強(qiáng)震高烈度區(qū)建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力災(zāi)變性演化基礎(chǔ)

王澤濤 劉樹(shù)越 姜心怡

摘要：我國(guó)是時(shí)間上受地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一，地震對(duì)國(guó)家和人民都造成了嚴(yán)重的損失，因此以地震帶的高層建筑結(jié)構(gòu)體系為研究對(duì)象，本項(xiàng)目設(shè)施方案以研究建筑在墻震高烈度區(qū)結(jié)構(gòu)的變化。 關(guān)鍵詞：高層建筑抗震設(shè)計(jì);強(qiáng)震高烈度區(qū);建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力災(zāi)變性能演化

引言

我國(guó)疆域遼闊，人口眾多，城市化進(jìn)程的加快需要相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施，高層建筑群拔地而起，公路橋梁星羅棋布。提高重、大結(jié)構(gòu)的抗震安全性能，實(shí)現(xiàn)“大震不倒”，是土木工程科研立項(xiàng)的一項(xiàng)重要課題。我國(guó)目前的結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算主要采用反應(yīng)譜方法與動(dòng)力時(shí)程分析，設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則為“二階段設(shè)計(jì)，三水準(zhǔn)設(shè)防”，設(shè)計(jì)思想是利用結(jié)構(gòu)自身的承載力與彈塑性變形抵御地震作用，通過(guò)設(shè)計(jì)引導(dǎo)破壞形態(tài)。工程實(shí)踐表明，這一方法理念顯其不足。 傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)需要結(jié)構(gòu)提高其強(qiáng)度、剛度與延性。強(qiáng)度與剛度的提高需要增大結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面與配筋，結(jié)構(gòu)的自重增加導(dǎo)致其地震慣性力變大。對(duì)于特殊的建筑物，延性使得其中的重要設(shè)施遭受破壞。

探索結(jié)構(gòu)作用的機(jī)理，構(gòu)建先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，提高結(jié)構(gòu)的抗震能力是業(yè)界追求的目標(biāo)，本項(xiàng)目以此立項(xiàng)，對(duì)于完善高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)理論，指導(dǎo)工程實(shí)踐，保證基礎(chǔ)設(shè)施及生命線(xiàn)工程的全壽命設(shè)計(jì)及震后恢復(fù)功能具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

構(gòu)造特點(diǎn)以及材料組成對(duì)建筑抗震影響

近些年來(lái)，在我國(guó)的多數(shù)地區(qū)都發(fā)生過(guò)強(qiáng)震災(zāi)害，讓國(guó)家和人民損失嚴(yán)重。建筑結(jié)構(gòu)對(duì)于抗震設(shè)防有著巨大的作用。由于結(jié)構(gòu)在地震災(zāi)害中不能夠承受過(guò)多的地震作用，而產(chǎn)生巨大的結(jié)構(gòu)破壞，甚至倒塌。其主要原因是整體性以及延性不足所造成的。整體性是結(jié)構(gòu)在整個(gè)承受地震作用的過(guò)程中構(gòu)件配合作用，保持對(duì)豎向荷載的支撐作用。而延性與脆性是相對(duì)的，延性破壞屬于可以恢復(fù)的破壞范疇。各種類(lèi)型結(jié)構(gòu)均可以根據(jù)組成材料的性質(zhì)及其構(gòu)造上的特點(diǎn)來(lái)采取不同增加延性與整體性的措施。下面舉幾種常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式對(duì)其在地震作用中的性能簡(jiǎn)要討論一下。

一、材料組成

鋼結(jié)構(gòu)

優(yōu)質(zhì)的鋼結(jié)構(gòu)具有良好的延伸性、能夠有效將震動(dòng)時(shí)發(fā)生的波動(dòng)抵消掉。利用其所具有的高延性，可以提升其在地震中的抗震能力。鋼結(jié)構(gòu)通過(guò)自身的塑性變形特點(diǎn)，達(dá)到吸收和消耗震動(dòng)過(guò)程中，抵抗強(qiáng)烈地震的能力。在鋼結(jié)構(gòu)建筑中，用的較多鋼結(jié)構(gòu)框架體系有純框架結(jié)構(gòu)、中心支撐結(jié)構(gòu)、偏心支撐結(jié)構(gòu)等。純框架結(jié)構(gòu)延性和抗震性能比較好，但是由于抗側(cè)剛度比較差，一般不太適合用于層數(shù)比較高的建筑。以中心支撐的鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度大，適用于層數(shù)較高的建筑。由于一些鋼結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)件，具有的滯回性能較差，對(duì)于耗散的震動(dòng)的能量有限，抗震性能沒(méi)有鋼結(jié)構(gòu)純框架的性能好。鋼結(jié)構(gòu)的框架偏心支撐結(jié)構(gòu)，還可以通過(guò)偏心連梁進(jìn)行剪切，達(dá)到耗散地震的能量，保證通過(guò)鋼結(jié)構(gòu)框架的支撐不喪失穩(wěn)定，這種抗震性能的效果，優(yōu)于中心支撐的鋼結(jié)構(gòu)框架，并且其彈性階段的剛度也接近中心支撐框架。如果采用能與鋼結(jié)構(gòu)框架抗側(cè)剛度相匹配含有鋼板的剪力墻，還有帶豎縫剪力墻的鋼結(jié)構(gòu)代替支撐，可以構(gòu)成具有鋼結(jié)構(gòu)框架的抗震墻板結(jié)構(gòu)，其抗震的性能強(qiáng)于由鋼結(jié)構(gòu)框架構(gòu)成的中心支撐結(jié)構(gòu)。當(dāng)房屋建筑的剛度要求更高時(shí)，一般都可以采用沿著建筑周邊，有秩序地進(jìn)行設(shè)置一些密柱深梁框架，來(lái)構(gòu)成鋼結(jié)構(gòu)的框筒結(jié)構(gòu)。這樣設(shè)計(jì)安裝的框筒結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度大，能夠起到具有良好抗震性能的效果。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)

我國(guó)目前的建筑多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，但由于混凝土的抗壓能力遠(yuǎn)小于它的抗拉能力，所以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的具有很高的強(qiáng)度，但其抗拉能力較差，所以在抗震方面需多在提高抗拉能力上下功夫。鋼筋混凝土作為我國(guó)民用建筑中一種常用的結(jié)構(gòu)，而在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)延性框架是其主要方式。延性框架的設(shè)計(jì)概念主要分為三個(gè)方面：一、通過(guò)承載力與建筑物構(gòu)件之間的相對(duì)大小，實(shí)現(xiàn)有一定效果的屈服機(jī)制，即“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)墻弱肢連梁”等其他方式。二、通過(guò)調(diào)整建筑物構(gòu)件正面承載力和斜面承載力之間的相對(duì)大小，從而實(shí)現(xiàn)延性破壞形態(tài)。三、通過(guò)設(shè)計(jì)抗震構(gòu)件，是建筑物的構(gòu)件自身的抗?fàn)幠芰Υ蟠筇岣?。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為我國(guó)主要的建筑結(jié)構(gòu)，建筑物的高度越高，它對(duì)抗震能力的要求也就越高。因此，在抗震設(shè)計(jì)對(duì)延性框架的要求也就越高，通過(guò)分析該地區(qū)的地震強(qiáng)度和建筑物的高度及其他性能，來(lái)選擇合適的延性框架，以到“小震不壞、中震可修、大震不到”的要求。

二、構(gòu)造特點(diǎn)

框架結(jié)構(gòu)

大多數(shù)框架結(jié)構(gòu)建筑物在遭受地震等自然災(zāi)害時(shí)都經(jīng)歷了相當(dāng)大的非彈性變形，而鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在通過(guò)合理的設(shè)計(jì)后會(huì)依靠延性來(lái)抵抗地震作用下的非彈性變形。地震以地震波的形式快速?gòu)恼鹪聪蛩闹軅鞑?，?qiáng)烈的震動(dòng)會(huì)使建筑物的基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不規(guī)則的震動(dòng)和變形，使結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力突然變大，當(dāng)震動(dòng)和變形超過(guò)一定極限之后，就會(huì)造成墻體產(chǎn)生裂縫、結(jié)構(gòu)局部破損甚至倒塌的風(fēng)險(xiǎn)。鋼筋混凝土框架的優(yōu)點(diǎn)之一是可以通過(guò)設(shè)置內(nèi)部鋼筋的布設(shè)來(lái)進(jìn)一步控制結(jié)構(gòu)的性能。合理的配筋、梁柱端加密區(qū)、節(jié)點(diǎn)配筋都可以讓結(jié)構(gòu)有更好的變形能力和水平荷載承載力，還可以節(jié)省材料，便于施工。在發(fā)生地震條件下，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)還可以減小震動(dòng)帶來(lái)的慣性力，吸收更大的動(dòng)能，降低動(dòng)力反應(yīng)，減輕地震對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞能力。框架剪力墻結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上使它們的剛度和延性相匹配也可以提高構(gòu)件的利用效率和抗震可靠性，各構(gòu)件同步協(xié)調(diào)的發(fā)揮材料抗性增加結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，在抗震性能上起到了良好的互補(bǔ)作用。

結(jié)語(yǔ)

建筑結(jié)構(gòu)抗震加固設(shè)計(jì)及安全施工措施在建設(shè)工程中的意義重大，地震災(zāi)害防御是地震發(fā)生前必須做的防御性工作。震害防御其中工程性防御措施是減輕地震災(zāi)害最主要的途徑。工程性抗震需要根據(jù)建筑的材料和構(gòu)成做為必要前提，工程性防御措施是用工程的抗震設(shè)防和抗震加固來(lái)完成防御建筑物、構(gòu)筑物遭受地震破壞，減輕地震災(zāi)害的措施。由于建筑物、構(gòu)筑物破壞、倒塌造成的巨大的人員傷亡。因此，對(duì)各種建筑物、構(gòu)筑物依法進(jìn)行相應(yīng)的抗震設(shè)防，使其在破壞性地震中不損壞、不倒塌，是避免人員傷亡的關(guān)鍵。首先可以充分保障人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，有利于有利于維持社會(huì)的穩(wěn)定，對(duì)于實(shí)現(xiàn)美麗中國(guó)，和實(shí)現(xiàn)中國(guó)夢(mèng)有重大意義其次對(duì)于促進(jìn)建筑在抗震方面技術(shù)和理念的創(chuàng)新發(fā)展有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂麗麗.淺談框架結(jié)構(gòu)的抗震性能.中國(guó)房地產(chǎn)業(yè)：理論版.

[2]萬(wàn)利軍.論結(jié)構(gòu)抗震的幾種方法[J].山西建筑，2006.

作者簡(jiǎn)介：

王澤濤，2002，山西長(zhǎng)治人，現(xiàn)就讀于山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院土木工程專(zhuān)業(yè)。

姜心怡，2001，山東濰坊人，現(xiàn)就讀于山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院土木工程專(zhuān)業(yè)。

劉樹(shù)越，2002，山東新泰人，現(xiàn)就讀于山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院土木工程專(zhuān)業(yè)。