概念设计功课

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'概念设计功课'
从汶川地震震害分析看概念设计在结构抗震设计中的重要性,摘 要:5.12汶川大地震,最明显的灾情就是建筑倒塌、道路破坏、 人员伤亡。绵阳、都江堰的地震烈度超过8度,汶川等震中烈度要超 过10度。本次地震是继唐山大地震以来,我国发生的最为严重的一 次。从这次地震的震害资料中不难看出,很多房屋的破坏程度跟结构 体系及抗震构造措施设计的合理性是密切相关的。笔者根据查阅的大 量震害资料,对结构的抗震设计提出了一些自己的看法。,关键词:结构设计;抗震性;框架结构,1何谓结构的概念设计,七十年代以来,人们在总结大地震灾害经验中发现,对结构抗震设 计来说,“概念设计”比“计算设计”更为重耍。1990年1月颁发并 开始施行的《建筑抗震设计规范》GB J 1 1?89中列出了工程设计 屮必须遵守的规定,来保证“概念设计”在实际工程屮的实现。概念 设计在实际工程设计中提高结构抗震能力方面发挥了重要作用。,概念设计就是以工程概念为依据从有利于提高结构抗震力的概念 上,用符合工程客观规律和本质的方法,对所设计的对象作宏观的控 制。1990年以來,结构工程师将概念设计应用于实际工程中取得了 很好的效果。同时随着建筑业的发展,建筑的体型、功能的日新月异 的变化与要求,我们发现89抗震规范中规定的概念设计内容不够全 面。2002年1刀实施的G B 50 011—2001《建筑抗震设计规范》(以 下简称新抗震规范)对概念设计的要求作了更全面、更符合实际的规 定,尤其是增加了 “不规则建筑结构的概念设计”,使得概念设计在 工程中的应用更具体更明确地落到实处,切实提高了结构的抗震能 力!案拍钌杓啤庇从艿焦谕夤こ探绲钠毡橹厥。下面笔者结 合汶川地震的一些震害资料,提出一些自己对于概念设计在抗震设计 中的作用的理解,和一些具休的措施。,2建筑在震害中的破坏分析与启示,2.1不同结构形式建筑的破坏,2.1.1框架结构破坏的成因分析都江堰某住宅框架出现柱铁都江堰某住宅框架结构底层们移严t绵阳某框架柱顶出现教竹狡图8框架结构的破坏都江堰某住宅框架结构底层坍塌部江堰某框架柱塑性饺剪切破坏在这次大地震屮,上面图示的框架结构破坏并未倒塌,但非常严重。,为什么抗震性能比较好的框架结构在这次大地震中的表现却如此差 强人意,还不如抗震性能相对较差的砖混结构?对照这个例子,就不 难发现纯框架结构,尤其是教学楼这种相对大开间、单跨、大窗口、 悬臂走廊的结构特点,一旦发生大的地震,纵、横方向的刚度不均匀, 很容易发生扭转破坏,而整个结构只有一道防线,就是它的框架,尤 其是柱,一旦柱了发生破坏,没有其他约束措施,整个框架因丧失全 部承载能力而倒塌。而砌体结构的住宅和办公楼,由于其开间小,所 以纵、横墙体多,只要严格按照规范设置圈梁和构造柱,整体性和延 性得到保障,结构不至于发生脆性破坏而倒塌。,对于这种大开间的框架结构,柱与柱之间的间距大,框架与框架之 间只有联系梁相连接,整个框架体系的抗横向力刚度及延性都不够, 当地震发生时,框架柱容易首先破坏,从而致使整个结构失去全部承 载能力而倒塌,而且在结构设计人员进行结构计算的时候,都是假设 荷载由板传递至梁再由梁传递至柱。但是实际情况并非如此,很多荷 载是直接由板传递给了柱子。这样由我们假定的传力路径计算出来的 弯矩和实际情况就有很大出入。在实际工程中板和梁整浇在一起,板 钢筋和梁钢筋共同工作,所以整个现浇梁板结构中梁得到了加强。而 柱则是完全靠自己承受弯矩和剪力,在地震作用下很容易首先破坏, 也就是我们在震害中所看到的,柱端出现塑性较,而整个梁板结构完 好的破坏形式。,2.1.2框架结构概念设计具体措施,从以上案例中我们不难看出对于类似于学校教学楼,商场等这样的 大开间,大柱距,纵、横刚度不均匀的钢筋混凝土结构,在设计阶段 就应该设置多道防线。应该避开地质灾害发生地段和活动断层,在进 行抗震设计之前,应该强调的是场地的安全性,应通过合理的规划, 避免在抗震不利的地段上建造房屋。这…点是至关重要的,也是概念 设计中为建筑物上的第一道保险。 地震中不少框架结构和底部框架结构都在各层柱的柱顶、柱脚处 出现了的塑性较,已濒临倒塌,但是各层的钢筋混凝土梁板结构都完 好,整个房屋框架有的已经成了 “平行四边形”的可变体系,严重的 发生了倒塌。在这里我不得不提到“能力设计法”,“能力设计法” 的要求是在设计地震力取值偏低的情况下,结构具有足够的延性能 力,具体做法是通过合理设计使柱端抗弯能力大于梁端从而使结构在 地震作用下形成“梁较机构”,即塑性变形或塑性较出现在比较容易 保证具有较大延性能力的梁端;通过相应提高构件端部和节点的抗剪 能力以避免构件发生非延性的剪切破坏。图3-1在施工质星较差的1层框架柱混凝土剥落Q图3~2 柱根箍筋枚苴不匀a,具体的措施有:,(1) “强柱弱梁”措施:主要是通过人为增大柱相对于梁的抗弯 能力,使塑性较更多的出现在梁端而不是柱端,让结构在地震引起的 动力反应中形成“梁钱机构”或“梁柱较机构”,通过框架梁的塑性 变形来耗散地震能量。,(2) “强剪弱弯”措施:用剪力增大系数增大梁端,柱端,剪力 墙端,剪力墙洞口连梁端以及梁柱节点中的组合剪力值,并用增大后 的剪力设计值进行受剪截面控制条件验算和受剪承载力设计,以避免 在结构出现脆性的剪切破坏。,(3)抗震构造措施:通过相应构造措施保证可能出现塑性钱的部 位具有所需足够的延性,具体来说就是塑性转动能力和塑性耗能能 力。,1控制受拉钢筋的配筋率。配筋率包括最大配筋率和最小配筋率, 前者是为了使受拉钢筋屈服时的混凝土受压区压应变与梁最终破坏 时的极限压应变还有一定的差距(梁的最终破坏一般都以受压区混凝 土达到极限压应变,混凝土被压碎为标志的);后者是保证梁不会在 混凝土受拉区刚开裂时钢筋就屈服甚至被拉断。,2保证梁有一定的受压钢筋。受压钢筋可以分担部分剪力,减小受 压区高度,另外在大震下,梁端可能出现正弯距,下部钢筋有可能受 拉。,3保证箍筋用量,用法。规定箍筋的最小直径,保证纵筋在受压下 不会过早的局部失稳。,4对截面尺寸有一定的要求。在施工中,如梁宽度太小,而梁上部 钢筋一般都比较多,会使混凝土的浇注比较困难,容易造成混凝土缺 陷;在震害和试验中多次发牛过腹板较薄的梁侧向失稳的事例,因此 提出要求了。,5在这里我不得不提一下框架结构中的连续梁,连续梁在中间支座 处都是有负弯矩存在的,有时这个跨屮支座负弯矩可能小于或等于与 其相邻一跨的跨中弯矩,计算机在支座负弯矩和跨中弯矩相等时可能 配置相同的配筋率,那么我们在配置支座处负弯矩钢筋的吋候就不能 完全依靠计算机的电算结果,需要人为的将支座处负弯矩钢筋适当调 小。这样可以保障在梁破坏的时候首先在支座处出现塑性较,而不是 在跨屮出现塑性较,这和当于多设置了一道防线,使连续梁变成了简 支梁,还可以继续工作。,柱的构造措施也和梁差不多,但是柱除了受弯矩和剪力以外,还要 承受轴力(梁的轴力一般都很小,在设计中都不予以考虑),尤其是 高层建筑,轴力就更
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