論述工民建結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)及發(fā)展前景

1、    論述工民建結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)及發(fā)展前景    王盛勇【摘 要】工民建結(jié)構(gòu)抗震一直是建筑工程設(shè)計(jì)中的重要課題，我國(guó)建筑工作者在總結(jié)歷次地震災(zāi)害中的經(jīng)驗(yàn)中逐漸的認(rèn)識(shí)到，對(duì)建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)而言，結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)比結(jié)構(gòu)計(jì)算設(shè)計(jì)更重要。結(jié)構(gòu)計(jì)算設(shè)計(jì)單純的依靠數(shù)學(xué)和力學(xué)的計(jì)算，這樣很難保證建筑物在遇到地震時(shí)是否能夠有足夠的抗震能力，概念設(shè)計(jì)在長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，發(fā)揮了重要的作用，尤其是在提高結(jié)構(gòu)抗震能力的方面尤為突出。本文就此作出了論述?！娟P(guān)鍵詞】工民建；結(jié)構(gòu)抗震；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；發(fā)展前景0.前言工民建結(jié)構(gòu)抗震一直是建筑工程設(shè)計(jì)中的重要課題，在抗震的研究中結(jié)構(gòu)抗震和

2、概念設(shè)計(jì)的提出，為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開拓了新的思路。在抗震設(shè)計(jì)思想指導(dǎo)下從整體設(shè)計(jì)上增加建筑結(jié)構(gòu)抗震的性能，增加建筑的安全性。經(jīng)過(guò)工民建中多年的抗震探索和研究，本文主要把總結(jié)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)引入了概念設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)新理念。這種設(shè)計(jì)理念從宏觀角度對(duì)建筑抗震組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在某些方面彌補(bǔ)了以往設(shè)計(jì)想法對(duì)抗震組織結(jié)構(gòu)思考的不足之處，為今后的工民建組織結(jié)構(gòu)抗震規(guī)劃了一條新的設(shè)計(jì)方案。1.概念設(shè)計(jì)的重要性分析地震分為小震、中震和大震。所謂小震指的是常遇地震，50 年出現(xiàn)的概率大約為 63%，重現(xiàn)期為 50 年。中震是指 50 年出現(xiàn)的概率約為10%，重現(xiàn)期為 475 年。而大震指的是罕遇地震，50 年出現(xiàn)的概率為 2%

3、3%，重現(xiàn)期為 16412475 年。這個(gè)階段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)延性就會(huì)提出相應(yīng)的要求，而延性就要靠精心設(shè)計(jì)的細(xì)部構(gòu)造措施來(lái)保證。當(dāng)大震來(lái)臨的時(shí)候，結(jié)構(gòu)的非線性變形非常大，也可能發(fā)生不可修復(fù)的破壞。處于這個(gè)階段的結(jié)構(gòu)就需要通過(guò)計(jì)算它的彈塑性變形來(lái)保證結(jié)構(gòu)不致倒塌。（1）重視概念設(shè)計(jì)還體現(xiàn)在整體規(guī)劃設(shè)計(jì)階段。初步設(shè)計(jì)過(guò)程是不能借助計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這就需要組織結(jié)構(gòu)工程師綜合運(yùn)用組織結(jié)構(gòu)概念，選擇最為可靠、經(jīng)濟(jì)的組織結(jié)構(gòu)整體規(guī)劃。所以，需要工程師不斷地豐富自己的設(shè)計(jì)理念，深入了解各類組織結(jié)構(gòu)的性能，并能有意識(shí)地、靈活地運(yùn)用它們。運(yùn)用概念性近似估算方法，可以在設(shè)計(jì)整體規(guī)劃階段迅速、有效果的對(duì)組織結(jié)構(gòu)體系進(jìn)

4、行構(gòu)思、比較與選擇所得整體規(guī)劃往往概念清晰定性準(zhǔn)確，避免后期設(shè)計(jì)階段一些不必要的繁瑣運(yùn)算，具有較好的經(jīng)濟(jì)可靠性能。同時(shí)，這也是判斷計(jì)算機(jī)內(nèi)力、分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。計(jì)算軟件的選擇和使用不當(dāng)，也會(huì)造成組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理，甚至影響到建筑物本身的安全性。應(yīng)用概念設(shè)計(jì)的思想，可以避免此類情況的發(fā)生。（2）新抗震規(guī)范對(duì)具體問(wèn)題的規(guī)定不夠清晰。新抗震規(guī)范以可靠度理論為基礎(chǔ)，吸收了延性設(shè)計(jì)的思想，但對(duì)于一些具體問(wèn)題，例如中震可修的設(shè)防目標(biāo)等，規(guī)定相當(dāng)模糊。所以，我們不能盲目地照搬照抄規(guī)范，應(yīng)該把規(guī)范作為一種指南和參考，并在實(shí)際工程應(yīng)用中做出正確的選擇，這就要求我們對(duì)整體組織結(jié)構(gòu)體系與各基本分體系

5、之間的力學(xué)關(guān)系有透徹的認(rèn)識(shí)，把概念設(shè)計(jì)應(yīng)用到實(shí)際工作中去。一直以來(lái)，設(shè)計(jì)師認(rèn)為組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很簡(jiǎn)單，只需遵循規(guī)范和手冊(cè)，等建筑師完成建筑設(shè)計(jì)后，使用計(jì)算機(jī)就可以完成組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但這不能充分地運(yùn)用組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者的知識(shí)和技能，而且還會(huì)與建筑設(shè)計(jì)整體規(guī)劃產(chǎn)生分歧和矛盾，所以我們應(yīng)考慮在組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中如何運(yùn)用概念設(shè)計(jì)，舉個(gè)例子組織結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)與抗震設(shè)計(jì)，抗震設(shè)計(jì)要求能消減外荷載，吸收或轉(zhuǎn)換震動(dòng)的能量；而抗風(fēng)設(shè)計(jì)則要求組織結(jié)構(gòu)在風(fēng)的作用下動(dòng)力相對(duì)而言應(yīng)該小點(diǎn)，剛度較大這一矛盾必然影響組織結(jié)構(gòu)體系的抗風(fēng)和抗震性能。為了彌補(bǔ)這一不足，需要合理的概念設(shè)計(jì)與延性構(gòu)造措施來(lái)加以保證。（3）建筑組織結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)

6、，存在著許多模糊而且不確定的因素。例如，大地震動(dòng)作用是一種隨機(jī)性很強(qiáng)而且循環(huán)往復(fù)的荷載，建筑物的大地震動(dòng)破壞機(jī)理又十分復(fù)雜，要準(zhǔn)確計(jì)算或預(yù)測(cè)建筑物所遭遇的大地震動(dòng)特性和參數(shù)，還難以做到。風(fēng)荷載的脈動(dòng)性與渦流作用情況也是如此。因?yàn)榻ㄖ锸艿降拇蟮卣饎?dòng)作用難以確定，所以適用、安全、經(jīng)濟(jì)的組織結(jié)構(gòu)體系必須注重概念設(shè)計(jì)。（4）新抗震規(guī)范提出了在建筑物內(nèi)設(shè)置大地震動(dòng)反應(yīng)觀測(cè)系統(tǒng)的要求，并提出了組織結(jié)構(gòu)兩個(gè)主軸方向的動(dòng)力特性（周期和振型）相近的抗震概念所以在組織結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)中還應(yīng)該注意組織結(jié)構(gòu)與場(chǎng)地的共振問(wèn)題。2.概念設(shè)計(jì)的應(yīng)用分析研究組織結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的目的是使組織結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度、剛度、延性以及節(jié)能等方面取得

7、最佳，從而滿足小震不壞，中震可修，“大震不倒”的要求。在當(dāng)前的科技水平和經(jīng)濟(jì)條件下，為了保證組織結(jié)構(gòu)具有可靠的抗震性能，概念設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮以下因素：場(chǎng)地條件和場(chǎng)地土的穩(wěn)定性，建立組織結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，抗震組織結(jié)構(gòu)體系的選取，材料效用，溫度作用以及組織結(jié)構(gòu)的空間作用等。（1）組織結(jié)構(gòu)薄弱部位抗震構(gòu)造措施的理解和應(yīng)用組織結(jié)構(gòu)薄弱部位的處理，如建筑平面外墻轉(zhuǎn)角處的轉(zhuǎn)角窗，限制了角部組織結(jié)構(gòu)豎向抗側(cè)力構(gòu)件的設(shè)置，如果采用概念設(shè)計(jì)，解決這一問(wèn)題的方法是 2 豎向構(gòu)件間應(yīng)設(shè)厚板、暗梁等可靠拉結(jié)。再如，由于節(jié)點(diǎn)部位的重要性，所以引入抗裂性的概念，以此來(lái)比較梁柱節(jié)點(diǎn)偏心所引起的節(jié)點(diǎn)性能的變化。建議在大地震動(dòng)區(qū)，不

8、宜采取梁柱偏心過(guò)大的節(jié)點(diǎn)形式，而且構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的承載力不應(yīng)于其連接構(gòu)件的承載力。（2）現(xiàn)行抗震計(jì)算模型的理解和應(yīng)用新抗震規(guī)范規(guī)定一般情況下，應(yīng)允許在建筑組織結(jié)構(gòu)的 2 個(gè)主軸方向分別計(jì)算水平大地震動(dòng)作用并進(jìn)行抗震驗(yàn)算，各方向的水平大地震動(dòng)作用應(yīng)由該方向抗側(cè)力構(gòu)件承擔(dān)。而實(shí)際組織結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁的主要原因則是計(jì)算模型問(wèn)題。即：僅僅對(duì)相互正交的 2 個(gè)主軸方向進(jìn)行內(nèi)力分析和強(qiáng)度設(shè)計(jì)，不能真實(shí)反映組織結(jié)構(gòu)的空間作用。所以，應(yīng)用概念設(shè)計(jì)的原理，結(jié)合大量地震帶來(lái)的危害和試驗(yàn)研究成果，所得出的結(jié)論是：構(gòu)件的最不利受力狀態(tài)隨著構(gòu)件和大地震動(dòng)作用方向而變化。當(dāng)大地震動(dòng)作用方向與組織結(jié)構(gòu)主軸方向一致時(shí)，梁處于最

9、不利受力狀態(tài)；當(dāng)大地震動(dòng)作用與組織結(jié)構(gòu)的主軸方向呈 45°時(shí)，大多數(shù)柱處于最不利受力狀態(tài)。3.建筑組織結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的前景分析組織結(jié)構(gòu)抗震體系由傳統(tǒng)的以“硬抗”為主的抗震體系向以“柔抗”為主的組織結(jié)構(gòu)減震控制體系發(fā)展。組織結(jié)構(gòu)減震體系采用的是以柔克剛的新概念，它通過(guò)調(diào)整組織結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、隔震、減能或控制來(lái)達(dá)到抗震的目的，在未來(lái)的工民建中組織結(jié)構(gòu)抗震的想法將向著減輕危害的方向發(fā)展。4.結(jié)語(yǔ)近幾年來(lái)，地震頻發(fā)，而我們也能看到很多的建筑在地震中非常容易的倒塌，對(duì)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生了非常大的危害，相關(guān)的工民建結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)者，一定要認(rèn)識(shí)到現(xiàn)時(shí)工程設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的問(wèn)題，對(duì)比各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣勢(shì)，并采取一定的措施，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的抗震性能，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論經(jīng)歷了靜力設(shè)計(jì)、反應(yīng)譜設(shè)計(jì)、動(dòng)力設(shè)計(jì)和減震控制設(shè)計(jì)四個(gè)階段，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外抗震設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)是根據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)在不同超越概率水平下的地震作用下的性能或變形要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析成為抗震設(shè)計(jì)的一個(gè)必要的組成部分，抗震設(shè)計(jì)進(jìn)入了一個(gè)真正意義上的動(dòng)力時(shí)代。從而保護(hù)好人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全問(wèn)題?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1胡逢秀，劉春剛.工民建結(jié)構(gòu)抗震探索與研究j.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2010，（4）2張敬書.我國(guó)抗震鑒定和加