浅谈民建中抗震设计的几种方法

胡晓雷

1 结构抗震设计

地震荷载作用下多自由度结构的动力平衡方程:

其中,M,C,K分别为结构的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵;ug(t)为地震荷载;B为权矩阵。

若反应结构本身特征的变量为S,则结构的模态矩阵 M,C,K可分别表示为变量S的函数M(S),C(S),K(S)。变量S的变化,导致结构模态矩阵改变,引起结构状态反应量{y(t),y(t)}变化,因此结构的状态反应量是变量S的函数,将式(1)改写成状态方程:

式(2)更为一般式:

其中,Z(t,S)为状态变量;w(t)为外荷载变量;φ(s)为模态变量。

从状态方程(3)出发,可发现结构的抗震设计有两类途径:一种是对外荷载实现联机跟踪和预测,并通过作动器对结构施加控制力来改变结构的动力特性,这就是通常所说的主动控制方法;另一种是通过改善结构本身的特征,实现对结构模态变量的控制或优化,改变结构的动力特性。

1)主动控制的抗震效果较好,但由于需要通过外部作动器向结构输入控制能量,因此经济费用高。2)传统方法通过对结构的地震动力计算分析,在结构易被破坏、地震反应强烈的薄弱部分,进行结构尺寸的加大、加厚或选取合适的高强度材料,满足结构局部的抗震安全要求,实现抗震设计。这种方法简单易行,但整体抗震的全局性效果不好,经济性差。3)基础隔震与被动控制设计均利用附属结构或设备,以此改变结构的整体模态,特别是模态阻尼,实现主结构的抗震效果。由于基础隔震与被动控制设计不需要外部能源,比较易于在工程上实现,因此理论研究与工程应用较为广泛。但由于采用附属结构的基础隔震与被动控制技术,它是在原主体功能结构设计完成后,需对其某种动力反应加以限制时而设计附属控制结构的,没有将结构的功能体系与控制体系作为一个整体进行一体化设计,因此在工程应用上有局限性。4)基于分灾模式的结构抗震设计是将结构体系分为主要功能部分和分灾功能部分,并对其进行一体化优化设计的基于分灾模式的结构抗震设计方法,极大地发展了结构抗震设计思想。它与被动控制设计是有区别的,从设计过程看:被动控制设计中的附属子结构是在主体结构完成后设计的,而基于分灾模式的结构抗震设计中的分灾功能部分是与主体功能部分同时进行一体化设计的,因此在工程应用上更为广泛;从完成功能上看:被动控制设计中的附属子结构对结构的正常使用功能不发挥作用,只在地震发生时发挥抗震功能,而基于分灾模式的结构抗震设计中的分灾功能部分是与主要功能部分共同发挥作用来保证结构的正常使用功能的,且当地震发生时,分灾功能部分发挥抗震功能。5)结构的动力优化设计不需要外部能源、无须附加子结构、不改变结构的整体性,充分发挥结构自身的潜能,在保证结构经济适用的同时,通过拓扑形式、局部尺寸和形状等特征量的变化,达到改变结构的模态矩阵、实现结构抗震的目的。

2 抗震概念设计

抗震概念设计的一般原则需要强调的是设计不能陷入只凭计算的误区,若结构严重不规则,整体性差,仅按目前的结构设计计算水平,是难以保证结构的抗震、抗风性能的,尤其是抗震性能。出于现代都市地域狭小,民用住房紧缺的现状,目前的民用住宅偏向于高层混凝土结构,而关于高层建筑混凝土结构概念设计的一般原则和具体内容,JGJ 3-2002高层建筑混凝土结构技术规程有关章节作了规定。1)结构的简单性,是指结构在地震作用下具有直接和明确的传力途径。只有结构简单,才能够对结构的计算模型、内力与位移进行分析,限制薄弱部位的出现易于把握,因而对结构抗震性能的估计也比较可靠。2)结构的规则性和均匀性。建筑抗震设计规范要求:“建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称,并应具有良好的整体性;建筑的立面和竖向剖面布置宜规则,结构的侧向刚度宜均匀变化,竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小,避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。”3)结构的刚度和抗震能力。水平地震作用是双向的,结构布置应使结构能抵抗任意方向的地震作用。结构刚度的选择既要减少地震作用效应,又要注意控制结构变形的增大,过大的变形会产生重力二阶效应,导致结构破坏、失稳。结构应具有足够的抗扭刚度和抵抗扭转振动的能力,现有的抗震设计计算中不考虑地震地面运动的扭转分量,在抗震概念设计中应注意提高结构的抗扭刚度和抵抗扭转振动的能力。4)结构的整体性。在高层建筑结构中,楼盖对于结构的整体性起到非常重要的作用,楼盖相当于水平隔板,它不仅聚集和传递惯性力到各个竖向抗侧力子结构,而且要求这些子结构能协同承受地震作用,特别是当竖向抗侧力子结构布置不均匀或布置复杂或抗侧力子结构水平变形特征不同时,整个结构就要依靠楼盖使抗侧力子结构能协同工作。

3 几种常用的构件优化设计方案

1)框架梁的塑性铰外移传统钢筋混凝土框架梁的塑性铰出现在始于柱面的梁端。将塑性铰从柱面移开一定距离,可以避免梁端钢筋屈服,从而不仅可以避免钢筋屈服后向节点核心区发展,引起粘结破坏,还能改善核心区的性能。2)高强混凝土柱的主要优点有:抗压强度高,柱截面小,增加使用面积,梁截面小,降低受弯构件高度,从而降低层面;减轻结构自重,减小基础负担;弹性模量大,提高结构刚度,减小轴向变形;密实性好,抗冻、抗渗性能好,耐久性优于普通强度混凝土。3)钢管高强混凝土柱将高强混凝土填充在圆形钢管内,成为钢管高强混凝土柱,是充分发挥高强混凝土的优势,克服其不足的最好方法。4)对于高层住宅项目,角窗的设置对结构平面的抗扭刚度有较大影响,由于剪力墙端部缺少约束,其空间作用的效应大大降低,对平面整体刚度的贡献也要下降,因此为满足规范对最大位移与平均位移的比值限值要求,就不得不加大墙体的厚度,从而增加混凝土的用量。通过大量的分析比较,即使加大墙体的厚度,也很难有效的提高建筑的抗扭刚度,在这种情况下,如果减少角窗的设置,或增设端柱,则可以有效提高结构整体抗扭性能。5)高宽比的大小对整体结构抗侧刚度的影响很大。因此,在建筑方案设计时,应适当增加平面宽度,降低高宽比,在平面布置中设置一定数量的通长墙体,提高墙体的抗侧刚度。6)在高层住宅设计中,尽量避免采用整个楼层的转换。

4 结语

从目前的情况看,我国结构抗震设计方法的理论研究多,实验研究少,工程应用更少;虽然主动控制系统具有良好的适应性和抗震效果,但由于土木结构本身的质量巨大,地震输入的能量也十分巨大,所以要达到抗震效果,将需要很大的外部控制能源输入,这在当前还难以实现;对于被动控制系统,要求比主体结构具有更高的可靠性,从而使得整个结构体系的经济造价上升。因此,较有发展前景的抗震设计方法有基于控制方法的结构混合控制与半主动控制、基于优化方法的结构体型抗震优化与结构拓扑抗震优化(其中具有代表性的是基于分灾模式的结构抗震设计方法)。研究的重点则应该集中在关于各种具体抗震设计方法的可行性、稳定性、有效性、可靠性及经济性的理论论证与评价准则;强震作用下,结构动力反应规律的研究;关于结构抗震设计的控制指标和优化目标的研究;针对具体抗震设计方法,大尺寸的模型实验与实际结构抗震效果的研究;各种造价低、稳定可靠且施工方便的抗震控制装置的研究开发与推广应用;考虑地震随机性的结构抗震设计方法的研究。

[1] 陈保胜.建筑防灾设计[M].上海:统计大学出版社,1990.

[2] 谢能刚,于玉莽.抗震结构的动力优化设计研究[J].海河大学学报,2001,28(3):69-72.

[3] 龚思礼.建筑抗震设计[M].北京:中国建筑工业出版社,1994.

[4] 吕西林.高层建筑结构设计[M].第 2版.武汉:武汉理工大学出版社,2002.

[5] JGJ 3-2002,高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[6] GB 50011-2001,建筑抗震设计规范[S].

[7] 陈教洪.谈概念设计在建筑结构设计中的应用[J].建材与装饰(中旬刊),2008(2):12.

[8] 赵玉琴.房屋的抗震设防措施[J].山西建筑,2007,33(22):75-76.