結合太陽城號樓談工程抗震概念設計

結合太陽城13號樓談工程抗震概念設計在設計的高階段，設計人員需完成工程選址、單體建(構)筑物總圖布置，確定合理結構體系等工作，這一階段工作質量的優(yōu)劣，直接影響施工圖階段設計能否順利開展以及將要建成的工程合理性、經(jīng)濟性、安全性及對地震破壞的抗御能力。關鍵字：太陽城,工程抗震,概念設計前言工程抗震概念設計這是一個老問題，但我從事設計工作幾年以來，覺得這是一個即老又很重要的問題，所以參考了有關文獻并結合太陽城13號樓設計寫下此篇文章。以下是太陽城13號樓剖面圖，顯而易見這是一個抗震不利體系，那么應采取什么措施呢？我們先從理論談起。長期以來，在抗震設計方面。設計人員往往偏重于在做施工圖時利用計算機程序計算地震反應，然后根據(jù)計算結果結合相應規(guī)范的構造措施進行抗震設計，而在設計高階段中如何確定合理的抗震方案則考慮較少。這樣的抗震設計存在諸多弊病。首先，地震是一種隨機振動，它有難于把握的復雜性和不確定性，要準確預測建筑物未來將遭遇的地震的特性一時難以做到；其次，在結構內力分析方面(盡管目前各種內力分析程序很多)，由于未能充分考慮結構的空間作用，非彈性性質、材料的時效、阻尼變化等多種因素，因而也存在著不準確性。故在建筑抗震理論遠未達到很科學嚴密的今天，單靠理論計算很難使建筑物具有良好的抗震能力；而著眼于建筑總體抗震能力的“概念”設計則愈來愈受到工程界的普遍重視，它在我國的抗震規(guī)范中也開始有所體現(xiàn)。二、震“概念”設計在設計的高階段，設計人員需完成工程選址、單體建(構)筑物總圖布置，確定合理結構體系等工作，這一階段工作質量的優(yōu)劣，直接影響施工圖階段設計能否順利開展以及將要建成的工程合理性、經(jīng)濟性、安全性及對地震破壞的抗御能力。2.1房屋破壞的直接原因根據(jù)以往的震害經(jīng)驗，房屋在地震作用下破壞的直接原因可概括為三條：（1）地基失效地震引起砂土液化、軟土震陷等，對上部結構造成危害；（2）地震引起的山崩、滑坡、地面陷落或錯位等地面變形引起其上建筑物破壞；（3）建筑物在地面運動激發(fā)下產生劇烈震動導致結構因強度不足，產生過大變形，失去穩(wěn)定或整體傾覆而破壞；針對破壞產生的原因，分析其機理，我國有關抗震規(guī)范提出了一些抗震設計基本原則。可概括為二點：一是選擇合理的有利于抗震的結構體系；二是選擇有利于抗震的地段。通過上述措施來保證實現(xiàn)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三水準設防要求。2.2選擇有利抗震地段根據(jù)房屋震害的直接原因，在選址時應力圖避開不利地段。需要補充的是：從減少地震能量輸入的角度出發(fā)，應盡量使地震動卓越周期與待建建筑物的自振周期錯開，以避免建筑物發(fā)生“共振”破壞。地震動的卓越周期又稱地震動主導周期，它相當于根據(jù)地震時某一地區(qū)地面運動記錄計算出的反應譜的主峰位置所對應的周期。從地震調查的結果看，在同一場地上，地震“有選擇”地破壞某一類型建筑物，而“放過”其它類型建筑物，證明“共振”破壞的確存在。例如我國唐山地震時，天津市東郊工業(yè)區(qū)同樣是軟土地帶，大量較柔的單層鋼筋混凝土結構廠房破壞嚴重，而較剛的多層磚房破壞輕微，這與人們的傳統(tǒng)思維“鋼筋混凝土比磚混結實”相悖。國外也有這方面實例，如1985年9月黑西哥太平洋岸發(fā)生8.1級地震，共有164幢6～20層的房屋倒塌；其中5層以下房屋破壞輕微，23層以上的大樓也未破壞；特別是高度達181m，自振周期為3.9s的42層拉美大廈，基本沒有損害。該次地震持時22s，周期2s，加速度a≥0.1g。每一次地震的地震特性都是不同的，對于未來可能發(fā)生的地震要準確預測它的波形是很難做到的；然而某一工程場址的地震動卓越周期，盡管隨震級大小和震中距遠近變化，卻因與該場址的場地條件特別是場地土性質存在著某種相關性，是可以大致估計的。1985年墨西哥地震時，市區(qū)東部和中部位于古湖床上，含水量極高的軟粘土深達100m，據(jù)測定場地卓越周期為2～3s見圖1。而這一地區(qū)監(jiān)測站地震記錄的彈性反應譜顯示出地震動卓越周期為2s和3s。這說明場地周期與地震動卓越周期比較接近。場地土自由振動周期，可以利用環(huán)境振動或小地震引起的場地土微幅振動，采用脈動量測技術和數(shù)據(jù)分析處理方法得到；沒有實測資料時，也可采用經(jīng)驗公式。為減輕因地震“共振”而發(fā)生的破壞，根據(jù)估計出的該建筑所在場地的地震動卓越周期，在進行建筑方案設計時，應通過改變房屋層數(shù)和結構體系，盡量加大建筑物基本周期與地震動卓越周期的差距。那么如何估算擬建房屋的基本周期T1呢?一般可參考經(jīng)驗公式估算：我國近年來對新建鋼筋砼高層建筑計算機計算結果歸納得出框-墻體系T1=0.065N(4-a)框架體系T1=0.085N(4-b)芯筒-框架體系T1=0.06N(4-c)外框筒體系T1=0.06N(4-d)全墻體系T1=0.05N(4-e)式中N房屋的層數(shù)。有條件時，由上述經(jīng)驗公式計算所得值應與當?shù)匾延蓄愃平ㄖ锏闹芷谧鞅容^，權衡取值。2.3選擇有利于抗震的建筑布局及結構體系2.3.1工程實例1972年12月23日南美洲馬拉瓜(Manan-gua)地震，該市區(qū)內約有一萬幢建筑物遭到嚴重破壞或倒塌。引人注目的是十八層的美洲銀行大樓僅輕微損壞；而與之相隔不遠的十五層中央銀行大廈卻遭嚴重破壞，震后拆除。兩棟建筑物的分析對比情況見表1。表11972年南美馬拉瓜地震震害分項目中央銀行美洲銀行平立面見圖2見圖3結構特點(1)四層樓面以上布置了密集的小柱，共64根，柱凈距僅1.2m，支承在第四層樓板的水平過渡大梁上，通過大梁再傳至其下面的10根1m×1.55m大柱上，柱距9.4m；形成上、下兩部分剛度嚴重不均勻，不連續(xù)的結構系統(tǒng)；(2)4個電梯間偏置于塔樓西端，平面形心與重心偏離很大，地震時易產生極大的扭轉偏心效應；(3)四層以上樓板厚僅5cm，梁高45cm，跨度達14m，這樣的樓面體系是十分柔弱的，抗側力剛度差，且在地震力作用下易產生較大的樓板水平變形和垂直變形(1)外框內筒，結構體系是均勻對稱的?；究箓攘w系包括4個L型筒體，對稱地由聯(lián)肢梁連接起來構成一個更大的正方形內筒。震害情況(1)第四層與第五層間的柱子嚴重開裂，柱鋼筋壓屈；(2)橫向裂縫(最寬達10mm)貫穿三層以上所有樓板，直至電梯井東側；(3)塔樓西立面及其它窗下空心磚填充墻，非結構構件嚴重損壞；(4)電梯不能使用，樓梯也被碎片填塞，妨礙疏散(1)連肢梁破壞是整個結構能觀察到的主要破壞；(2)電梯不能使用，但樓梯間是暢通的，墻僅有很小的裂縫震后分析美國加州大學貝克萊分校震后計算分析表明(含三維線彈性分析)：(1)結構后的確存在嚴重的扭轉效應；(2)填充墻減少了彈性階段的基本周期20%，顯著增加了地震作用；(3)塔樓三層以上北面、南面的大多數(shù)柱抗剪能力不足，率先破壞；(4)在水平地震作用下，長而弱的樓板產生可觀的豎向運動，引起支承在樓板上的非結構件破壞對整個建筑的三維線彈性分析表明：(1)對稱的結構布置以及相對剛強的聯(lián)肢墻，有效地限制了側向位移；(2)當聯(lián)肢梁破壞后，結構體系的位移雖有了增加，但由于“L”型小筒繼續(xù)提供了較大的抗側移剛度，使位移量不至過大。(3)避免了長跨度樓板和砌筑填充墻的非結構構件損壞這兩幢現(xiàn)代化鋼筋混凝土建筑的抗震差異，生動地表明了建筑布局和結構體系的合理選擇，在抗震設計中所占的重要地位。從對這兩幢建筑物抗震性能的分析對比中，不難總結出一些有利抗震的基本原則，如建筑平面布置應簡單、均勻對稱，建筑物豎向剛度應連續(xù)不應發(fā)生突變，建筑物應具有良好的整體性，多道抗震防線等，本文在下面將對這些要領概念逐一詮釋。2.3.2建筑與結構的布局關于建筑平面、豎向布局的要求以及結構抗側力體系的布局要求詳細的規(guī)定，有關這些規(guī)定條文的解釋可參見各相關規(guī)范的條文說明，這些規(guī)定都是歷次地震震害經(jīng)驗教訓的總結，也是抗震設計應遵循的基本原則，本文不再贅述。2.3.3結構的整體性和延性傳統(tǒng)意義上的抗震結構體系，是指依靠結構的整體承載能力(或稱整體性)和變形能力來吸收和耗散地震能量，從而使建筑物免于倒塌。所謂整體性是指結構在整個承受地震作用的過程中(不論在彈性工作階段或結構部分進入塑性并形成塑性鉸機制階段)各結構構件都能協(xié)同工作，保持對豎向荷載的支承能力，它是抗倒塌的必要條件。結構的延性是相對于脆性而言，結構的脆性破壞都具有突發(fā)性，不可恢復性，而延性破壞往往有一個時間過程，并是可恢復的。延性表現(xiàn)了結構耗散能量的大小，如圖4所示。結構I在達到強度極限后，無明顯屈服過程，強度急劇下降，從強度極限到破壞的過程很短，是典型的脆性破壞，在破壞前所耗散的能量為S1；結構在進入屈服點后尚能繼續(xù)變形耗能，且承載力不致很快下降，我們說后者它具有很好的延性，所消耗的能量為S2，顯然S2>S1，結構是有利于抗震的。防倒塌是建(構)筑物抗震設計的最低要求，也是抗震設防最重要的必須得到確實保證的要求。房屋破壞的根本原因是結構的某些構件破壞結構喪失整體性變成了機動構架，因此結構的超靜定次數(shù)愈多，進入倒塌的時間過程就越長。從耗散地震能量的角度出發(fā)，結構每出現(xiàn)一個塑性鉸，就可吸收和耗散一定的地震能量，在整個結構變成機動構架之前，若能夠出現(xiàn)的塑性鉸愈多，耗散地震輸入的能量也就愈多，就更能經(jīng)受住較強的地震而不倒塌。故在選擇抗震體系時應盡量采用超靜定次數(shù)多的結構，并采取一定的構造措施保證合適的塑性鉸的形成。選型上框架優(yōu)于排架，剛接框架優(yōu)于半剛接或鉸接框架；并聯(lián)的多肢抗震墻優(yōu)于并列的多片單肢抗震墻；具有交叉腹桿的支撐優(yōu)于單腹桿支撐；帶支撐框架優(yōu)于單一框架。2.3.4結構材料的選擇單從抗震角度考慮，作為一種結構材料應輕質、高強、材質均勻；構件間的連接應有良好的整體性、連續(xù)性及延性，且能發(fā)揮材料的全強度。按照這一原則，不同材料結構的抗震性能優(yōu)劣排序是：鋼結構；型鋼混凝土結構；混凝土-鋼混合結構；現(xiàn)澆鋼筋混凝土結構；預應力混凝土結構；裝配式鋼筋混凝土結構；配筋砌體結構。工程中常用結構抗震表現(xiàn)分述如下：(1)鋼結構鋼結構最符合抗震材料的要求，從已有的地震震害實例來看，鋼結構的表現(xiàn)均很好；但它當前的造價及維護費用較高。(2)現(xiàn)澆鋼筋混凝土結構該結構整體性好，造價低廉，有較大的抗側移剛度，并且經(jīng)良好的設計可保證結構具有良好的延性。但該材料也存在難以克服的弱點：當?shù)卣鸪謺r較長時，在周期性往復水平荷載作用下，構件剛度因裂縫的開展而遞減，且塑性鉸區(qū)會產生反向斜裂縫，將混凝土擠碎，產生永久性的“剪切滑移”。(3)預應力混凝土結構預應力混凝土結構在非開裂狀態(tài)下能承受較大的變形，因而在烈度不高時結構破壞較輕，相應地其所貯藏的彈性變形能要比鋼筋混凝土高，但預應力混凝土結構的滯回曲線比鋼筋混凝土狹窄，所能耗散的滯后能量要少一些，且由于預應力構件受壓區(qū)配筋一般相對較少，一旦混凝土開始壓碎，承載能力就會急劇下降，因此在高烈度地區(qū)，必須采取措施提高延性，方能使用預應力混凝土結構。實踐證明，通過合理控制預應力筋的含量(ρ≤0.5%)可以實現(xiàn)這個目的。(4)裝配式鋼筋混凝土結構此類結構致命的抗震弱點在于整個結構缺乏連續(xù)性和整體性；框架節(jié)點等預制構件的連接和接頭強度及變形能力均低于構件本身而形成薄弱環(huán)節(jié)；同時預制構件裝配時會產生次應力，故這類結構不宜在高烈度地區(qū)采用；但若采用整體裝配式結構則可以改善這種情況。2.3.5多道抗震設防體系無論選用何種材料、何種結構體系的抗震結構，都宜設置多道抗震防線。一次地震持續(xù)的時間少則幾秒，多則十幾秒甚至更長。這樣長時間的地震動，一個接一個的強脈沖對建筑物產生多次往復式?jīng)_擊，造成累積式破壞；如果建筑物采用的是單結構體系，僅有一道抗震防線，一旦破壞后接踵而來的持續(xù)地震就會使建筑倒塌；而設了多重抗震體系的建筑物，在第一道防線的抗側力體系遭破壞后，后備的第二道、第三道防線立即接替，抵擋后續(xù)的地震沖擊，特別是對于因“共振”而引起的破壞，在第一道防線失效后，結構轉入第二道、第三道防線工作，此時隨著第一道防線破壞塑性鉸出現(xiàn)，結構基本周期已發(fā)生變化，從而錯開了地震動卓越周期，建筑物免遭進一步破壞。這種抗震設計概念是對付高烈度地震的一種經(jīng)濟有效的辦法，且已應用到實際工程中，如前面提到的馬那瓜美洲銀行就是一個應用多道抗震防線概念的成功實例。美國林同炎國際設計公司設計這一工程(美洲銀行)時所采取的指導思想是：在風荷載和規(guī)范規(guī)定的等效靜力地震荷載作用下，結構具有較大的抗推剛度以滿足變形方面的要求；當遭遇更高地震烈度，建筑物所受的地震力很大時，通過某些構件的屈服過渡到另一個具有較高變形能力的結構體系。據(jù)這一指導思想，該大樓采用了12.55m×12.55m的芯筒作為主要的抗風和抗震構件，不過，該芯筒又由4個“L”形小筒構成，小筒外邊尺寸4.6m×4.6m，在每層樓板處，采用較大截面的鋼筋混凝土連梁將4個小筒連成具有較強整體性的芯筒(圖1)。進行抗震設計時，既考慮了4個小筒作為大筒組成部分發(fā)揮整體作用時受力狀況，又考慮了連梁損壞后4個小筒各自作為獨立構件時的受力狀態(tài)。這樣，當小筒間連梁完全破壞后，整個結構的抗側力能力也不至降低很多，同時由于各層連梁兩端出現(xiàn)朔性鉸之后，整個結構自震基本周期加長，地震反應減弱，有利于保持結構的安全和穩(wěn)定。該大樓的震害表現(xiàn)(表1)說明這種設計思想是成功的。據(jù)測算，該次地震在大樓中引起的水平地震力至少是0.35g，大樓是1963年設計的，設計的水平地震力相當于0.06g，這就是說大樓經(jīng)受住了6倍于設計的地震力。震后，美國伯克利加州大學對這幢大樓進行了動力分析，分別考慮了4個“L”型小筒作為一個整體共同工作和4個小筒單獨工作兩種狀態(tài)，計算出結構的動力特性和對馬拉瓜地震的反應(結果見表2)。從表中可以看出，在“大震”時結構的基本周期延長了1.5倍，結構底部地震力減少了一半，但結構頂部位移增加了一倍。表2美洲銀行的地震反應結構工作狀態(tài)結構動力反應基本周期（S）結構底部地震力(kN)結構頂點位移(mm)4個小筒整體工作時1.3270001204個小筒單獨工作時3.313000240對于太陽城13號樓采取的措施當然最好的辦法是在多層合高層間設縫，但由于建筑需要，并且國內外也有不設縫的實例，在參閱了有關資料后采取了以下措施。1.加強第四層樓板，第四層樓板板厚150mm，配雙層筋。2.加強四、五、六層柱子配筋及構造。三、新的思路如前所述，目前為減輕震害所采取的措施都偏重于提高結構自身的承載能力和變形能力，從而耗散地震能量避免建筑物的倒塌。這種方法可說是一種“防守”“被動”的辦法，存在著造價高，構造復雜，施工難度大的缺點；此外，對于持時短，震級高的直下型地震，按此方法設防的建筑物甚至來不及通過結構變形和內力調整來耗散地震能量就已因遭受超過結構所能承受的破壞而發(fā)生倒塌。例如在1995年1