2012(10).
[3]高利学.浅谈高层建筑的抗震设计与抗震结构[J].中国新技术新产品,2012,(03)
[4]黄星敏.房屋震害影响因素分析及应对措施[J].中国高新技术企业,2010,(2)
关键词:高层建筑;抗震;结构设计;探讨
中图分类号:[TU208.3]文献标识码:A文章编号:
1 高层建筑发展概况与存在问题
80年代,是我国高层建筑在设计计算及施工技术各方面迅速发展的阶段。各大中城市普遍兴建高度在100m左右或100m以上的以钢筋为主的建筑,建筑层数和高度不断增加,功能和类型越来越复杂,结构体系日趋多样化。比较有代表性的高层建筑有上海锦江饭店,它是一座现代化的高级宾馆,总高153.52m,全部采用框架一芯墙全钢结构体系,深圳发展中心大厦43层高165.3m,加上天线的高度共185.3m,这是我国第一幢大型高层钢结构建筑。进入90年代我国高层建筑结构的设计与施工技术进入了新的阶段。不仅结构体系及建筑材料出现多样化而且在高度上长幅很大有一个飞跃。深圳于1995年6月封顶的地王大厦,81层高,385.95m为钢结构,它居目前世界建筑的第四位。
我国高层建筑的结构材料一直以钢筋混凝土为主。随着设计思想的不断更新,结构体系日趋多样化,建筑平面布置与竖向体型也越来越复杂,出现了许多超高超限钢筋混凝土建筑,这就给高层建筑的结构分析与设计提出了更高的要求。尤其是在抗震设防地区,如何准确地对这些复杂结构体系进行抗震分析以及抗震设计,已成为高层建筑研究领域的主要课题之一。
2 建筑抗震的理论分析
2.1 建筑结构抗震规范
建筑结构抗震规范实际上是各国建筑抗震经验带有权威性的总结,是指导建筑抗震设计(包括结构动力计算,结构抗震措施以及地基抗震分析等主要内容)的法定性文件它既反映了各个国家经济与建设的时代水平,又反映了各个国家的具体抗震实践经验。它虽然受抗震有关科学理论的引导,向技术经济合理性的方向发展,但它更要有坚定的工程实践基础,把建筑工程的安全性放在首位,容不得半点冒险和不实。正是基于这种认识,现代规范中的条文有的被列为强制性条文,有的条文中用了“严禁,不得,不许,不宜”等体现不同程度限制性和“必须,应该,宜于,可以”等体现不同程度灵活性的用词。
2.2高层建筑结构抗震结构设计分析
设计阶段的结构动力特性分析。高层建筑进入初步设计阶段后,首先按方案阶段确定的结构布置进行计算分析。计算模型取自±0. 000至塔顶,假定楼板为平面内刚度无限大,其地震反应分析基本参数列于,以及可以看出,随着楼层高度的增加,结构X方向(纵向)自振周期及地震力基本正常,而结构Y方向(横向)自振周期偏长、结构刚度偏低,对应于水平地震作用的剪力较小,结构的抗震能力偏弱,结构偏于不安全。为增加Y方向(横向)的抗侧移刚度,提高其抗震能力,在现代高层建筑的设计中,可以在建筑核心筒的两侧增设四道剪力墙。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)和《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001),抗震设计时,框架-剪力墙结构中剪力墙的数量必须满足一定要求,在地震作用时剪力墙作为第一道抗震防线必须承担大部分的水平力。但这并不意味着框架部分可以设计得很弱,而是框架部分作为第二道防线必须具备一定的抗侧力能力,在大震作用下第一道抗震防线剪力墙遭受破坏时,整个结构仍具备一定的抵抗能力,不至于立即破坏倒塌,这就需要在结构计算时,对框架部分所承担的剪力进行适当调整。
3结构抗震设计方法探讨。
3.1结构抗震设计的基本步骤。
对建筑抗震的三个水准设防要求,是通过“两阶段”设计来实现的,其方法步骤如下:第一阶段设计:第一步采用与第一水准烈度相应的地震动参数,先计算出结构在弹性状态下的地震作用效应,与风、重力荷载效应组合,并引入承载力抗震调整系数,进行构件截面设计,从而满足第一水准的强度要求;第二步是采用同一地震动参数计算出结构的层间位移角,使其不超过抗震规范所规定的限值;同时采用相应的抗震构造措施,保证结构具有足够的延性、变形能力和塑性耗能,从而自动满足第二水准的变形要求。第二阶段设计:采用与第三水准相对应的地震动参数,计算出结构(特别是柔弱楼层和抗震薄弱环节)的弹塑性层间位移角,使之小于抗震规范的限值,并采用必要的抗震构造措施,从而满足第三水准的防倒塌要求。
3.2结构抗震设计方法
3.2.1基础的抗震设计
基础是实现高层建筑安全性的重要条件。我国高层建筑通常采用钢筋混凝土连续地基梁形式,在基础梁的设计中,为充分发挥钢筋的抗拉性和混凝土的抗压性的复合效应,把设计重点放在梁的高度和钢筋的用量上,在钢筋的布置上采用主筋、腹筋、肋筋、基础筋、基础辅筋5种钢筋的结合。为防止基础钢筋的生锈,一方面采用耐酸化的混凝土,另一方面是增加钢筋表面的保护层厚度,以抑止钢筋的腐蚀。高层建筑基础处理的另一个特色是钢制基础结合垫块的应用,它是高层建筑上部结构柱与基础相连的重要结构部件。它的功能之一是使具有吸湿性的混凝土基础和钢制结构柱及上部建筑相分离,有效防止结构体的锈蚀,确保部件的耐久性。
3.2.2钢结构骨架的抗震设计
采用钢框架结合点柱壁局部加厚技术来提高结构抗震性能。一般钢框架结构,梁和柱结合点通常是柱上加焊钢制隅撑与梁端用螺栓紧固连接。在这种方式下,钢柱必须在结合部被切断,加焊隅撑后再结合,这样做技术上的不稳定性和材料品质不齐全的可能性很大,而且遇到大地震,钢柱结合部折断的危险性很大。鉴于此,可以首先该结构的梁柱采用高密度钢材,以发挥其高强抗震、抗拉和耐久性。柱壁增厚法避免断柱形式,对二、三层的独立住宅而言,结构柱可以一贯到底,从而解决易折问题。与梁结合部柱壁达到两倍厚,所采用的是高频加热引导增厚技术。在制造过程中品质易下降的钢管经过加热处理反而使材料本来所具有的拉伸强度得以恢复。对于地震时易产生的应力集中,柱的增厚部位能发挥很大的阻抗能力,从而提高和强化了结构的抗震性。
3.2.3墙体的抗震设计
“三合一”外墙结构体系,首先是由日本专家设计应用的,采用外墙结构柱与两侧外墙板钢框架组合形成的“三合一”整体承重的结构体系。该体系不仅仅用柱和梁来支撑高层建筑,而是利用墙体钢框架与结构柱结合,有效地承受来自垂直方向与水平方向的荷载。由于外墙板钢框架的补强作用,该做法可以较好地发挥结构柱设计值以外的补强承载力。加强了对竖向地震力及雪荷载的抵抗能力,最大限度地发挥其抗震优势;另一方面,由于外墙板钢框架与内部斜拉杆所构成“面”承载与结构柱的结合并用,也提高了整体抗侧推力和抗变形能力。它的抗水平风载和地震力的能力比单纯墙体承重体系提高30%左右。
4增大结构抗震能力的加固与改造技术
建国几十年来,我国的抗震加固与改造技术得到了飞速发展。1976年唐山地震后,砌体结构抗震加固的问题日益突出,砌体结构抗震性能不好:砌体墙体抗震能力、变形性能的不足、房屋整体性不好。因此,增大墙体抗震性能的外包钢筋混凝土面层、钢筋网水泥砂浆面层加固技术及增大结构整体性的压力灌浆加固技术、增设圈梁(构造柱)加固技术、拉结钢筋加固技术;通过增设抗震墙来降低抗震能力薄弱构件所承受地震作用的增设墙体技术等应运而生。目前该技术广泛用于砌筑墙体的加固。
常见的混凝土柱加固技术有加大截面加固技术、外包钢加固技术、预应力加固技术、改变传力途径加固技术、加强整体刚度加固技术、粘钢加固技术以及碳纤维加固技术等。这些绝大部分都是经过长期实践检验可靠性比较高的技术,已收入国家标准《混凝土结构加固技术》(cecs25—90)。此类技术不仅有比较充分的理论依据,规范还提供了详细的计算公式。如混凝土柱的外包钢法加固技术,开始阶段的计算方法是分别计算混凝土柱和外包钢,外包钢按钢结构计算:当外包装的缀板加密并出现湿式的施工方法时,其计算按整体构件考虑;当缀板施加。
5结语
高层建筑已经逐渐成为当前时代建筑发展的主流建筑形态之一,对于高层建筑,其抗震效能的分析一直是国内外建筑抗震设计分析的研究热点,而最直接最有效的抗震措施就是在建筑设计阶段进行结构抗震设计,只有从高层建筑物内部实施结构抗震,才能够从根本上提高高层建筑的抗震效能。本论文从高层建筑结构设计的角度进行了抗震分析,对于具体的高层建筑抗震设计具有一定指导和借鉴意义。
参考文献:
[1]李忠献.高层建筑结构及其设计理论[M].北京:科学出版社,2006.
关键词:液体粘滞阻尼器;抗震加固; 实用性;应用前景
中图分类号:U445.2 文献标识码:
Application of Research and Practicability Analysis of FVD in Municipal Bridge Seismic Strengthening
Qin Zhiyuan1, Chen Yongqi2
(1.Beijing University of Civil Engineering and Architecture, 100044;2. Beijing QITAI Shock Control and Scientific Development Co.,Ltd, Beijing 100037)
Abstract: This paper firstly make analysis of the bridge's seismic vulnerability and seismic strengthening methods, and then summarize experiences on the practical designing of seismic strengthening of municipal bridges, such as Fu Cheng Men bridge, De Sheng Men bridge, An Ding Men bridge, etc.. The summarize shows the designing method of municipal bridges strengthening when using the FVD, and also, it is compared with the conventional reinforcement technology, which reveals the advantages of reinforcement measures in engineering cost, traffic impact, and implementation. In addition, it analyses the optimization analysis method of the damper parameters. Finally, it propose problems of dampers has existed in our nation and the dampers' prospect and market. Among the cases studied, the research results show that: The bridges without seismic designing always have the shortages of having no enough ductility in the rare earthquakes. However, the method of seismic reduction and isolation reinforcement, especially the technical measures of viscous damper applied between the pier, girder and abutment, provides a good solution for the reinforcement of bridges. Not only effect of the reinforcement is obvious and the cost is low, but also, the practicability is high and the traffic impact is low. In addition, it is suitable for application. Also, the optimization of the dampers' location and design parameter need to be taken into account during the designing process of dampers. It needs to be noticed that the target displacement should be distinct and the increased partial demand of force caused by the connection components in the process of reinforcement designing.
Keywords: fluid viscous damper; seismic strengthening; practical application; application prospect
作者简介:陈永祁,男,美国,CE0&高级工程师,美国纽约州立布法罗分校工程博士,主要研究方向为地震结构保护系统(E-mail: )
1前言
截至2011年底,我国在役的公路桥梁总数达 68.9 万座。这些桥梁按建造年代考虑,1990 年全国桥梁总数约为16.8万座,2000 年约为23.1万座,到2008 年底为59.5 万座. 1990年之前桥梁( 占总数的 24%) 绝大多数位于等级较低的公路上,这些桥梁建造时有的没有进行抗震设计,有的是按照早期房屋建筑规范中抗震相关条文或 1977《公路工程抗震设计规范》试行稿进行抗震设计的; 1990 ~2008 年期间建造的桥梁,大约 42.7 万座桥梁( 占总数的 62%) 基本都是依据 1989 年颁布的《公路工程抗震设计规范》( 简称 89 规范) 进行抗震设计的。2009 年起建造的桥梁,基本都是按照 2008年颁布的《公路桥梁抗震设计细则》( 简称 08 细则) 设计的。随着《公路08细则》[1]《城市桥梁抗震设计规范》[2]的颁布,城市防灾规划要求的提升,对城市立交桥的抗震性能继而提出更高要求,即城市桥梁应保证在罕遇地震下维持正常交通功能[9]。
因此,公路桥梁应尽快展开维修加固,使城市交通基础设施在地震灾害中保证使用功能,维护人民生命财产安全。
2既有桥梁地震易损特点和抗震加固原则
截至2008 年底,我国建造并运营的公路桥梁总数大约有59.5 万座桥梁,占当前既有公路桥梁总数的62%。这些桥梁大部分是依据“89 规范”进行抗震设计的。与“08 细则”相比,这些既有公路桥梁存在的地震易损特点主要体现在以下几个方面: 1) 既有公路桥梁是依照单一水准即多遇地震进行抗震计算、设计和检算的,而我国当前公路桥梁是依据两级设防地震水准进行抗震设计的。2) 与“08 细则”相比较,上述年代建造的既有桥梁在延性构造如箍筋约束、纵筋间距、纵筋搭接、锚固长度、抗剪和盖梁配筋、框架桥墩节点区域构造要求均存在一定不足,将导致桥墩延性能力不足,框架节点区域也可能遭受破坏。 3) “08 细则”对防落梁装置和挡块设置提出了更高要求,特别是对跨径小于 40 m 的梁式桥,这意味着既有桥梁的防落梁搭接长度相对不足,存在较高的落梁破坏风险。
另外,根据专家在北京设计的经验在城市立交桥梁中看出,存在以下问题:1) 高墩纵向钢筋配置不均时,在变截面处加密箍筋,否则会导致抗弯能力不足,发生弯曲破坏。2) 矮桥墩要保证抗剪力足够,否则会发生脆性断裂。3) 目前抗震挡块的抗冲击力不足,应适当予以提高。4) 马甸桥、东便门桥、天宁寺桥等市政桥梁,均不同程度存在设防地震或罕遇地震下桥墩抗弯承载能力不足[4]。
根据以上易损性地特点,如下桥梁抗震加固原则被提出:
首先,应从体系抗震加固角度出发,依据识别的抗震薄弱部位或构件,讨论经济有效的加固方案,并从提高桥梁各构件的抗震能力( 强度和延性能力) 和减低地震对桥梁结构的地震需求( 减隔震) 两方面出发,来探讨各种可能的有效加固方案。
其次,在体系抗震加固方案比选的基础时需同时考虑桥梁正常使用条件的限制。
3桥梁抗震加固方法
目前从桥梁结构体系角度出发的抗震加固方法主要有:(1)梁连续化、质量轻型化方法(2)常规抗震加固方法(3)减、隔震加固技术(4)改变现有结构体系加固法(5)防落梁构造加固方法。虽然抗震加固有种种方法,但对某具体工程,往往需要在技术、经济、施工等的可行性中进行反复论证,才能提出合理可行的方案。另外,于2014年2月21日由住房城乡建设部推出关于房屋建筑工程推广应用减隔震技术的条文中提出,近年来,随着建筑工程减震隔震技术研究不断深入,我国一些应用了减隔震技术的工程经受了汶川,芦山等地震的实际考验,保障了人民生命财产安全,产生了良好社会效益。实践证明,减隔震技术能有效减轻地震作用, 提升房屋建筑工程抗震设防能力。并且提出了加强宣传指导,做好推广应用工作,加强设计管理,提高减隔震技术应用水平,加强施工管理,保证减隔震工程质量的等具体要求。可见未来的抗震加固趋向将主要围绕减隔震加固技术展开[10]。
4市政桥梁粘滞阻尼器加固的典型案例
这部分,笔者将之前参与的三个工程即北京的阜成门桥,德胜门桥,安定门桥进行有关粘滞阻尼器抗震加固方案的研究进行分析,并且其中阜成门桥。笔者主要侧重于抗震效果和经济性分析方面展开,德胜门和安定门主要就抗震的参数优化方面进行分析。
4.1案例一北京阜成门桥[4]
4.1.1模型建立
采用空间结构有限元建立该桥的有限元动力计算模型,以顺桥向为x轴,横桥向为y轴,竖向为z轴。主梁、墩柱、单桩采用梁单元模拟,桩周围采用土弹簧模拟桩土相互作用。全桥计算模型如图1。
图1 阜成门桥抗震分析模型
Fig.1 the FEA model of Fu Cheng Men Bridge
4.1.2现况桥梁抗震能力分析
根据《公路08细则》,可确定E1地震(50年超越概率63%)、E2地震(50年超越概率2%)设计水平加速度反应谱如下图2所示。以设计反应谱为目标谱,生成人工地震波如图3、4所示。并得出现况桥梁地震反应如表1。
图2 阜成门桥设计地震反应谱(2008年版抗震细则)
Fig.2 The earthquake response spectrum of Fuchengmen Bridge
图3 E1工地震时程 图4 E2人工地震时程
Fig.3 The artificial waves of E1-level earthquake Fig.4 The artificial waves of E2-level earthquake
表1 现况桥梁地震反应
Table 1 Seismic responses of the current bridge
地震水平 墩柱名称 剪力(kN) 抗剪能力(kN) 弯矩(kN・M) 抗弯能力(kN・M) 梁端位移(cm)
E1纵向+竖向 固定墩 264 178 1256 1080 4
活动墩 17 116 51 689
固定墩桩 691 304 1569 1012
活动墩桩 36 247 84 530
E2纵向+竖向 固定墩塑性转铰 不满足现行延性构件的构造要求 15
4.1.3阻尼器加固后抗震能力分析
经过设计经验总结,采用减震技术对整体结构进行抗震加固。即在桥梁两端的主梁与桥台之间安装液态粘滞阻尼器,通过阻尼器耗散地震能量,使固定墩分担的地震力显著减小。达到即使在罕遇地震作用下,固定墩在原有配筋条件下处于弹性阶段,确保地震中不损伤。由单柱墩抗弯能力与墩顶位移的相关关系,可以确定墩顶的极限位移为1.5cm。以此作为罕遇地震下结构目标位移,结合主梁横断面情况,按照工程经验在两侧桥台各设置10个阻尼器,初步拟定阻尼器参数选取范围:C=700~1200kN•(s/m) α,α=0.2~0.6,在此范围进行阻尼器参数比选分析。最终确定阻尼器参数为:C=1000 kN•(s/m) α,α=0.3。采用此方案,结构地震反应计算结果如表2所示。
表2阻尼器加固桥梁抗震能力分析
Table 2 seismic resistance analysis of bridge with dampers
地震水平 墩柱名称 剪力(kN) 抗剪能力(kN) 弯矩(kN・M) 抗弯能力(kN・M) 梁端位移(cm)
E1纵向输入 固定墩 8 178 37 1080 0.1
活动墩 18 116 51 689
固定墩桩 20 304 48 1012
活动墩桩 36 247 84 530
E2纵向输入 固定墩 62 178 508 1080 1
活动墩 62 116 182 689
固定墩桩 260 304 568 1012
活动墩桩 123 247 287 530
另外,注意到应用粘滞阻尼器会增加桥台受力,应进行复核验算。
4.1.4加固方案经济性及可实施性分析
将阻尼器加固方案与常规加固方案进行比较表明,如表3所示:该方法可以降低维修加固成本38%左右,且交通影响很小(只须占辅路非机动车道安装阻尼器施工),因而可操作性强,施工过程可见图11。
表3 加固方案比较
Table 3 the comparison of strengthen scheme
项目名称 常规加固方案 阻尼器加固方案
主要工作内容 更换中墩支座;增大墩柱截面,并外包钢板;对原承台进行加宽处理,在承台加宽部分下施工桩基础 在主梁及桥台表面安装阻尼器基座及锚筋
交通影响 二环主辅路各断行一个车道 对二环辅路有一定影响,但不断路
施工周期 约90天 约60天
总造价 1220万 760万
4.2案例二德胜门东桥[5]
4.2.1模型建立
对德胜门原桥进行抗震性能评估:结构建模采用三维空间有限元模型,主梁、桥墩采用空间梁单元,桥面板采用均匀布置在主梁上梁单元的,边跨两侧在顺桥向以及横桥向采用弹簧单元模拟支座;图5为德胜门桥有限元模型。
图5德胜门桥计算模型
Fig.1 The Caculation Model Of Deshengmen Bridge 图6E2级的地震下频谱数据
Fig.2 the frequency spectrum data of E2-level earthquake
4.2.2现况桥梁抗震能力
对现况桥梁进行反应谱分析,采用《公路桥梁抗震设计细则JTG/T B02-01―2008》[5]中的阻尼比为0.05的设计加速度反应谱。E1地震下,水平设计加速度反应谱最大值取为0.19g;E2地震下,水平设计加速度反应谱最大值取为0.59g,如图6。桥台前墙应力状况如表4;桥墩控制截面受力如表5。
表4桥台前墙应力状况 表5墩底弯矩(kN・M)
Table 4 the stress of front wall of abutment Table 5 the moment of the bottom of the pier
阶段 正常使用 E1地震 E2地震 阶段 正常使用 E1地震 E2地震 抗弯承载能力
前墙前应力(Mpa) -0.83(压) -0.89(压) -1.77(压) 墩底弯矩 (kN・M)
73.77
147.8
447.9 235
前墙背应力(Mpa) 0.35(拉) 0.47(拉) 2.2(拉)
中墩及分界墩在E1地震作用下处于弹性工作状态,如不进行减隔震设计,E2地震作用下墩柱将进入塑性状态,需要对墩柱抗剪及基础进行能力保护设计,但现况桥梁不能满足延性要求。
4.2.3阻尼器优化设计
以E1及E2下的反应谱为目标谱,各生成三条人工地震波作为地震输入进行时程反应分析,对阻尼器进行优化。阻尼器优化是布置位置,阻尼器个数,阻尼系数和速度指数等参数不断组合优化选取的过程,本工程优化时速度指数a选取了介于0.2-1之间的数值,C值取500-2000kN(s/m)a之间的数值。在设计中主要进行布置位置的优化和设计参数的优化。
4.2.3.1布置位置优化
图7加固方案剪力响应对比 图8加固方案弯矩响应对比图9加固方案相位移响应对比
Fig.7 comparison of shear force response of Fig.8 comparison of moment response of Fig.9 comparison of displacement response of
reinforcement schemereinforcement schemereinforcement scheme
结合德胜门桥结构形式提出两种阻尼器布置方案。方案一:桥台与主梁之间布置阻尼器8套,阻尼系数C=500kN(s/m),速度指数a=0.3;方案二:分界墩和主梁之间布置阻尼器8套,C=500kN(s/m),a=0.3。在E2地震作用下,采用非线性振型叠加法进行施加阻尼器结构关键响应的地震反应分析。对其进行地震反应对比如上图7~图9。
由上图可见:在桥台处布置粘滞阻尼器后,分界墩,中墩受力及位移可取得可观的减震效果, 但在E2地震下,桥台受力仍较大,仍然需要验算加强;若在分界墩处布置阻尼器,桥台受力大幅降低,可无需再加固桥台,但阻尼器参数还应适当优化,以确保分界墩及中墩的受力满足要求。见下文。
4.2.3.2设计参数优化
根据桥梁结构的实际情况,初步选用桥墩处布置阻尼器的方案。此外在上述分析中可以发现,桥墩处布置阻尼器时墩底剪力是地震控制响应。为此,文章选出了几种设计方案(方案A:8套C=500kN(s/m);方案B:16套C=500kN(s/m)0.3;方案C:16套C=1000kN(s/m)0.3);方案D:16套C=1500kN(s/m)0.3),对关键响应进行比较分析,对设计参数进行优化,如表6。
表:6不同阻尼参数方案墩底关键响应的比较
Table 6 comparison of key response of different damper parameters of pier’s bottom
墩柱 地震波 方案A 方案B 方案C 方案D 未布置阻尼器
左墩 人工波1 36.9 24.4 8.4 4.9 77.5
人工波2 44.1 28.8 7.9 4.9 78.5
人工波3 42.1 27.9 6.3 4.9 82.3
中墩 人工波1 36.9 24.4 8.4 4.8 77.5
人工波2 44.2 28.8 7.9 4.8 78.5
人工波3 42.1 27.9 6.3 4.8 82.3
右墩 人工波1 36.9 24.4 8.4 3.8 77.6
人工波2 44.2 28.8 7.9 3.8 78.5
人工波3 42.1 27.9 6.3 3.9 82.3
由上表可以看出,阻尼器布置越多对桥梁抗震越是有利,但是造价较高,可实施性也会较差。可以根据每种方案之间减震率的差值,分别为12.7%,22.2%,16.2%,因此阻尼器选择16套阻尼系数为1000KN(s/m)0.3 时,减震率增加幅度最大,经济性也较好。因此本桥最终选用方案为:两侧分界墩处,每侧各布置8套粘滞阻尼器,共计16套,其参数为C=1000 kN(s/m),a=0.3。
4.2.4阻尼器加固后减震率分析
采用该方案后,其减震率如下表所示(篇幅限制,仅以桥台剪力为例):
表7桥台剪力最大值(kN)
Table 7 the maximum shear force of abutment
地震波 原模型时程结果 减震后 减震率
左侧 人工波1 943.8 108.6 88.5%
人工波2 1000.17 183.48 81.7%
人工波3 1039.36 134.12 87.1%
右侧 人工波1 943.79 108.6 88.5%
人工波2 1000.15 183.47 81.7%
人工波3 1039.35 134.12 87.1%
桥台剪力减震率达60%以上,效果显著。
经粘滞阻尼器减震后,所有墩柱的最大弯矩值均小于其承载力限值,保证了桥墩在遭遇罕遇地震工况下的承载安全,满足了要求。同时通过布置位置及阻尼参数的优化设计,其减震率和可实施性得到了良好的保证,取得了很好的经济效益和社会效益。
4.3案例三安定门东桥 [5]
鉴于安定门的设计及阻尼器的优化方案方法相似,本文不再赘述。主要对阻尼器加固后的减震率进行分析:
关键构件的地震响应如下所示(篇幅限制,仅以墩柱墩底内力为例)。
表8各墩柱墩底内力(kN)
Table 13 the maximum shear force of the base of boundary and intermediate pier
地震波 原模型墩底剪力 加固方案墩底剪力 减震率
分
界
墩 左 人工波1 252.44 16.27 93.6%
人工波2 239.25 25.35 89.4%
人工波3 230.51 18.76 91.9%
右 人工波1 252.43 16.27 93.6%
人工波2 239.24 25.35 89.4%
人工波3 230.50 18.76 91.9%
中墩 人工波1 58.91 15.27 74.1%
人工波2 58.99 14.50 75.4%
人工波3 53.25 14.25 73.2%
经粘滞阻尼器减震后,所有墩柱的最大弯矩值均小于其承载力限值,保证了桥墩在遭遇罕遇地震工况下的承载安全,满足了要求。
4.4 工程案例现场施工图
图10现场施工图
Fig. 10 Pictures of Site Operation
4.4案例经验总结
根据前面的案例,以得到以下经验:
(1)没有进行抗震设计、或按照77规范进行抗震设计的现役城市桥梁,一般而言普遍存在罕遇地震下延性能力不足等缺陷,应尽快开展抗震加固。
(2)减、隔震加固方法,特别是在墩梁、桥台主梁之间施加粘滞阻尼器的技术措施,为在交通拥堵严重的城市中进行立交桥抗震加固提供了一个很好的解决方案。
(3)减震加固时,需进行阻尼器布置位置及设计参数的优化,在达到控制目标位移的基础上,确保与阻尼器连接关键构件能满足承载力及正常使用极限状态的要求。
当然通过上述实例可发现,采用液体粘滞阻尼器对城市立交桥进行减、隔震加固,只要布置位置恰当,参数选择合理,则无论在墩台受力方面,还是防落梁方面,都具有显著地减震效果;与常规加固方法相比,无论是对交通的影响,或者是施工的复杂性和时间,还是造价方面也都有较大优势,易于在同类桥梁中推广应用。
5阻尼器在我国应用存在的问题及其前景(市场走向)
5.1阻尼器在我国应用存在的问题及其前景
近些年来,随着我国基础建设的加强,大型公共建筑和桥梁的飞速发展,阻尼器在我国土木工程界的发展很快,还将有更大的发展空间。在美国阻尼器的大量应用是经过十几年的发展过程。这是一个从基础研究到工程鉴定、从大量的试验到设计规范、直到140多个大型工程的应用过程。在我国,基础研究和大量的使用比起来就显得不足。不少问题有待我们去改进和提高,例如,缺少相应的设计规范和阻尼器验收规程,减隔震设备的测试手段和测试规程欠缺以及阻尼器基本知识的普及等。
5.2抗震阻尼器未来的市场走向
在国际上,阻尼器的应用已经十分广泛,迎来了自身发展的“新纪元”。国内市场前景很好。也正因国内市场前景可观,一些山寨产品、甚至是假冒伪劣产品的发展速度惊人,它的低价位成为了主要的市场竞争手段。我们只能面对这种形势,在阻尼器产品的介绍宣传和工程实际应用上更加努力,提高大家对这种产品的认识,并通过自己的国际优势,将世界上最先进的理论、最优良的产品推广到国内。
总之,近十几年来,随着桥梁工程、抗震工程等在我国的发展,阻尼器在我国土木工程界应用越来越广泛,随着我国基础建设力度的加大,阻尼器在我国有十分广阔的应用空间。我们已有了一个很好的开始。随着进一步的完善,一定会有更加广阔的发展前景。
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关键词: 地下结构, 研究现状, 展望
Abstract: In recent decades, underground structures in urban construction, transportation, defense engineering, hydraulic engineering and other fields has been more widely used. In this paper, underground seismic studies surveyed in detail, and its future development were discussed.
Keywords: underground structure, status, prospects
中图分类号:TU93文献标识码:A
1.引言
在我国,随着城市化水平的快速提高,城市人口、城市规模和生态环境面临着巨大的压力,而地下空间的开发和利用正是缓解地上空间各种压力的直接而有效的途径。目前全世界高烈度地震区内的城市地铁等地下结构大规模建设是在近20多年内才出现的,大多数还没有经过强地震的检验,因此灾难性的震害记录不多。1995年日本阪神大地震中,神户市地铁车站及区间隧道遭到严重破坏,世界各国学者对地下铁道遭受震害问题给予了极大的重视,使地下结构抗震研究出现前所未有的热潮,成为地震工程界重要的研究方向。
2. 应对地震的两种途径
纵观人类的建筑历史,人类应对地震对建筑物破坏的措施主要通过两种途径来解决,即: (1)通过减小地震动的输入来控制地震动对建筑物的影响,使这种影响被控制在建筑物能够承受的范围之内;(2)通过改变建筑物本身的性能来适应或应对地震动,来减小地震动对建筑物的影响,使建筑物能够承受这种影响。该分类是从施力体和受力体的角度来阐述,如果从建筑物采用刚性应对和延性适应的角度定义,这两种途径也可以这样表述: (1)通过加强建筑物本身的强度来抵抗地震对建筑物的影响,从而使这种影响被控制在建筑物能够承受的范围之内; (2)通过采取适当的措施来提高建筑物对地震动所产生影响的适应能力,使建筑物能够承受该影响。这两种途径是通常所说的抗震和减震。无论是采取哪种措施,其最终目的是使地震动对建筑物使用功能的影响达到最小。
3.地下结构减震措施
在结构动力学的范畴里,“隔振”是指隔离振动,而“隔震”是指隔离地震。从以上定义可知,“隔震”是“隔振”的一个特定内容。“减振”控制是指对振动进行抑制,尽量减少有害的振动;“减震”控制是指对地震的振动进行抑制,尽量减少振动对建筑物的有害影响。这样就可以很容易地理解减震实际上属于隔振的范畴。隔振可以分成两类:一类是用隔振器将振动着的振源与地基隔开,以减少动力的传递;另一类是用隔振器将需要保护的设备与振动着的地基隔离开。前者称为主动隔振,后者称为被动隔振。在这里所指的地下结构减震主要是指被动隔振。在实际工程中,主要采用三种措施进行减震。
1加固围岩,通过对围岩进行注浆,使围岩刚度相对于衬砌刚度发生变化,从而使衬砌在地震中的响应减小,这是减震的主要途径之一。
2改变地下结构本身性能。该方法主要是通过改变地下结构刚度、质量、强度、阻尼等动力特性来减轻地震对地下结构的影响。这种方法主要有以下几种措施可以采纳。(1) 减轻地下结构的整体质量。(2) 利用柔性管片接头和采用钢筋混凝土材料等措施,增加地下结构的延性和阻尼。(3) 改善结构的形状,尽量使结构形状圆顺,避免尖角,或采用抗震缝、仰拱等构造措施。
3设置减震系统。从广义上讲,这种减震技术属于结构控制技术的范畴。所谓的结构控制,即减震系统,就是对结构本体施加控制机构,由控制机构与结构共同承受地震作用,以协调和减轻结构的地震反应。结构控制可分为主动控制、被动控制、半主动控制和混合控制等几种。对于地面的高耸结构,结构控制已经得到了应用,尤其在多震的日本应用较多,并且取得了实际的效果。而在目前的地下结构工程中,结构控制几乎没有得到大范围的应用。单纯设置减震层的情况,只是在考虑爆炸冲击荷载的军事工程项目中得到了实际应用。
4 。目前国内外抗震、减震研究方法
地下结构的抗震理论是随着地上结构抗震理论的发展而发展的。20世纪50代以前,地下结构的抗震设计是以静力理论为基础计算地下结构的地震作用。20世纪60年代初,前苏联学者将弹性力学理论用于地下结构,以此求解均匀介质中地下结构的应力应变状态。60年代末,美国旧金山海湾地区在建设速地铁运输系统(BART)时,对地铁地下结构的抗震进行了深入的研究,提出了地下结构并不抵御惯性力而是具有吸收强加变形的延性,同时不丧失其承受静荷载能力的设计思想,并以此为基础提出了抗震设计标准。70年代,日本学者基于地震观测资料,提出了反应位移法、应变传递法、地基抗力法等实用计算方法,使地下隧道和成层地基的抗震研究获得重大进展。此后众多学者又进行了详细研究,并提出了一系列实用的抗震分析方法。
研究地下结构抗震性能的主要途径有:原型观测、模型试验和数值模拟。目前还无法采用单一手段完全实现对地下结构动力反应全面而真实的解释和模拟,一般通过原型观测和模型试验来部分地或定性地再现实际现象、解释物理机制、推断变化过程、总结特性规律和分析灾变后果;在此基础上建立合理地能够反映实际动力相互作用规律的数理分析模型,发展相应的数值分析方法;再通过模型试验和原型观测结果加以验证。然后对不同抗震设计方案进行计算分析,尽可能地再现和模拟结构的实际动力反应,研究其抗震性能,提出相应的抗震对策。这是研究和评价地下结构抗震性能的较为合理有效的途径 。
美国、日本等国家都曾经对地铁等地下结构的抗震设计理论进行研究,提出了一些实用的抗震设计方法与抗震设计规范,但我国在这一领域的研究相对滞后。迄今为止,我国还没有独立的地下结构抗震设计规范,《地下铁道设计规范》(GB50157—92)和《地铁设计规范》(GB50157—2003)对地铁的抗震设计都只给出了极为笼统的规定,其原因主要是研究工作开展不够,基础资料积累不足,对地下结构灾害性动力反应和抗震设计方法缺乏系统研究。长期以来,地铁结构的抗震设计基本是参照《铁路工程抗震设计规范》(GBJ111—87)中有关隧道部分的条文和《建筑抗震设计规范》(GBJ11—89,GB50011—2001),采用地震系数法进行的,但地震系数法用于地下结构抗震计算时具有明显的缺陷 。因此,对地铁等地下结构抗震性能与破坏机理进行系统深入的研究对我国来说是一个现实而又迫切的问题 。刘晶波曾指出我国地铁等地下结构抗震分析与设计中存在的5个迫切需要解决的关键问题,在过去的几年中,我国学者对地铁等地下结构的抗震问题进行了一系列研究,提到的部分关键问题方面已取得了一定的研究成果 ,但仍然需要在理论分析、数值模拟和模型试验等方面开展更为深入细致的研究工作,系统地研究地铁车站等地下结构的地震反应与破坏灾变机理,以求在地下结构抗震研究方法与基础理论方面有更多实质性的突破。
5. 需要解决的问题及展望
目前我国在地下结构抗震分析与破坏灾变机理研究中仍然存在诸多问题需要解决,其中需要进一步深入研究的关键问题主要体现在以下几个方面。
(1) 通过对地下结构破坏特征的分析可知,地下结构在地震过程中的破坏主要受地震位移场的控制,而与加速度场的关系不明显。所以应尽快修订《铁路抗震设计规范》中有关隧道抗震部分的条文。该规范采用地震系数法来进行设计,对隧道采取抗震措施,但该分析方法并不符合隧道等地下结构的实际受力机理,需要从围岩变形和位移的角度去分析地下结构,才更加符合实际情况。考虑到目前设计单位现状,在修改规范时可以使两种方法暂时并存一段时间。
(2) 结构模型实验是分析地下结构对地震反应的一种很好的研究方法,但需要对实验模型动力相似率,以及模拟半无限地基辐射阻尼等问题加强研究,才能更好地发挥模型实验的作用。另外,还需要加强地震观测技术的研究和资金投入,并建立详细的数据库,才能使这一直观的测量数据发挥其最大的作用。
(3) 理论研究是对工程实践经验的抽象和提升。目前的地下结构抗震减震措施仅仅停留在工程经验阶段,需要加大力度进行理论研究工作。尤其需要对以下的研究工作重点展开:
①高烈度地震区隧道抗震与减震措施的耦合技术研究。
②高烈度地震区隧道洞口结构抗减震技术,以及不同地震烈度下的设防长度、基础处理技术和减震层参数等方面的研究。
③减震机理与随机响应分析及动力可靠度相互关系的研究。
(4) 注意隔震机构在大变形和后屈曲条件下的潜力、性态和必要的保护措施,进一步提高已有的橡胶支座等的各项性能指标,完善质量保证体系;
(5) 利用现代化的通讯技术、计算机技术和智能材料等,开发具有自适应能力的智能型隔震系统
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