結(jié)合太陽城號樓談工程抗震概念設(shè)計

結(jié)合太陽城13號樓談工程抗震概念設(shè)計在設(shè)計的高階段，設(shè)計人員需完成工程選址、單體建(構(gòu))筑物總圖布置，確定合理結(jié)構(gòu)體系等工作，這一階段工作質(zhì)量的優(yōu)劣，直接影響施工圖階段設(shè)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(guān)鍵字：太陽城,工程抗震,概念設(shè)計前言工程抗震概念設(shè)計這是一個老問題，但我從事設(shè)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(guān)文獻并結(jié)合太陽城13號樓設(shè)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(yīng)采取什么措施呢？我們先從理論談起。長期以來，在抗震設(shè)計方面。設(shè)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(yīng)，然后根據(jù)計算結(jié)果結(jié)合相應(yīng)規(guī)范的構(gòu)造措施進行抗震設(shè)計，而在設(shè)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(shè)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(fù)雜性和不確定性，要準確預(yù)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(jié)構(gòu)內(nèi)力分析方面(盡管目前各種內(nèi)力分析程序很多)，由于未能充分考慮結(jié)構(gòu)的空間作用，非彈性性質(zhì)、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(xué)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(shè)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(shè)計在設(shè)計的高階段，設(shè)計人員需完成工程選址、單體建(構(gòu))筑物總圖布置，確定合理結(jié)構(gòu)體系等工作，這一階段工作質(zhì)量的優(yōu)劣，直接影響施工圖階段設(shè)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(jié)構(gòu)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(chǎn)生劇烈震動導(dǎo)致結(jié)構(gòu)因強度不足，產(chǎn)生過大變形，失去穩(wěn)定或整體傾覆而破壞；針對破壞產(chǎn)生的原因，分析其機理，我國有關(guān)抗震規(guī)范提出了一些抗震設(shè)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(jié)構(gòu)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)周期，它相當(dāng)于根據(jù)地震時某一地區(qū)地面運動記錄計算出的反應(yīng)譜的主峰位置所對應(yīng)的周期。從地震調(diào)查的結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)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(yù)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(zhì)存在著某種相關(guān)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(yīng)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(shù)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(shè)計時，應(yīng)通過改變房屋層數(shù)和結(jié)構(gòu)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(jié)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(yīng)與當(dāng)?shù)匾延蓄愃平ㄖ锏闹芷谧鞅容^，權(quán)衡取值。2.3選擇有利于抗震的建筑布局及結(jié)構(gòu)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(chǎn)生極大的扭轉(zhuǎn)偏心效應(yīng)；(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(cè)力剛度差，且在地震力作用下易產(chǎn)生較大的樓板水平變形和垂直變形(1)外框內(nèi)筒，結(jié)構(gòu)體系是均勻?qū)ΨQ的。基本抗側(cè)力體系包括4個L型筒體，對稱地由聯(lián)肢梁連接起來構(gòu)成一個更大的正方形內(nèi)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(cè)；(3)塔樓西立面及其它窗下空心磚填充墻，非結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(xué)貝克萊分校震后計算分析表明(含三維線彈性分析)：(1)結(jié)構(gòu)后的確存在嚴重的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；(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(chǎn)生可觀的豎向運動，引起支承在樓板上的非結(jié)構(gòu)件破壞對整個建筑的三維線彈性分析表明：(1)對稱的結(jié)構(gòu)布置以及相對剛強的聯(lián)肢墻，有效地限制了側(cè)向位移；(2)當(dāng)聯(lián)肢梁破壞后，結(jié)構(gòu)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(cè)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(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系的合理選擇，在抗震設(shè)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(jié)出一些有利抗震的基本原則，如建筑平面布置應(yīng)簡單、均勻?qū)ΨQ，建筑物豎向剛度應(yīng)連續(xù)不應(yīng)發(fā)生突變，建筑物應(yīng)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(lǐng)概念逐一詮釋。2.3.2建筑與結(jié)構(gòu)的布局關(guān)于建筑平面、豎向布局的要求以及結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系的布局要求詳細的規(guī)定，有關(guān)這些規(guī)定條文的解釋可參見各相關(guān)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(xùn)的總結(jié)，也是抗震設(shè)計應(yīng)遵循的基本原則，本文不再贅述。2.3.3結(jié)構(gòu)的整體性和延性傳統(tǒng)意義上的抗震結(jié)構(gòu)體系，是指依靠結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在整個承受地震作用的過程中(不論在彈性工作階段或結(jié)構(gòu)部分進入塑性并形成塑性鉸機制階段)各結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)的延性是相對于脆性而言，結(jié)構(gòu)的脆性破壞都具有突發(fā)性，不可恢復(fù)性，而延性破壞往往有一個時間過程，并是可恢復(fù)的。延性表現(xiàn)了結(jié)構(gòu)耗散能量的大小，如圖4所示。結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)是有利于抗震的。防倒塌是建(構(gòu))筑物抗震設(shè)計的最低要求，也是抗震設(shè)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(jié)構(gòu)的某些構(gòu)件破壞結(jié)構(gòu)喪失整體性變成了機動構(gòu)架，因此結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)變成機動構(gòu)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(yīng)盡量采用超靜定次數(shù)多的結(jié)構(gòu)，并采取一定的構(gòu)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(jié)構(gòu)材料的選擇單從抗震角度考慮，作為一種結(jié)構(gòu)材料應(yīng)輕質(zhì)、高強、材質(zhì)均勻；構(gòu)件間的連接應(yīng)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(jié)構(gòu)的抗震性能優(yōu)劣排序是：鋼結(jié)構(gòu)；型鋼混凝土結(jié)構(gòu)；混凝土-鋼混合結(jié)構(gòu)；現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)；裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；配筋砌體結(jié)構(gòu)。工程中常用結(jié)構(gòu)抗震表現(xiàn)分述如下：(1)鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)最符合抗震材料的要求，從已有的地震震害實例來看，鋼結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)均很好；但它當(dāng)前的造價及維護費用較高。(2)現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)該結(jié)構(gòu)整體性好，造價低廉，有較大的抗側(cè)移剛度，并且經(jīng)良好的設(shè)計可保證結(jié)構(gòu)具有良好的延性。但該材料也存在難以克服的弱點：當(dāng)?shù)卣鸪謺r較長時，在周期性往復(fù)水平荷載作用下，構(gòu)件剛度因裂縫的開展而遞減，且塑性鉸區(qū)會產(chǎn)生反向斜裂縫，將混凝土擠碎，產(chǎn)生永久性的“剪切滑移”。(3)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)破壞較輕，相應(yīng)地其所貯藏的彈性變形能要比鋼筋混凝土高，但預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)力構(gòu)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(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。實踐證明，通過合理控制預(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)此類結(jié)構(gòu)致命的抗震弱點在于整個結(jié)構(gòu)缺乏連續(xù)性和整體性；框架節(jié)點等預(yù)制構(gòu)件的連接和接頭強度及變形能力均低于構(gòu)件本身而形成薄弱環(huán)節(jié)；同時預(yù)制構(gòu)件裝配時會產(chǎn)生次應(yīng)力，故這類結(jié)構(gòu)不宜在高烈度地區(qū)采用；但若采用整體裝配式結(jié)構(gòu)則可以改善這種情況。2.3.5多道抗震設(shè)防體系無論選用何種材料、何種結(jié)構(gòu)體系的抗震結(jié)構(gòu)，都宜設(shè)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(chǎn)生多次往復(fù)式?jīng)_擊，造成累積式破壞；如果建筑物采用的是單結(jié)構(gòu)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(shè)了多重抗震體系的建筑物，在第一道防線的抗側(cè)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(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(shè)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(yīng)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(yīng)用多道抗震防線概念的成功實例。美國林同炎國際設(shè)計公司設(shè)計這一工程(美洲銀行)時所采取的指導(dǎo)思想是：在風(fēng)荷載和規(guī)范規(guī)定的等效靜力地震荷載作用下，結(jié)構(gòu)具有較大的抗推剛度以滿足變形方面的要求；當(dāng)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(gòu)件的屈服過渡到另一個具有較高變形能力的結(jié)構(gòu)體系。據(jù)這一指導(dǎo)思想，該大樓采用了12.55m×12.55m的芯筒作為主要的抗風(fēng)和抗震構(gòu)件，不過，該芯筒又由4個“L”形小筒構(gòu)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(shè)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(gòu)件時的受力狀態(tài)。這樣，當(dāng)小筒間連梁完全破壞后，整個結(jié)構(gòu)的抗側(cè)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(jié)構(gòu)自震基本周期加長，地震反應(yīng)減弱，有利于保持結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定。該大樓的震害表現(xiàn)(表1)說明這種設(shè)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(shè)計的，設(shè)計的水平地震力相當(dāng)于0.06g，這就是說大樓經(jīng)受住了6倍于設(shè)計的地震力。震后，美國伯克利加州大學(xué)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(jié)構(gòu)的動力特性和對馬拉瓜地震的反應(yīng)(結(jié)果見表2)。從表中可以看出，在“大震”時結(jié)構(gòu)的基本周期延長了1.5倍，結(jié)構(gòu)底部地震力減少了一半，但結(jié)構(gòu)頂部位移增加了一倍。表2美洲銀行的地震反應(yīng)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)基本周期（S）結(jié)構(gòu)底部地震力(kN)結(jié)構(gòu)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(dāng)然最好的辦法是在多層合高層間設(shè)縫，但由于建筑需要，并且國內(nèi)外也有不設(shè)縫的實例，在參閱了有關(guān)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(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)造復(fù)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(shè)防的建筑物甚至來不及通過結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力調(diào)整來耗散地震能量就已因遭受超過結(jié)構(gòu)所能承受的破壞而發(fā)生倒塌。例如在1995年1