鋼筋混凝土框架結構抗震設計

余 迪/新疆有色冶金設計研究院有限公司

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鋼筋混凝土框架結構抗震設計

余 迪/新疆有色冶金設計研究院有限公司

【摘 要】地震是嚴重的自然災害之一，對建筑的破壞十分巨大，威脅著我們的生命、財產安全，因此人們對于建筑物的抗震性格外的關注。在鋼筋混凝土框架技術日趨成熟的今天，在高層建筑與大型建筑中應用廣泛，框架結構的抗震性能研究成為了建筑設計時要考慮的重要問題。

【關鍵詞】鋼筋混凝土；框架；抗震性

地震是人類很難預測與預防的自然災害，而造成地震中傷亡人數巨大的一個重要原因是房屋的抗震性不好。隨著建筑行業的發展與科技的進步，高層建筑已經成為了城市的主流建筑，而地震帶來的威脅變得尤為突出，地震對人身財產安全造成的危害、后果不堪設想。因此，加強建筑物的抗震設計是我們需要持續努力的方向，尤其是我國城市最多見的鋼筋混凝土建筑結構，需要在已有建筑升級改造與新建筑設計上多下功夫。

一、鋼筋混凝土房屋的抗震特點

鋼筋混凝土高層建筑在力學控制上主要以豎向荷載為主，層數越多，水平荷載對于高層建筑穩定的影響越大。自從我國1976年發生的唐山大地震之后，京津唐地區在對于高層建筑防震設計上引起了足夠的重視，并制定與出臺了《鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規定》。至2002年又出臺了《高層建筑混凝土結構技術規程》，相對之前的抗震設計要求規范要提高了很多。

鋼筋混凝土建筑層建筑的抗震設計特點：一是由于水平荷載的影響要比豎向荷加得快。地震引起的內力隨高度按線性比例增加，水平荷載越往上荷載越大。而由它們所引起的結構內力則與高度的平方成正比。二是任何材料在承受壓力時，可以利用材料的強度使其變彎，不可能全部發揮材料承受壓力的潛力，構件軸心受力比偏心受力或受彎更為合理，并且建筑層數越多，彎剪內力越大，結構的材料性能越難以充分發揮承重潛力。三是當建筑物高度越高，地震荷載對結構起的作用將愈來愈大。除了結構內力將明顯加大外，結構側向位移速度更快。由此可見，建筑抗震特性與高度有直接的關系，在荷載、彎矩、位移等方面都有明顯的影響。

二、鋼筋混凝土框架結構抗震設計要實現的目標

1.地震給鋼筋混凝土框架結構帶來的危害

一是側向位移使建筑結構產生附加內力，尤其是對豎向構件的影響，當側向位移增大時，偏心加劇，當產生的附加應力值超過一定數值時，將會引起整幢房屋的倒塌破壞。二是使居住的人們感到恐慌與不適。三是使填充墻等其他結構出現裂縫或損壞，使電梯軌道變形、其他電器元件損壞等等，不但增加了危害的復雜性也增加了建筑后期的不穩定性。

2.現行建筑抗震鑒定標準

建筑抗震鑒定標準是隨著結構抗震設計理論與實踐的發展而變化的，也是隨著建筑設計技術與建造工藝的發展而發展的，在人類和地震災害不斷的作斗爭的過程中，不斷積累經驗教訓，因而建筑抗震鑒定標準也有些許改變，在做好建筑抗震設計之前，必須要清楚現行建筑抗震鑒定標準，必須按照標準辦事。

現有鋼筋混凝土建筑物抗震目標，從既安全又經濟的抗震原則出發，世界各國的抗震研究工程師先后提出了較為一致的抗震設防的目標。這就是在多遇的小震作用下，建筑物不應發生破壞，在中等地震作用下允許建筑物發生破壞，其破壞程度應在稍加修理或不需要修理就可繼續使用，在罕遇的地震作用下，允許結構發生嚴重破壞，但應確保主體結構的安全，防止倒塌傷人。我國2001年出臺的《建筑抗震設計規范》中“小震、中震和大震”是根據地震災害的危險性，用概率分析的方法給出，進而給出了新建建筑的抗震標準，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”，其中中震即設防烈度。在《工業與民用建筑抗震鑒定標準》TJ23-1977規定的房屋抗震標準中規定，“設防烈度地震影響下不倒塌傷人或砸壞重要生產設備，經修理后仍可繼續使用”。

3.抗震鑒定的方法

目前對建筑抗震鑒定是運用模糊數學與統計學的方法，對要鑒定的建筑根據建筑結構、工藝、用途、建造過程等賦以一定的數值，評估建筑結構的綜合抗震能力。通過現行的建筑設計基本抗震原則和思想，重點著眼于建筑結構的抗震理念與設計，對現有建筑結構的總體布置和關鍵構造進行宏觀判斷。借助于“抗震概念設計”的要求，采用“抗震概念鑒定”從多個側面的綜合來衡量現有建筑的整體抗震能力，以提高現有建筑的綜合抗震可靠性。抗震性的鑒定一般源于工程師的知識、經驗甚至直覺。它不同于僅僅按照規范進行抗震鑒定的方式，而是依靠規范以外的思維、分析或計算手段得到的正確判斷進行鑒定。

三、鋼筋混凝土結構抗震加固設計

1.抗震加固的基本原則

一是在已有的鋼筋混凝土建筑的基礎上，重點對于城市生命線工程和易造成次生災害的工程等。加固主要是加強結構整體性和提高抗變形能力，及加強薄弱環節和危險部位，提高抗震加固效果。二是抗震加固與修復的概念不同。抗震加固是在現有建筑在正常使用下達到抗震設防要求，包括構件受損后抗震能力不足的恢復性加固，構件補強性加固，提高結構抗震能力的局部加固或全面加固及改變使用性質后的加固。三是提高綜合抗震能力的優化原則。對建筑進行抗震加固，一般選擇提高承載力、提高變形能力或既提高承載力又提高變形能力的方法。因此，抗震加固時，要先搞清房屋存在的缺陷，弄清使結構達到規定設防要求，盡可能清除原結構不規則、不合理、局部薄弱層等不利于抗震的因素，還要結合使用功能，施工方法，對環境影響等要求，選擇加固方法。

2.抗震加固設計常用的方法

一是增大截面加固法。針對結構構件，對于梁板的加固，要采用截面加固法，用增大混凝土結構或構筑物構件的截面面積，達到提高其承載力的方法。對于梁柱加固，要采用外包鋼加固法，即在鋼筋混凝土梁、柱四周包以型鋼的一種加固方法。對于提高承載力、剛度和抗裂性及加固后所占空間小的混凝土承重結構，采用外加預應力的鋼拉桿或撐桿對結構進行加固的方法。

二是碳纖維加固法，碳纖維材料的抗拉強度高于普通鋼筋的10 倍、彈性模量是鋼筋的數倍，因此可利用高性能結構膠將碳纖維織物（布）粘貼于構件表面，從而達到對結構構件的加固補強及改善抗震性能的目的。由于碳纖維對混凝土的約束作用，構件受力性能明顯得到改善。碳纖維質輕且薄，加固后對原結構構件截面、荷載增加均不大，不影響原有建筑使用功能，因此極適合于鋼筋混凝土結構的加固。

三是針對框架結構增設剪力墻的加固方法。增設剪力墻加固方法較為常見，需要利用新增的剪力墻承擔主要的地震力，減小結構的變形，降低框架柱的配筋構造要求。結構及構件加固后，各樓層屈服強度和剛度的增長率大大高于可能的地震剪力和地震反應的增長率。可選用的加固方法有外包鋼加固法，外部粘鋼加固法和外部粘貼碳纖維加固法。

四是間接加固。第一，房屋隔震加固，即把既有建筑物的特定層作為隔震層。隔震層通常放在基礎上，但根據需要也可放在建筑的某一特定層，在該層所有的鋼筋混凝土框架柱上增設使豎向剛度增大、水平側向剛度減小的隔震裝置。在地震作用下，通過隔震層的相對位移，達到大幅度降低結構加速度譜值的目的。第二，消能減震，即減震加固結構通過抗震評估確認既有建筑某層的層承載力不滿足抗震性能目標水準要求時，通過設置耗能減震裝置，達到增大結構阻尼、減小層間位移的目的。

目前，對于地震的地點、時間和大小還無法進行準確的預報，地震的復雜性與破壞機理對建筑的抗震要求還很多，不能通過單一的設計原理來確定建筑是否能有效的抗震，且城市的新舊建筑存在形式也很復雜，如何保證地震時建筑的安全性，還需要不斷的研究。

參考文獻:

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