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汶川地震不到建筑_从国内地震谈建筑抗震设计

来源:知识百科 时间:2019-04-23 点击: 推荐访问:地震区抗震设计原则

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摘要:文章从对今年国内的中大地震分析入手,探讨地震的特点与规律,借鉴国外的抗震设计,主要阐述了我国抗震概念设计应注意的问题。   关键词:汶川地震;抗震;概念设计
  
   2008年5月12日,四川省汶川县发生里氏8.0级的大地震。地震给四川和周边各省及自治区造成巨大的生命财产损失。地震波及范围更远至北京、上海等城市。据最新统计数字显示,仅四川省就有近7万人在大地震中遇难。地震的发生会带来各种各样的自然灾害,发生在陆地会造成山崩地裂,发生在海底会带来巨大海啸,而发生在城市,就可能造成房屋和桥梁的倒塌。这次灾难的发生,把人们的关注聚焦在房屋的抗震问题上。由于地震作用的不确定性、随机性,地震的强度是不可知的,地震对建筑物作用也是多变的,因此建筑抗震概念设计尤为重要。结构抗震设计时,要以承载力、刚度、延性为主导来构思结构方案,让结构具有良好的整体性,合理的传力途径,多道抗震防线;结构抗震设计就是要让结构具有足够的抗震承载力、良好的变形能力和耗能能力。
  1.四川地震给我们关于各种抗震结构设计的启示
   此次建筑遭受的地震作用已大大超过结构的抗震承载力,这是建筑物垮塌的主要原因。但以下几个问题也应引起我们设计人的重视和引以为戒。下面就汶川地震中各种结构的表现情况来谈一谈建筑结构的抗震设计。
  1.1框架结构“强柱弱梁”的延性破坏机制
   我国的《建筑抗震设计规范》对一、二、三级框架节点的“强柱弱梁”设计有以下要求:∑Mc=η∑Mb,∑Mc――节点上下柱端同向弯矩之和,∑Mc――节点左右梁端同向弯矩之和,η――柱弯矩?大系数,7度区的多层框架抗震等级为三级η=1.1,但这仅针对于小震弹性设计;当建筑遭受“中震”、“大震”时,由于地震作用,框架梁、柱的弯矩增大很多,而框架梁端弯矩为竖向荷载和地震作用产生的弯矩之和,其增大比例相对柱要小很多,由于钢筋的超强效应过大,因而造成框架节点处梁受弯承载力大于相对应柱正截面承载力而出现柱铰。这样一来,抗震设计中要求∑Mc=η∑Mb的目的“强柱弱梁”还能实现吗?另外,当结构采用现浇板时,结构分析计算时考虑板的作用而加大梁刚度,梁设计配筋时却没有考虑板钢筋的作用,再者设计人员人为加大梁配筋,这对于框架节点无疑是雪上加霜,因而框架结构“弱柱强梁”的破坏形态就产生了。图1为框架节点震后破坏的现场照片:
  
  
   图1:框架节点震后破坏照片
   《建筑抗震设计规范》对框架结构的“大震”设计有以下要求:抗震设防烈度为7~9度时楼层屈服强度系数小于0.5的钢筋混凝土框架结构应进行罕遇地震(即大震)作用下的弹塑性变形验算;实际上大多数工程并未做这部分工作,如果6度及以上抗震设防区的框架结构都要求进行弹塑性设计,那么,我们就能及早发现在大震作用下框架结构的塑性铰出现在何处,如有问题,及时修改,“弱柱强梁”的破坏形态就不容易产生了。
  1.2多层砌体结构的抗震性能:
   砌体是一种脆性材料,它的受拉、受剪性能较差,因此砌体结构的延性较差,但这并不是说砌体结构没有抗震能力。此次地震灾区之行,我们也看到了砌体结构的不错表现。图2为多层砌体结构震后破坏的现场照片:
  
  
   图2:北川县城破坏严重砌体结构建筑
   从现场照片可以看出,未作抗震设防的砌体结构房屋,由于砌体结构的延性差,因而抗震性能很差;但进行了抗震设防的砌体结构,设置了构造柱和圈梁,加之又有了层数和高度的限制,其抗震性能和安全度都不错。砌体结构遭受较大的地震作用时,砌体墙作为第一道防线,承受地震对建筑产生的水平作用而开裂,但由于有了构造柱和圈梁的约束,开裂的墙体不会垮塔,因而房屋不倒。如果我们的砌体结构房屋采用现浇楼板,结构的整体性会更好,因此,砌体结构房屋采取合理的抗震设防措施,基本可以达到“大震不倒”的抗震设防目标。
  1.3学校建筑的抗震设防
   大多数中小学教学楼为多层建筑,其结构类型一般为砖混结构或框架结构,这些结构大多存在“先天不足”。当建筑采用砖混结构时,建筑的横墙间距大,而且纵墙开洞较多;当建筑采用框架结构时,大多为单跨框架,而且外挑走廊;这样的结构在抗震性能上存在缺陷,因此学校建筑的设防需要从建筑抗震概念设计开始。我国的《建筑工程抗震设防分类标准》将小学、幼儿园的低矮建筑(砖混结构教室)定为乙类,对其抗震设防标准已有所提高。然而规范不是万能的,它不能涵盖不同工程的情况变化,这就需要我们设计人的专业知识和能力,针对不同的工程,采取不同设计方法和抗震措施,来保证工程结构的抗震能力。
  聚源中学有两栋教学楼垮塌,但学校东南角两栋教学楼的震害情况值得我们深思。其中一栋为2004年新建的四层教学楼,为初一年级的教室,它的结构类型为砖混结构,教室两头的横墙为砌体结构,设置了圈梁和构造柱,教室中部采用两榀钢筋混凝土框架支承楼、屋面板,而且纵墙开洞较少,给框架柱留了一定宽度的翼墙,此次地震后建筑基本完好。图3为该教学楼震后的现场照片。而与之对面的另一栋三层教学楼,建于上世纪80年代,其结构类型也为砖混结构,只是教室中部的两根钢筋混凝土梁支承于砖柱,教室两头的横墙未设置圈梁和构造柱,地震后,梁下的支承砖柱和墙体已破坏,建筑也成了危房。图4为该教学楼震后的现场照片。
  
  
   由上可见,学校建筑的结构虽然存在不足,但并非没有抗大震的能力,关键在于我们如何进行抗震设防,采取合理的抗震措施。
  2从日本抗震设计方法角度看四川地震
   在抗震设计方法中,我国规范采用的是基于概率理论的极限状态设计法;“89规范”和现行规范(GB50011―2001建筑抗震设计规范)采用二阶段设计实现“三水准”的设防目标:第一阶段设计是“小震”水准的强度验算和弹性变形验算,第二阶段设计是“大震”水准下的弹塑性变形验算。日本规范对第一设防水准的设计地震作用下的抗震验算,采用容许应力设计进行强度验算,同时还要验算各层的层间角变位是否满足要求;对于第二设防水准的设计地震作用,验算采用极限分析所获得的楼层极限承载能力是否大于规定的必要的极限承载能力,而建筑物的必要极限承载能力的值随该建筑物延性大小而变化。在必要极限地震剪力的计算公式中,引入了修正系数,称为结构特征系数,以考虑结构延性对地震弹性反应谱的折减。
   我国抗震规范所采取的技术路线与日本等国既有类似之处,也有不同之处。四川汶川地震暴露出我国在学校等大型公共建筑抗震设防上的不足,我国学校的设计和建设,是按标准走的,问题在于没有提高标准。学校在抗震方面存在几个先天缺陷:一是房间大,二是窗户大,三是走廊长,缺少墙面支撑,抗震能力就弱。而日本的学校、医院等大型公共建筑则是抗震设防最高的建筑,在地震灾害时,能作为临时避难所使用,大大降低地震灾害损失,提高抗震救灾应急能力。因此,笔者认为,可借鉴日本等多震国家的抗震规范,提高学校等大型公共建筑的抗震级别。
   此外,在日本,许多高层公寓采用了与高层写字楼同等水平的抗震设计。三井不动产公司在东京都杉并区出售的一座免震结构公寓高达93m,建筑物的外围使用了新研制的高强度16积层橡胶,建筑物的中央部分使用了天然橡胶系统的积层橡胶。这样,在6级地震发生时,就可将建筑物的受力减少至二分之一。近年来,日本一些城市出现兴建“抗震抗灾公寓”热潮,这也是吸取神户地震的教训而采取的一项积极措施。这种公寓抗灾功能强,具备共同的储备粮仓库、抗灾饮用水井和紧急医疗救护室,甚至拥有供直升机起降的场地。日本目前已建立了一套电脑化的地震报警系统,能在大地震发生几秒钟内切断煤气、水、电等公共设施的供应。同时,日本正在普及用于公共机构和住宅的独立单元式安全供电、供水等设备。
   同时,日本法律在建筑物抗震、防火等安全性方面的要求非常严格。日本《建筑基准法》规定,新建筑必须达到在百年一遇的地震中不倒塌,在数十年一遇的地震中不受损的抗震强度。一个建筑工程要获得开工许可,还必须严格提交建筑抗震报告书。
  3结束语
  在新抗震规范已将设计中常出现的问题做出了具体规定:例如体型复杂的建筑不一概提倡设防震缝;对规则结构与不规则结构做出了定量的划分;非结构构件与其结构主体的连接,应进行抗震设计;优先采用延性、韧性和可焊性较好的钢筋和规定强度等级范围内的混凝土等。总之,随着科学技术的发展,对地球的认知程度的提高,我们的抗震设计方法也必将不断地进步,基于性能的设计方法的应用,减震、隔震技术的开发,建筑结构的抗震设防将会更加科学合理。
  注:文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

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