浅析城市建设中钢筋混凝土建筑的抗震设计

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摘 要:在城市建设中进行建筑结构设计时一定要考虑到建筑的抗震设计。为了使整个建筑工程真正达到能够减轻甚至避免地震灾害,做好抗震设计是最根本的措施。文章根据对有关资料以及实践经验的总结,对城市建设中钢筋混凝土建筑的抗震设计问题进行了研究和探讨。

关键词:城市建设 钢筋混凝土建筑 抗震设防 抗震设计

地震是人类在社会发展过程中遇到的一种可怕的自然灾害。强烈地震常常以其猝不及防的突发性和巨大的破坏力给社会功能带来严重的危害、社会经济发展、人类生存安全和社会稳定。最近全球发生了很多强震,如海地的7.3级地震、智利的8.8级地震、我国台湾高雄的6.7级地震,据美国国家地震信息中心 (NEIC)监测,从2010年2月15日至2010年3月17日(国际时),30天内共监测到645个事件,中国境内及边境地区的地震共17个。最近30天,全球6级以上地震有30个,平均每天一个。另一方面,我国作为发展中国家,人口稠密,建筑物抗震能力低。因此,我国的地震灾害可谓全球之最。上个世纪,全球因地震而死亡的人数为110万人,其中我国就占55万人之多,为全球的一半。面对这些数据,让我们不得不在城市建设中要注重建筑的抗震设计。只有这样才是防御和减轻地震灾害最有效、最根本的措施。

一、地震中建筑倒塌的原因

地震作用具有较强的复杂性和随机性,要求在强烈地震作用下建筑物结构仍保持在弹性状态,而不发生破坏这是很不实际的,既安全又经济的抗震设计是允许在强烈地震作用下破坏严重,但建筑物并不会倒塌。由此可见,抗震设计的特点是依靠弹塑性变形的方式消耗地震能量,而建筑抗震设计也是根据这一原理展开的,达到的效果就是在遇到震级高于城市设防烈度的强震时而不至于倒塌。

1.钢筋混凝土框架结构层间屈服强度有明显的薄弱楼层

钢筋混凝土框架结构建筑在整体设计上存在较大的不均匀性,使得这些结构存在着层间屈服强度特别薄弱的楼层。在强烈地震作用下,结构的薄弱层率先屈服,弹塑性变形急剧发展,并形成弹塑性变形集中的现象。在1976年唐山大地震中,有个13层的蒸吸塔框架,由于该结构楼层屈服强度分布不均匀,造成第6层和第11层的弹塑性变形集中,导致该结构6层以上全部倒塌。

2.钢筋混凝土框架结构中柱端与节点较容易破坏

钢筋混凝土框架结构的构件一般是柱顶重于柱底, 梁轻柱重,特别是角杜和边柱很容易发生破坏。除剪跨比小的短柱易发生柱中剪切破坏外,一般柱是柱端的弯曲破坏,轻者发生水平或斜向断裂;严重的会发生混凝土压酥,主筋外露、压屈和箍筋崩脱。当节点核芯区无箍筋约束时,节点与柱端破坏合并加重。当柱侧有强度高的砌体填充墙紧密嵌砌时,柱顶剪切破坏严重,破坏部位还可能转移至窗洞上下处,甚至出现短柱的剪切破坏。

3.钢筋混凝土框架结构中砌体填充墙的破坏较为普遍

钢筋混凝土框架结构中砌体填充墙具有钢度大、变形能力差的特点,在地震时最先承受地震作用而遭受破坏,在八度及八度以上地震作用下,填充墙的裂缝明显加重,甚至会发生倒塌,震害规律一般是砌块墙重于砖墙,空心砌体墙重于实心砌体墙,上轻下重。

二、钢筋混凝土建筑的抗震结构设计

在城市建筑中较合理的框架地震破坏机制,应该是节点基本不破坏,梁比柱屈服可能早发生或多发生,同一层中各柱两端的屈服历程越长越好,底层柱底的塑性铰宜最晚形成。简单地说应该是:框架的抗震设计应使梁、柱端的塑性铰出现尽可能分散,充分发挥整个结构的抗震能力。

1.影响不同受力特征节点延性性质的主要因素

楼层破坏的全过程可以通过楼层水平地震剪力与层间位移关系来描述,在抗震设防过程中,框架结构构件进入弹塑性阶段时,构件在保持一定承载力条件下主要以弹塑性变形的方式来消耗和分解地震的能量,所以框架结构需有足够的变形能力,这样才能才起到抗震的效果。试验研究表明,强节点、强底层柱底、强柱弱梁和强剪弱弯的框架结构有较大的能量消耗能力,极限层间位移大,抗震性能也比较好。规范通过构件承载力调整办法在一定程度上可以体现上述的强弱要求,且考虑了设计者的使用方便,采用地震组合内力的抗震承载力验算表达式,只是要对地震组合内力的设计值按有关公式进行相应的调整。大量实验研究表明,影响不同受力特征节点延性性质的主要因素有相对配筋率、相对作用剪力以及贯穿节点的梁柱纵筋的粘结情况。

2. 延性框架结构的设计原则

“5.12”汶川大地震实践证明,建筑结构在大地震中要求保持足够的承载力来吸收进入塑性阶段而因地震产生的巨大能量,因为此时的结构在震中已经进入到了一个塑性阶段,很容易发生变形。所以,根据这种特点和抗震的要求,城市建设的钢筋混凝土结构建筑抗震设计均要求按延性框架结构进行设计,所以建筑结构的设计必须保证结构局部薄弱区的承载力与钢度,保证了建筑构造的整体性,延性的增加也就提高了建筑的变形能力,这样可以减少地震的破坏性从而提高了建筑的抗震能力。

在结构布置上,要保证强柱弱梁的设计原则,按扩大了的柱端抗弯承载力进行设计,理论上可将柱屈服的可能性减少。但受到各种因素,如梁的实际抗弯承载力可能增大,高振型使柱中反弯点的转移等综合因素影响,要使柱中完全避免塑性铰是比较困难的,同时为了实现强剪弱弯的要求,保证塑性铰区域的局部延性,也必须通过一定的构造措施来保证结构的延性,具体做法如下:

2.1把握好材料质量拒绝豆腐渣工程,材料延性对确保结构延性极为重要,为此规范对材料也提出了相应的限制,如保证钢筋强屈比、延伸率及混凝土强度等级等,同时对施工过程中可能出现的钢筋代换也提出了相应的限制。

2.2限制轴压比与纵筋最大配筋率合理的受力过程可明显提高构件延性,为实现受拉钢筋的屈服先与受压区混凝土压碎的破坏形态,以提高塑性铰区域的转动能力,规范限制轴压比与纵筋最大配筋率,同时对混凝土受压区高度也提出相应要求。

2.3 加密塑性铰区内的箍筋间距是很重要的一点,为保证强节点、强柱弱梁、强底层柱底和强剪弱弯的设计原则及塑性铰区域的局部延性,有必要加密塑性铰区内的箍筋间距,这不但可提高柱端抗剪能力,还可约束核心区内混凝土,对纵向钢筋提供侧向支承,防止大变形下纵筋压曲,从而改善塑性铰区域的局部延性。规范对约束区纵筋的最小直径、最大间距、塑性铰区域的最小长度等做出了详细的规定,并对箍筋肢距及箍筋形式提出了相应要求。

随着工程应用中箍筋强度和混凝土强度不断提高,对塑性铰区域内箍筋布置的要求是抗震构造措施的一个重要方面,这一情况将导致高强度混凝土中约束箍筋配筋率的减少而降低结构的设计可靠度,建议以配筋特征值代替原体积配筋率,同时鉴于约束配筋对柱端塑性铰区的良好约束作用,建议适当增大配筋量。

总结:钢筋混凝土框架结构是我国城市建设中大量存在的建筑结构形式之一,通过对往年的地震灾害损失数据研究表明:钢筋混凝土框架结构的节点与柱端的破坏较为严重,所以在这些结构的抗震设计中必须满足强剪弱弯、强柱弱梁、强节点、强底层柱底等延性设计原则。在钢筋混凝土建筑抗震设计的实践中,由于地区的不同和设计人员对规范的理解和掌握尺度的不同,造成建筑的结构布置以及计算方法上相互差异较多,在设计上也会产生较多的争议,因此抗震设计方法还需要深入研究。

参考文献:

[1]李鸿晶,宗德玲.关于工程结构抗震设防标准的几个问题的讨论[J].防灾减灾工程学报,2003.

[2]宋天齐.关于8度区多层砖房最多层数的商榷[J].工程抗震,1998.

[3]陈天虹,李家康,马晓董.对“高层混凝土结构与抗震”课程教学问题的探讨[J].浙江科技学院学报,2005.

[4]建筑抗震设计规范(GB500zl-2001)[S].北京:中国建筑工业出版社,2001.

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