淺析城市建設中鋼筋混凝土建筑的抗震設計

  • 來源:建筑網   2019-12-30 16:31
摘要:

在城市建設中進行建筑結構設計時一定要考慮到建筑的抗震設計。為了使整個建筑工程真正達到能夠減輕甚至避免地震災害,做好抗震設計是最根本的措施。文章根據對有關資料以及實踐經驗的總結,對城市建設中鋼筋混凝土建筑的抗震設計問題進行了研究和探討。

地震是人類在社會發展過程中遇到的一種可怕的自然災害。強烈地震常常以其猝不及防的突發性和巨大的破壞力給社會功能帶來嚴重的危害、社會經濟發展、人類生存安全和社會穩定。最近全球發生了很多強震,如海地的7.3級地震、智利的8.8級地震、我國臺灣高雄的6.7級地震,據美國國家地震信息中心 (NEIC)監測,從2010年2月15日至2010年3月17日(國際時),30天內共監測到645個事件,中國境內及邊境地區的地震共17個。最近30天,全球6級以上地震有30個,平均每天一個。另一方面,我國作為發展中國家,人口稠密,建筑物抗震能力低。因此,我國的地震災害可謂全球之最。上個世紀,全球因地震而死亡的人數為110萬人,其中我國就占55萬人之多,為全球的一半。面對這些數據,讓我們不得不在城市建設中要注重建筑的抗震設計。只有這樣才是防御和減輕地震災害最有效、最根本的措施。

  一、地震中建筑倒塌的原因 

  地震作用具有較強的復雜性和隨機性,要求在強烈地震作用下建筑物結構仍保持在彈性狀態,而不發生破壞這是很不實際的,既安全又經濟的抗震設計是允許在強烈地震作用下破壞嚴重,但建筑物并不會倒塌。由此可見,抗震設計的特點是依靠彈塑性變形的方式消耗地震能量,而建筑抗震設計也是根據這一原理展開的,達到的效果就是在遇到震級高于城市設防烈度的強震時而不至于倒塌。

  1.鋼筋混凝土框架結構層間屈服強度有明顯的薄弱樓層

  鋼筋混凝土框架結構建筑在整體設計上存在較大的不均勻性,使得這些結構存在著層間屈服強度特別薄弱的樓層。在強烈地震作用下,結構的薄弱層率先屈服,彈塑性變形急劇發展,并形成彈塑性變形集中的現象。在1976年唐山大地震中,有個13層的蒸吸塔框架,由于該結構樓層屈服強度分布不均勻,造成第6層和第11層的彈塑性變形集中,導致該結構6層以上全部倒塌。

  2.鋼筋混凝土框架結構中柱端與節點較容易破壞

  鋼筋混凝土框架結構的構件一般是柱頂重于柱底, 梁輕柱重,特別是角杜和邊柱很容易發生破壞。除剪跨比小的短柱易發生柱中剪切破壞外,一般柱是柱端的彎曲破壞,輕者發生水平或斜向斷裂;嚴重的會發生混凝土壓酥,主筋外露、壓屈和箍筋崩脫。當節點核芯區無箍筋約束時,節點與柱端破壞合并加重。當柱側有強度高的砌體填充墻緊密嵌砌時,柱頂剪切破壞嚴重,破壞部位還可能轉移至窗洞上下處,甚至出現短柱的剪切破壞。

  3.鋼筋混凝土框架結構中砌體填充墻的破壞較為普遍

  鋼筋混凝土框架結構中砌體填充墻具有鋼度大、變形能力差的特點,在地震時最先承受地震作用而遭受破壞,在八度及八度以上地震作用下,填充墻的裂縫明顯加重,甚至會發生倒塌,震害規律一般是砌塊墻重于磚墻,空心砌體墻重于實心砌體墻,上輕下重。

  二、鋼筋混凝土建筑的抗震結構設計  

  在城市建筑中較合理的框架地震破壞機制,應該是節點基本不破壞,梁比柱屈服可能早發生或多發生,同一層中各柱兩端的屈服歷程越長越好,底層柱底的塑性鉸宜最晚形成。簡單地說應該是:框架的抗震設計應使梁、柱端的塑性鉸出現盡可能分散,充分發揮整個結構的抗震能力。

  1.影響不同受力特征節點延性性質的主要因素

  樓層破壞的全過程可以通過樓層水平地震剪力與層間位移關系來描述,在抗震設防過程中,框架結構構件進入彈塑性階段時,構件在保持一定承載力條件下主要以彈塑性變形的方式來消耗和分解地震的能量,所以框架結構需有足夠的變形能力,這樣才能才起到抗震的效果。試驗研究表明,強節點、強底層柱底、強柱弱梁和強剪弱彎的框架結構有較大的能量消耗能力,極限層間位移大,抗震性能也比較好。規范通過構件承載力調整辦法在一定程度上可以體現上述的強弱要求,且考慮了設計者的使用方便,采用地震組合內力的抗震承載力驗算表達式,只是要對地震組合內力的設計值按有關公式進行相應的調整。大量實驗研究表明,影響不同受力特征節點延性性質的主要因素有相對配筋率、相對作用剪力以及貫穿節點的梁柱縱筋的粘結情況。

  2. 延性框架結構的設計原則

  “5.12”汶川大地震實踐證明,建筑結構在大地震中要求保持足夠的承載力來吸收進入塑性階段而因地震產生的巨大能量,因為此時的結構在震中已經進入到了一個塑性階段,很容易發生變形。所以,根據這種特點和抗震的要求,城市建設的鋼筋混凝土結構建筑抗震設計均要求按延性框架結構進行設計,所以建筑結構的設計必須保證結構局部薄弱區的承載力與鋼度,保證了建筑構造的整體性,延性的增加也就提高了建筑的變形能力,這樣可以減少地震的破壞性從而提高了建筑的抗震能力。

  在結構布置上,要保證強柱弱梁的設計原則,按擴大了的柱端抗彎承載力進行設計,理論上可將柱屈服的可能性減少。但受到各種因素,如梁的實際抗彎承載力可能增大,高振型使柱中反彎點的轉移等綜合因素影響,要使柱中完全避免塑性鉸是比較困難的,同時為了實現強剪弱彎的要求,保證塑性鉸區域的局部延性,也必須通過一定的構造措施來保證結構的延性,具體做法如下:

  2.1把握好材料質量拒絕豆腐渣工程,材料延性對確保結構延性極為重要,為此規范對材料也提出了相應的限制,如保證鋼筋強屈比、延伸率及混凝土強度等級等,同時對施工過程中可能出現的鋼筋代換也提出了相應的限制。

  2.2限制軸壓比與縱筋最大配筋率合理的受力過程可明顯提高構件延性,為實現受拉鋼筋的屈服先與受壓區混凝土壓碎的破壞形態,以提高塑性鉸區域的轉動能力,規范限制軸壓比與縱筋最大配筋率,同時對混凝土受壓區高度也提出相應要求。

  2.3 加密塑性鉸區內的箍筋間距是很重要的一點,為保證強節點、強柱弱梁、強底層柱底和強剪弱彎的設計原則及塑性鉸區域的局部延性,有必要加密塑性鉸區內的箍筋間距,這不但可提高柱端抗剪能力,還可約束核心區內混凝土,對縱向鋼筋提供側向支承,防止大變形下縱筋壓曲,從而改善塑性鉸區域的局部延性。規范對約束區縱筋的最小直徑、最大間距、塑性鉸區域的最小長度等做出了詳細的規定,并對箍筋肢距及箍筋形式提出了相應要求。

  總結:鋼筋混凝土框架結構是我國城市建設中大量存在的建筑結構形式之一,通過對往年的地震災害損失數據研究表明:鋼筋混凝土框架結構的節點與柱端的破壞較為嚴重,所以在這些結構的抗震設計中必須滿足強剪弱彎、強柱弱梁、強節點、強底層柱底等延性設計原則。

在鋼筋混凝土建筑抗震設計的實踐中,由于地區的不同和設計人員對規范的理解和掌握尺度的不同,造成建筑的結構布置以及計算方法上相互差異較多,在設計上也會產生較多的爭議,因此抗震設計方法還需要深入研究。   

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