淺談民建中抗震設計的幾種方法

胡曉雷

1 結構抗震設計

地震荷載作用下多自由度結構的動力平衡方程:

其中,M,C,K分別為結構的質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣;ug(t)為地震荷載;B為權矩陣。

若反應結構本身特征的變量為S,則結構的模態矩陣 M,C,K可分別表示為變量S的函數M(S),C(S),K(S)。變量S的變化,導致結構模態矩陣改變,引起結構狀態反應量{y(t),y(t)}變化,因此結構的狀態反應量是變量S的函數,將式(1)改寫成狀態方程:

式(2)更為一般式:

其中,Z(t,S)為狀態變量;w(t)為外荷載變量;φ(s)為模態變量。

從狀態方程(3)出發,可發現結構的抗震設計有兩類途徑:一種是對外荷載實現聯機跟蹤和預測,并通過作動器對結構施加控制力來改變結構的動力特性,這就是通常所說的主動控制方法;另一種是通過改善結構本身的特征,實現對結構模態變量的控制或優化,改變結構的動力特性。

1)主動控制的抗震效果較好,但由于需要通過外部作動器向結構輸入控制能量,因此經濟費用高。2)傳統方法通過對結構的地震動力計算分析,在結構易被破壞、地震反應強烈的薄弱部分,進行結構尺寸的加大、加厚或選取合適的高強度材料,滿足結構局部的抗震安全要求,實現抗震設計。這種方法簡單易行,但整體抗震的全局性效果不好,經濟性差。3)基礎隔震與被動控制設計均利用附屬結構或設備,以此改變結構的整體模態,特別是模態阻尼,實現主結構的抗震效果。由于基礎隔震與被動控制設計不需要外部能源,比較易于在工程上實現,因此理論研究與工程應用較為廣泛。但由于采用附屬結構的基礎隔震與被動控制技術,它是在原主體功能結構設計完成后,需對其某種動力反應加以限制時而設計附屬控制結構的,沒有將結構的功能體系與控制體系作為一個整體進行一體化設計,因此在工程應用上有局限性。4)基于分災模式的結構抗震設計是將結構體系分為主要功能部分和分災功能部分,并對其進行一體化優化設計的基于分災模式的結構抗震設計方法,極大地發展了結構抗震設計思想。它與被動控制設計是有區別的,從設計過程看:被動控制設計中的附屬子結構是在主體結構完成后設計的,而基于分災模式的結構抗震設計中的分災功能部分是與主體功能部分同時進行一體化設計的,因此在工程應用上更為廣泛;從完成功能上看:被動控制設計中的附屬子結構對結構的正常使用功能不發揮作用,只在地震發生時發揮抗震功能,而基于分災模式的結構抗震設計中的分災功能部分是與主要功能部分共同發揮作用來保證結構的正常使用功能的,且當地震發生時,分災功能部分發揮抗震功能。5)結構的動力優化設計不需要外部能源、無須附加子結構、不改變結構的整體性,充分發揮結構自身的潛能,在保證結構經濟適用的同時,通過拓撲形式、局部尺寸和形狀等特征量的變化,達到改變結構的模態矩陣、實現結構抗震的目的。

2 抗震概念設計

抗震概念設計的一般原則需要強調的是設計不能陷入只憑計算的誤區,若結構嚴重不規則,整體性差,僅按目前的結構設計計算水平,是難以保證結構的抗震、抗風性能的,尤其是抗震性能。出于現代都市地域狹小,民用住房緊缺的現狀,目前的民用住宅偏向于高層混凝土結構,而關于高層建筑混凝土結構概念設計的一般原則和具體內容,JGJ 3-2002高層建筑混凝土結構技術規程有關章節作了規定。1)結構的簡單性,是指結構在地震作用下具有直接和明確的傳力途徑。只有結構簡單,才能夠對結構的計算模型、內力與位移進行分析,限制薄弱部位的出現易于把握,因而對結構抗震性能的估計也比較可靠。2)結構的規則性和均勻性。建筑抗震設計規范要求:“建筑及其抗側力結構的平面布置宜規則、對稱,并應具有良好的整體性;建筑的立面和豎向剖面布置宜規則,結構的側向剛度宜均勻變化,豎向抗側力構件的截面尺寸和材料強度宜自下而上逐漸減小,避免抗側力結構的側向剛度和承載力突變。”3)結構的剛度和抗震能力。水平地震作用是雙向的,結構布置應使結構能抵抗任意方向的地震作用。結構剛度的選擇既要減少地震作用效應,又要注意控制結構變形的增大,過大的變形會產生重力二階效應,導致結構破壞、失穩。結構應具有足夠的抗扭剛度和抵抗扭轉振動的能力,現有的抗震設計計算中不考慮地震地面運動的扭轉分量,在抗震概念設計中應注意提高結構的抗扭剛度和抵抗扭轉振動的能力。4)結構的整體性。在高層建筑結構中,樓蓋對于結構的整體性起到非常重要的作用,樓蓋相當于水平隔板,它不僅聚集和傳遞慣性力到各個豎向抗側力子結構,而且要求這些子結構能協同承受地震作用,特別是當豎向抗側力子結構布置不均勻或布置復雜或抗側力子結構水平變形特征不同時,整個結構就要依靠樓蓋使抗側力子結構能協同工作。

3 幾種常用的構件優化設計方案

1)框架梁的塑性鉸外移傳統鋼筋混凝土框架梁的塑性鉸出現在始于柱面的梁端。將塑性鉸從柱面移開一定距離,可以避免梁端鋼筋屈服,從而不僅可以避免鋼筋屈服后向節點核心區發展,引起粘結破壞,還能改善核心區的性能。2)高強混凝土柱的主要優點有:抗壓強度高,柱截面小,增加使用面積,梁截面小,降低受彎構件高度,從而降低層面;減輕結構自重,減小基礎負擔;彈性模量大,提高結構剛度,減小軸向變形;密實性好,抗凍、抗滲性能好,耐久性優于普通強度混凝土。3)鋼管高強混凝土柱將高強混凝土填充在圓形鋼管內,成為鋼管高強混凝土柱,是充分發揮高強混凝土的優勢,克服其不足的最好方法。4)對于高層住宅項目,角窗的設置對結構平面的抗扭剛度有較大影響,由于剪力墻端部缺少約束,其空間作用的效應大大降低,對平面整體剛度的貢獻也要下降,因此為滿足規范對最大位移與平均位移的比值限值要求,就不得不加大墻體的厚度,從而增加混凝土的用量。通過大量的分析比較,即使加大墻體的厚度,也很難有效的提高建筑的抗扭剛度,在這種情況下,如果減少角窗的設置,或增設端柱,則可以有效提高結構整體抗扭性能。5)高寬比的大小對整體結構抗側剛度的影響很大。因此,在建筑方案設計時,應適當增加平面寬度,降低高寬比,在平面布置中設置一定數量的通長墻體,提高墻體的抗側剛度。6)在高層住宅設計中,盡量避免采用整個樓層的轉換。

4 結語

從目前的情況看,我國結構抗震設計方法的理論研究多,實驗研究少,工程應用更少;雖然主動控制系統具有良好的適應性和抗震效果,但由于土木結構本身的質量巨大,地震輸入的能量也十分巨大,所以要達到抗震效果,將需要很大的外部控制能源輸入,這在當前還難以實現;對于被動控制系統,要求比主體結構具有更高的可靠性,從而使得整個結構體系的經濟造價上升。因此,較有發展前景的抗震設計方法有基于控制方法的結構混合控制與半主動控制、基于優化方法的結構體型抗震優化與結構拓撲抗震優化(其中具有代表性的是基于分災模式的結構抗震設計方法)。研究的重點則應該集中在關于各種具體抗震設計方法的可行性、穩定性、有效性、可靠性及經濟性的理論論證與評價準則;強震作用下,結構動力反應規律的研究;關于結構抗震設計的控制指標和優化目標的研究;針對具體抗震設計方法,大尺寸的模型實驗與實際結構抗震效果的研究;各種造價低、穩定可靠且施工方便的抗震控制裝置的研究開發與推廣應用;考慮地震隨機性的結構抗震設計方法的研究。

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