抗震支架設(shè)計(jì)的核心概念是那些？

建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)包含了兩個(gè)設(shè)計(jì)范疇，即概念設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)計(jì)。建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)主要針對(duì)地震的不確定性和有限元分析的近似性，從概念上，特別是從結(jié)構(gòu)總體上考慮抗震的工程決策；建筑結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)主要是采用二階段的抗震設(shè)計(jì)方法(地震作用計(jì)算、構(gòu)件強(qiáng)度驗(yàn)算和結(jié)構(gòu)變形驗(yàn)算等)實(shí)現(xiàn)三水準(zhǔn)的抗震設(shè)防要求。

兩者是相輔相成的。作為一個(gè)正確的抗震設(shè)計(jì)，必須重視抗震概念設(shè)計(jì)，靈活而又合理地運(yùn)用抗震設(shè)計(jì)思想，才能不致陷入盲目的計(jì)算工作。

1.結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

01 合理的建筑體型和結(jié)構(gòu)形體：

1）使風(fēng)荷載效應(yīng)*??；

2）使地震作用效應(yīng)*小。

02 合理的結(jié)構(gòu)選型：

1）應(yīng)具有明確的計(jì)算簡(jiǎn)圖和合理的地震作用傳遞途徑。

2）應(yīng)避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載能力。

3）應(yīng)具備必要的抗震承載力，良好的變形能力和消耗地震能量的能力。

4）宜有多道抗震防線。

5）宜具有合理的剛度和承載力分布，避免因局部削弱或突變形成薄弱部位，產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力集中或塑性變形集中。

6）結(jié)構(gòu)在兩個(gè)主軸方向的動(dòng)力特性宜相近。

03 合理的結(jié)構(gòu)布置：

結(jié)構(gòu)平面布置宜規(guī)則對(duì)稱

1）豎向構(gòu)件沿周邊對(duì)稱布置；

2）剪力墻帶翼緣；

3）承載力大的地方布置豎向構(gòu)件。

結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度沿豎向宜均勻變化

豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和材料強(qiáng)度宜自下而上逐漸減小、避免側(cè)向剛度和承載力突變。

1）剛度如太小，則地震時(shí)的側(cè)移大，導(dǎo)致非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞加重；剛度如太大，則地震力將增加。

2）結(jié)構(gòu)的抗剪、抗彎、抗壓、抗拉、抗扭等強(qiáng)度均應(yīng)滿足抗震要求。

3）四強(qiáng)四弱：

①?gòu)?qiáng)柱弱梁；②強(qiáng)剪弱彎；③強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件；④強(qiáng)壓弱拉。

整體為彎曲變形而非剪切變形

盡量避免扭轉(zhuǎn)變形。

04 采用高強(qiáng)輕質(zhì)的材料

充分發(fā)揮構(gòu)件材料性能：延性（變形能力）要強(qiáng)。結(jié)構(gòu)在保持一定強(qiáng)度條件下，如具有穩(wěn)定的塑性變形能力，則在地震中可消耗輸入于結(jié)構(gòu)的地震能量，減少地震力，防止結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重脆性破壞或倒塌。

05 整體性要好：

整體性可防止結(jié)構(gòu)構(gòu)件及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震時(shí)被震散掉落，同時(shí)它也是結(jié)構(gòu)發(fā)揮空間作用的基本條件。

06 合理設(shè)置抗震縫、伸縮縫、沉降縫。

07 合理選擇基礎(chǔ)類型。

08 施工質(zhì)量要精良。

09 造價(jià)要合理。

2.場(chǎng)地與地基的概念設(shè)計(jì)

場(chǎng)地影響結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的大小決定了結(jié)構(gòu)的震害。一般來(lái)說(shuō)，在深厚的軟土層上，高層建筑的地震反應(yīng)較為強(qiáng)烈；在淺薄的硬土層上，則自振周期較短的結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)較為強(qiáng)烈。因此，在設(shè)計(jì)軟土地基上的房屋時(shí)，要注意柔性結(jié)構(gòu)的反應(yīng)；反之，在設(shè)計(jì)硬土地基上的房屋時(shí)，要注意剛性結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。

在地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，要注意同一結(jié)構(gòu)單元不宜設(shè)置在性質(zhì)截然不同的地基土上以及采用不同類型的基礎(chǔ)，地基有軟弱粘性土、液化土、新近填土或嚴(yán)重不均勻土層時(shí)，宜加強(qiáng)基礎(chǔ)的整體性和剛性。

3.結(jié)構(gòu)布置的概念設(shè)計(jì)

地震后的震害調(diào)查和理論分析證明，結(jié)構(gòu)體型簡(jiǎn)單，剛度中心和質(zhì)量中心一致，沿平面、豎向的質(zhì)量分布及剛度分布均勻的建筑物，有更好的抗震能力，震害小。因此，在概念設(shè)計(jì)中，對(duì)結(jié)構(gòu)的布置要注意以下幾點(diǎn)：

01 建筑物平面布置宜簡(jiǎn)單、對(duì)稱、質(zhì)量中心與剛度中心重合。

從抗震觀點(diǎn)看，方形、矩形、圓形、正多邊形等簡(jiǎn)單平面*有利。平面伸出的翼部較長(zhǎng)，有凹角，而且在某一方向上不對(duì)稱，屬于不規(guī)則平面，地震時(shí)，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)將使遠(yuǎn)離剛度中心的翼肢端產(chǎn)生較大的位移而開裂、倒塌，或使凹角處產(chǎn)生應(yīng)力集中而開裂。

這里要注意，即使平面規(guī)則、對(duì)稱的建筑，仍要求質(zhì)量和剛度的平面分布使剛度中心與質(zhì)量中心一致，否則扭轉(zhuǎn)效應(yīng)仍會(huì)發(fā)生，使遠(yuǎn)離剛度中心的構(gòu)件產(chǎn)生較大的震害。

02 建筑物豎向的剛度分布應(yīng)均勻和連續(xù)

不宜有剛度突然消弱的層次，否則地震時(shí)易造成塑性變形集中的薄弱層；也不宜使*上面幾層的剛度減去太多，否則地震時(shí)易形成鞭梢效應(yīng)，加重震害。

03 建筑物平、立面布置很復(fù)雜時(shí)，可以考慮用防震縫將結(jié)構(gòu)分離成若干個(gè)獨(dú)立的單體。

但要注意兩點(diǎn)：

1）設(shè)置防震縫的目的是把復(fù)雜平、立面的建筑，分割成簡(jiǎn)單體型的建筑物。由于設(shè)縫后也改變了結(jié)構(gòu)的自振周期（一般情況下周期變長(zhǎng)），反而有可能和地基土的固有周期接近；而且分隔后的各單體的抗震構(gòu)件要安排得當(dāng)，剛度均勻?qū)ΨQ，否則也會(huì)增加震害。

由此可見(jiàn)，防震縫的設(shè)置與否應(yīng)根據(jù)地震反應(yīng)大小和結(jié)構(gòu)布置以及地基土的特性，從概念上加以決策，必要時(shí)還要作地震反應(yīng)分析的比較。

2）如決定設(shè)置防震縫，則結(jié)構(gòu)要自上而下（基礎(chǔ)以上）斷開，縫兩側(cè)設(shè)雙柱或雙墻，并有足夠的縫寬，注意不能被建筑垃圾堵塞而不起作用，也不能因硬質(zhì)封蓋材料卡縫而失效。防震縫的相關(guān)條文詳見(jiàn)《抗規(guī)》-3.4.5 條和《高規(guī)》-3.4.9 條。

4.構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的大變形利用

在抗震概念設(shè)計(jì)中，人們應(yīng)不僅著眼于小震不壞，還要考慮大震不倒。長(zhǎng)期實(shí)踐使人們認(rèn)識(shí)到，僅利用材料的彈性階段去抗御罕遇的大地震是不明智的，應(yīng)該利用材料的彈塑性性能通過(guò)構(gòu)件以*結(jié)構(gòu)的塑性變形性能來(lái)消耗地震時(shí)輸入結(jié)構(gòu)的能量。

鋼、鋼筋混凝土的適筋受彎構(gòu)件，因其都有明顯的屈服點(diǎn)，可以通過(guò)大變形來(lái)消耗輸入的地震能量，而鋼筋混凝土受剪構(gòu)件、軸壓比高的柱子、短柱、節(jié)點(diǎn)以及砌體等卻不太具備這些特點(diǎn)。因此，在概念設(shè)計(jì)中要揚(yáng)長(zhǎng)避短，或加以改造使之改性：

01 在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中，梁、柱、節(jié)點(diǎn)三者的關(guān)系：

任何一部分進(jìn)入屈服，另外兩個(gè)部分可得到一定的保護(hù)。因此，考慮到梁、柱、節(jié)點(diǎn)的塑性性能的差異，在設(shè)計(jì)中，要考慮強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的關(guān)系，促使梁以受彎屈服的形式產(chǎn)生大變形來(lái)消耗地震時(shí)輸入的能量，從而避免修復(fù)困難的柱、節(jié)點(diǎn)的破壞和盡可能的防止倒塌。

02 砌體是一種脆性材料，但在達(dá)到極限承載能力后還有一定的變形能力。

為了利用這些變形能力，可以用內(nèi)配筋，即在水平灰縫和豎縫中配筋；或外配筋，即在墻的雙面用鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層以充分利用砌體大變形，使砌體在大變形時(shí)仍具有一定的強(qiáng)度。此外，在砌體內(nèi)設(shè)置構(gòu)造柱，形成約束砌體，從而可以充分利用砌體原有的變形能力。

5.平面剛度分布不均勻、不對(duì)稱

產(chǎn)生的震害

建筑平面復(fù)雜，結(jié)構(gòu)剛度不對(duì)稱，地震時(shí)容易引起扭轉(zhuǎn)和局部應(yīng)力集中（尤其在凹角處），若未采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施，則將會(huì)造成嚴(yán)重震害。

舉例：天津市一棟六層的現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，高 27m，平面呈 L形。由于設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有充分估計(jì)扭轉(zhuǎn)的影響，唐山地震時(shí)其處于8度區(qū)，震后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，二、三層角柱嚴(yán)重破壞，邊柱在窗臺(tái)處有水平裂縫，外墻和內(nèi)填充墻產(chǎn)生不少裂縫。

又如天津市 754廠 11號(hào)廠房，平面為矩形，中間為五層現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架，兩端均與剛度很大的磚砌樓電梯間相連，總平面布置對(duì)稱。

但由于房屋長(zhǎng)度達(dá) 110m，在中央處設(shè)置了一道伸縮縫，把整個(gè)房屋分成了兩個(gè)剛度分布不均勻、不對(duì)稱的獨(dú)立單元，唐山地震時(shí)，該廠房產(chǎn)生了顯著的扭轉(zhuǎn)，致使框架柱嚴(yán)重扭裂，樓梯間墻體產(chǎn)生嚴(yán)重開裂和錯(cuò)位。

6.總結(jié)語(yǔ)

抗震概念設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中非常重要，是展現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者先進(jìn)設(shè)計(jì)思想和深厚設(shè)計(jì)功底的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者應(yīng)該使抗震概念設(shè)計(jì)貫穿于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程，不斷思考、不斷創(chuàng)新，同時(shí)把握好設(shè)計(jì)的大原則，這樣才能保證設(shè)計(jì)成果的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性。

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