论述多层建筑框架结构抗震设计
关键词:多层建筑；框架结构；抗震设计；
1前言
地震所产生的地面运动有很大的随机性,不同点所发生地震的形波是完全不同的,从而它对建筑物所产生的作用也是很不相同的。而且目前,按抗震规范进行验算,不考虑双向地震力同时作用,实际上地震是非常复杂的三维振动。所以抗震设计所考虑的地震作用是不确定的,不能准确地预测,难以确切估计。因此,抗震设计必须留有较多的余地。抗震设计的意义就在于尽量做到防患于未然。减轻地震带来的灾害,确保建筑在一定的小震下不破坏,预防建筑在强烈地震作用下的倒塌,从而完成安全而经济的设计,达到尽量减轻地震作用下可能造成的人民生命财产和国民经济的损失。
2建筑钢筋混凝土框架结构抗震设计简要说明分析
框架结构以其平面布置较灵活,易于布置较大房间规定:工业设备和管道系统等优点,在建筑设计中较广泛地应用,而在工业建筑设计中出现较多的则是多层钢筋混凝土框架结构。设计的先期步骤要考虑选址。国内外地震经验表明,选择地震危险性较小的地段作为建筑场地,是减轻地震灾害的重要措施。场地条件对震害有明显的影响,主要来自地质构造、土质和地形的差异。地震对建筑物作用的显著特点是与建筑物本身、场地土的动力特性有关。当地震波从震源经过基岩传播到建筑场地后,地表土相当于一个放大器和一个滤波器。它一方面把基岩的加速度放大,地表土越深,土质越差,放大作用越显著,对建筑物产生的震害也越大;另一方面由各种不同频率组成的地震波通过地表土时,与场地土自振周期(卓越周期)一致的成分得到放大,不一致的成分衰减,地表土起到了滤波器的作用,使地震波的主频率与场地卓越周期的频率一致。
这样,当建筑物的自振周期与地面卓越周期一致或接近时,由于共振而使震害更加严重。资料表明,场地条件对建筑物震害影响的主要因素是:场地土的刚性(即坚硬或密实程度)大小和场地覆盖层厚度。震害经验指出:土质愈软,覆盖层愈厚,建筑物震害愈严重,反之愈轻。地震波的某个谐波分量的周期恰为该波穿过地表上层所需时间dov/Vsl的4倍时覆盖层地面振动将最显著。因此,在建筑抗震设计中,应使建筑物的自振周期避开场地的卓越周期,以避免发生此类共振现象。对于由碎石、砂、粉土、粘性土和人填土等多层形成的覆盖层,可按它们的平均剪切波速Vsm来计算场地的卓越周期。建筑物在地震作用下要受到惯性力,使建筑物产生内力与位移。地震力的大小与建筑物的质量和刚度有关。在同等烈度的场地条件下,建筑物的自重越大,受到的地震力也越大,因此,减轻结构自重,不仅可以节省建筑材料,而且有利于抗震。同样,结构刚度越大,周期越短,受到地震力也越大,因此,建筑的刚度不宜过大。在满足许可位移的前提下,可以适当调整建筑物的刚度,适当延长建筑物的周期,降低地震力,这会有很大的经济效益。
根据上述原则,由于框架结构的自振周期较长(根据资料,框架的基本自振周期为T1=(0.084～0.12)Ns式中Ns为框架的层数),建筑的自重较轻,因此在较坚硬的地基上受到地震作用较小。但纯框架结构的侧向刚度小,属柔性结构,在强地震作用下结构的层间变形大,对那些非结构件,如填充墙、建筑装修等,会造成较大的破坏,因此需限制层间弹性位移角,加强构造措施,适当增加其刚度,以达到对非结构构件遭受较小破坏的目的。由于在强烈地震作用下,建筑物的破坏机理和过程是十分复杂的,目前对它还没有充分的认识,因此,要进行精确的抗震设计是困难的。
20世纪70年代以来,人们在总结大地震灾害经验中提出了“概念设计”,概念设计是指正确地解决总体方案、材料使用和细部构造,以达到进行合理抗震设计的目的。掌握概念设计,将有助于明确抗震设计思想,灵活恰当地运用抗震设计原则,使不致于陷入盲目的计算工作,做到比较合理地进行抗震设计。GBJ11-89建筑抗震设计规范的设计标准是:采用三个水准,两个阶段的设计。三个水准的要求,即“小震不坏,中震可修,大震不倒”。两个分阶段的设计步骤,即第一阶段设计:按小震作用效应和其它荷载效应的基本组合验算结构构件的承载能力,以及在小震作用下验算结构的弹性变形,以满足第一水准抗震设防目标的要求。第二阶段设计:在大震作用下验算结构的弹塑性变形,以满足第三水准抗震设防目标的要求。至于第二水准抗震设防、目标的要求《规范》是以抗震构造措施来加以保证的。
多层框架结构是以剪切变形为主的结构。可以用楼层水平地震剪力与层间位移来描述楼层破坏的全过程,也是最明显、最具体采用二阶段抗震设计实现三个水准设防要求的结构。
1)第一阶段的设计表达式在多遇地震作用下框架的抗震设计应满足下列验算要求:
S≤R/γRE,(1)
ΔUe=Ve1k≤[θe]H,(2)
式中:S———框架梁、柱或节点组合的内力设计值;
R———构件承载力设计值;
γRE———承载力抗震调整系数;
ΔUe———对应于多遇地震作用标准值的层间弹性位移(分项系数取1.0);
Ve1———对应于遇地震作用标准值的楼层弹性水平地震剪力;
k———层间侧移刚度;
[θe]———层间弹性位移角限值;
H———层高。
满足公式(1),框架结构必然处于弹性阶段,楼层也处于远离明显屈服状态。公式(2)的验算实质上是控制建筑非结构部件的过重损坏,以减少震后的修复费用。限制了弹塑性层间位移角,实质弹性上即是限制了最薄弱杆件的弹塑性变形。当构件吸收到某一定值的地震能量之后,便会破坏,这能量E可由力—位移曲线所包围的面积来表示见图1。当结构是完全性时,力—位移是直线性关系,见图1a),当ΔOAB的面积达到一定数值时,构件破坏;如果构件有一定的塑性变形能力,则当吸收的地震能量相同时,受到的地震力较小,见图1b);如果塑性变形的能力越大,则受到的地震力越小,见图1c)。
图1a)这样的弹性变形特性的构件,是以弹性变形来吸收地震能量的;图1b)及2c，这样的构件主要是以塑性变形(延性)来吸收地震能量的。在E1=E2=E3条件下,有P1>P2>P3。相应Δ1<Δ2<Δ3,即可以利用构件的变形能力来降低设计内力。将构件破坏时的变形与屈服时的变形的比值称为延性u,u=ΔVΔg。为了保证构件有良好的抗震性能一般要求u>3,构件延性主要依靠合理的截面尺寸、适宜的配筋和充分的构造措施来保证。
3施工中应注意的问题
当框架的层数多、荷载大时,框架梁柱的混凝土强度有可能不一致。而如果此时柱的施工缝留在梁下皮标高上,节点区的混凝土与框架梁一并浇筑,梁的混凝土强度低于柱的混凝土强度,节点区的混凝土强度就会低于柱的混凝土强度,则会形成节点区的薄弱点,对抗震不利。因此设计中尽可能将梁柱的混凝土强度取为一致或接近;再就是柱的施工缝最好留在梁的上皮标高上,柱与节点区的混凝土同时浇筑。在钢筋混凝土结构施工中,往往因缺乏设计规定的钢筋规格型号,而需要另外规格型号的钢筋代替时,不宜以屈服强度更高的钢筋代替原设计中的主要钢筋。当需要替换时,宜按照构件截面实际屈服强度进行换算,并应注意替代后的构件截面屈服强度不应高于截面原设计的屈服强度。这样,可以避免造成薄弱部位的转移,以及构件在有影响的部位混凝土发生脆性破坏,如混凝土被压碎、剪切破坏等。
4 结束语
本文通过对多层钢筋混凝土框架结构抗震设计的分析,说明抗震设计在整个结构设计中的重要性及对人民生命财产和国民经济产生的重大影响。指出抗震设计要保证建筑小震不破坏,大震不倒塌,达到安全而经济的目的。
