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原建筑竣工于1984年,按7度(0.15g)抗震设防,结构抗震设防类别为丙类。依据《建筑工程抗震设防分类标准》第4.0.3条规定,改造后的结构抗震设防类别为乙类。鉴于医院实际需求及《建筑抗震鉴定标准》第1.0.6条规定,该病房楼进行改造设计前需对原结构进行抗震鉴定,并确定其后续使用年限为40a。
2建筑现状调查
抗震鉴定前应进行建筑现状调查,包括搜集勘察、施工及竣工验收的相关原始资料;当资料不全时,应根据鉴定的需要进行补充实测。调查建筑现状与原始资料相符程度、施工质量和维护状况。
2.1原始资料调查
该住院楼岩土工程勘察报告、竣工图纸、竣工验收资料等原始资料均较齐全。
2.2外观质量检查
钢筋混凝土结构主要检查结构构件的裂缝及劣化程度等。经检查个别框架柱及剪力墙表面存在蜂窝、麻面现象;少数框架梁存在梁底钢筋锈蚀现象;个别屋面板板底存在碱蚀、露筋现象。结构构件未发现明显开裂、较大变形等严重结构性损坏现象。
2.3材料性能检测
建筑结构的材料性能是结构安全的基本保证。本工程混凝土强度采用超声-回弹综合法对混凝土抗压强度进行现场取样检测,检测混凝土强度摘录如表1所示。现场采用钢筋探测仪对部分梁、板、柱、剪力墙的钢筋配置、分布及混凝土保护层厚度进行检测,检测结果基本符合原图纸设计要求。
3抗震鉴定
3.1抗震鉴定原则
本工程属于B类建筑,应进行两级鉴定。
(1)第一级鉴定对现有房屋的宏观控制和构造鉴定为主进行综合评价;
(2)第二级鉴定:对现有房屋进行抗震验算为主结合构造影响进行综合评价。(1)和(2)同时满足的建筑评定为满足抗震要求,可不进行加固处理;(1)满足而主要抗侧力构件的抗震承载力不低于规定的95%、次要抗侧力构件的抗震承载力不低于规定的90%,可不进行加固处理;(1)不满足而抗震承载力较高时,可通过构造影响系数进行综合抗震能力的评定;(1)和(2)均不满足要求时,应采取加固或其他相应措施。
3.2抗震等级确定
本工程使用功能为病房楼,根据《建筑工程抗震设防分类标准》第4.0.3条,二三级医院的门诊、医技、住院用房,抗震设防类别应划分为重点设防类(乙类)。依据现行《建筑抗震设计规范》第6.1.2条规定,本楼框架抗震等级为二级、剪力墙抗震等级为一级。依据现行《建筑抗震鉴定标准》第6.3.1条规定,框架抗震等级为三级、剪力墙抗震等级为二级。改造工程的抗震设防目标及抗震设防水准,按照安全、经济、合理的要求,结合其后续使用年限40年相协调,确定框架抗震等级为三级、剪力墙抗震等级为二级。
3.3场地、地基和基础
查阅原地勘报告,本楼建造于对抗震有利的地段,场地类别为II类,其地基主要受力范围内不存在软弱土、饱和砂土和饱和粉土或严重不均匀土层。依据《建筑抗震鉴定标准》第4.1条、4.2条规定,可不进行场地对建筑影响的抗震鉴定,同时也可不进行地基基础的抗震鉴定。
3.4抗震措施鉴定(第一级鉴定)
3.4.1结构高度
本工程结构总高26.90m,满足《建筑抗震鉴定标准》第6.1.1条,7度框架-抗震墙结构适用的最大高度为120m的要求。
3.4.2房屋的结构体系
本工程为双向多跨框架-抗震墙结构,结构布置及框架梁、柱、剪力墙截面满足《建筑抗震鉴定标准》第6.3.2条房屋结构体系要求。本工程建筑平面形状为矩形,平面没有局部突出,立面没有局部缩进,均满足《建筑抗震鉴定标准》第6.2.1条房屋结构体系要求。楼层刚度大于其相邻上层刚度的70%,且连续3层总的刚度降低小于50%,满足《建筑抗震鉴定标准》第6.2.1条房屋结构体系要求。首层个别框架柱轴压比为0.98,不满足《建筑抗震鉴定标准》第6.2.1条框架-抗震墙柱(抗震等级三级)轴压比≤0.95的要求。
3.4.3混凝土强度等级
本工程混凝土强度实测结果,满足《建筑抗震鉴定标准》第6.3.3条梁、柱、墙实际达到的混凝土强度等级不应低于C20要求。
3.4.4框架梁的配筋及构造
本工程框架梁纵向受拉钢筋的配筋率不大于2.5%;梁端截面的底面和顶面配筋量的比值不小于0.3;梁端箍筋实际加密区的长度大于梁截面高度的1.5倍,箍筋最小直径为8mm,满足要求。
3.4.5框架柱的配筋及构造
本工程框架柱实际纵向钢筋的总配筋率,框架中柱、边柱和角柱均大于1.0%,满足要求。柱箍筋加密区的箍筋间距为100mm,箍筋直径为φ8mm和φ10mm,满足要求。柱加密区箍筋肢距不大于200mm,且每隔1根纵向钢筋在2个方向均有箍筋约束,满足要求。
3.4.6框架节点核心区构造
本工程框架节点核心区内箍筋最大间距为100mm,最小直径为φ12mm,柱体积配箍率为1.6%~2.1%,满足《建筑抗震鉴定标准》第6.3.6条要求。
3.4.7抗震墙的配筋及构造
本工程抗震墙墙板竖向、横向分布钢筋的配筋率约为0.628%,均大于0.25%,最大间距为150mm,最小直径φ12mm,满足要求。抗震墙边缘构件的配筋,纵向钢筋配筋率为1.2%~2.0%,箍筋直径均为φ10mm,间距均为100mm,满足《建筑抗震鉴定标准》第6.3.7条要求。
3.4.8填充墙
本工程砌体填充墙在平面和竖向布置均匀对称,满足要求。砌体填充墙沿框架柱每隔500mm有2根φ6mm拉筋,拉筋伸入填充墙内长度700mm,满足三四级框架不应小于墙长的1/5且不小于700mm的要求。墙长度大于5m时,墙顶部与梁设有拉结措施,满足《建筑抗震鉴定标准》第6.3.9条要求。
3.5抗震承载力验算(第二级鉴定)
第二级鉴定是以抗震验算为主,结合构造影响进行综合评价。第二级鉴定可采用楼层综合抗震能力指数法与《建筑抗震设计规范》规定方法进行抗震计算分析。本工程采用中国建筑科学研究院编制的《PKPM混凝土结构鉴定加固》软件进行抗震承载力计算。在建立计算模型和选择计算方法时采取了如下处理。
1)在PKPM软件计算中,依据原设计施工图、本次改造建筑图,并结合现场调查结果,确定结构布置及荷载分布,建立计算空间计算模型
2)抗震计算的有关参数抗震设防烈度:7度;设计基本地震加速:0.15g;设计地震分组:第一组;设计特征周期值:0.30s;建筑场地类别:II类;地面粗糙类别:C类;框架抗震等级:三级;剪力墙抗震等级:二级。
3)梁柱节点重合部分,梁端简化为刚域。
4)考虑填充墙对于结构总体刚度的影响,计算时取周期折减系数为0.75。
5)根据第一级鉴定结果,体系影响系数取0.95。经计算首层个别框架柱抗剪不满足要求,首层、2层部分框架梁、板承载力不满足要求,3层、5层改造为设备机房位置楼板承载力不满足要求。
3.6抗震鉴定结论
1)个别框架柱轴压比不满足要求;
2)个别框架柱抗剪不满足要求;
3)部分框架梁承载力不满足要求;
4)部分楼板承载力不满足要求。
4抗震加固设计
4.1框架柱加固
轴压比不足的框架柱采用加大截面法进行加固处理。该方法是在框架柱构件表面凿毛和清洁处理后用钢筋混凝土围套,围套内的纵向受力钢筋由计算确定,并与原框架柱内纵向受力钢筋共同工作。采用加大截面法不仅提高框架柱的承载力,并且在一定程度上提高了结构的刚度。加大截面的尺寸一般在100mm左右,采用混凝土加大截面,浇筑时很难振捣密实,加固质量难以保证。本工程采用高强灌浆料代替混凝土,保证了混凝土的密实度。抗剪承载力不足的框架柱采用横向粘贴碳纤维的方法进行加固处理。框架柱粘贴环向碳纤维箍,缠绕3圈且搭接长度应超过200mm。碳纤维箍外侧抹厚度不小于25mm的高强度水泥砂浆,以满足防火及防护要求。框架柱顶部及底部设置4mm厚钢板封闭箍进行附加锚固。
4.2混凝土梁加固
混凝土梁采用型钢加固法。此方法适用于不允许增大构件截面尺寸,而又需要大幅度地提高承载力的混凝土结构加固。型钢加固法是在混凝土构件四周包以型钢,型钢与被加固梁之间用聚合物砂浆或结构胶等方法黏结。型钢表面抹厚度不小于25mm的高强度水泥砂浆(应加钢丝网防裂)作防护层,具体做法
4.3楼板加固
楼板采用粘贴碳纤维加固法。碳纤维复合材加固混凝土结构,主要是利用纤维抗拉的高强度、高弹性模量、高应变性能及利用改性环氧树脂类胶结材料,使碳纤维与混凝土结构产生良好的黏结性,加固补强原结构受拉纵向钢筋和受剪、抗扭箍筋的不足,从而提高结构抗弯、抗剪、抗扭承载力。该方法用高性能黏结剂将碳纤维布黏贴在楼板表面(纤维粘贴方向应平行于构件的主受力方向),使两者共同工作,提高楼板的抗弯承载力。为提高碳纤维布黏结加固耐久性,碳纤维表面采用压结钢片加射钉进行附加锚固,压结钢片长度宜为碳纤维布宽+60mm,射钉应不打穿碳纤维布。
5结语
1)抗震鉴定应根据结构形式、后续使用年限等因素,结合现场实测数据,采用逐级鉴定的方法,进行抗震性能分析。
建筑的抗震设计对于国家财产的保护,人民生命安全都有着极其重要的意义,当地震来临时,建筑抗震设计不仅仅能够保护人们的生命安全,还保护了国家财产,为国家经济建设做出了贡献。所以建筑抗震设计是建筑设计中极其重要的内容。但是,由于地震等灾害的发生具有不确定性,随时性,破坏性等的特点。房屋的抗震结构设计对于房屋的建筑结构有及其重要的作用。建筑结构的抗震设计是属于结构设计中的概念设计,能够在概念设计中清晰的表达。为了更好的做好建筑结构的抗震设计,在设计之前需要精确的掌控灾害能量的最大输入,结构体系,建筑结构的类型,刚度分布等相关问题。这样就可以从根本上消除房屋建筑结构抗震结构中的薄弱环节。
2建筑结构抗震设计的要点
地震的影响范围一般情况下都很大,一定区域内的建筑物都会受到一定的破坏。所以建筑物场所的选择对于结构的抗震设计及其总要。在选择建筑场地时要注意以下几个方面:地质结构坚硬、避开有较大坡度的山脚,周围地势开阔和避免地震多发地带。在结构的抗震结构设计中对于建筑物的高度有一定的规定和标准。因此建筑物的高度要严格按照国家标准设计。在一些地震多发地区,不仅仅要设计合理科学,还要注重建筑材料的性能。通常情况下,不同高度的建筑对于建筑材料也有一定的要求。一般都采用不同规格的钢筋混凝土结构。同时,为了提高结构的抗震性,在建筑结构抗震设计中,需要减小柱的轴压比,增大柱的截面尺寸。从抗震设计的科学角度来讲,减小柱轴压比主要是为了使柱子处于大偏心受压状态,从而避免这样的情况发生比如:纵向受力钢筋未达到受拉屈服但混凝土却被压碎。在建筑的抗震设计时,很多专家认为应该会提高建筑物抗震设计的等级。这主要是考虑到我国是地震多发国家。大型地震容易出现重现。或是50年,或是200年。建筑的抗震设计还存在一些其他的问题,比如在选择结构体系选型时,尽量可以采取承载能力高、延展性好和充足耗能性能的体系,主要是为了在地震发生时,建筑结构能够有足够的抗倒塌能力。同时在结构的刚性和强度方面要水平方向和竖直方向均匀分布。防止出现局部结构出现问题导致整体结构的倒塌。
3抗震设计对结构抗连续倒塌的影响
3.1地震作用及倒塌机制地震
可以造成建筑倒塌是地震造成一切破坏的主要形式,是为结构在外部作用力下的倒塌。连续性的倒塌是因为内部内力发生重新分布而造成的。在地震作用下,构建的受力和质量分布有关系,构建受力分布在整个结构之中。整个结构的非弹性形变能够很好的减轻地震队构建的破坏。建筑结构的倒塌开始于结构中大部分梁柱节点的损坏。近而造成其他部件和结构的倒塌和破坏,这也叫做建筑结构的连续性倒塌。
3.2抗震设计与抗连续倒塌设计的关系
抗连续倒塌设计的主要目的在于防止建筑结构倒塌的连续性,连锁性的发生。抗震设计的标准是比较小的地震,建筑没有出现任何的结构的问题。较大的地震建筑结构不会倒塌。一般中等地震造成的破坏仍旧可以重新的进行结构的维修。抗震设计和抗连续性设计都有一个共同点就是都特别的注重结构的整体性和连续性。在地震作用性,建筑结构造成结构一定的破坏,抗倒塌能力的作用主要是在梁抵抗内力重分布上。然而结构的抗震设计能够使梁中纵向受力钢筋增加,也提高了结构的抗倒塌能力。建筑结构的抗震设计和抗连续倒塌设计存在很多的相同点,同时也有不同和相互的影响。
3.3抗震设计对结构抗连续倒塌的影响
目前,抗震设计对抗倒塌能力的影响有两种不同的观点:一种认为抗震设计通常是可以取代抗连续倒塌设计的,主要在于抗震设计的结构有整体牢固性的特点,使得结构的抗连续倒塌性能提高。另一种观点认为,抗震设计和抗连续性的倒塌设计有着不同的出发点和目的,存在较大的差别。对于每一种设计都应该充分的考虑,不能够想当然的认为抗震设计可以取代抗连续倒塌设计。因为结构抗震设计中的一点点的构造的方法可能增加了。虽然一些构造措施可增加建筑抵抗倒塌的能力,但是毕竟这样的一点点增加对于整个建筑抵抗连续倒塌能力是微乎其微的。于述强等人通过科学的方法对于抗震设计对于结构抗连续倒塌性的影响。主要采取的方法是建立模型进行分析。采用拆除构件法通进行实验的主要方法,这也是美国使用比较科学的方法。分别拆除了角柱,中柱,拆除内柱等,然后分析了模型的抗连续性倒塌能力。通过模型实验分析得到了科学的理论。一是地震作用存在较多的偶然因素在里面,但是有不同于偶然作用,存在较大的差别,所以抗震设计并不能够取代抗连续倒塌设计。二是虽然抗震设计不能够期待连续性倒塌设计,但是研究表明抗震设计对于抗连续倒塌能力有着极其重要的意义。在较小级别的抗震结构设计中对于结构抗连续倒塌能力没有一个明显的提高,但是当建筑的抗震级别高于8度时,抗震设计结构抗连续倒塌能力得到增强。
4结束语
论文摘要:本文从抗震的角度探讨建筑的体型,建筑平面布置和竖向布置、规范中设计限值的控制、屋顶建筑等设计问题。
建筑设计是否考虑抗震要求,从总体上起着直接的控制主导作用。结构设计很难对建筑设计有较大的修改,建筑设计定了,结构设计原则上只能是服从于建筑设计的要求。如果建筑师能在建筑方案、初步设计阶段中较好地考虑抗震的要求,则结构工程师就可以对结构构件系统进行合理的布置,建筑结构的质量和刚度分布以及相应产生的地震作用和结构受力与变形比较均匀协调,使建筑结构的抗震性能和抗震承载力得到较大的改善和提高;如果建筑师提供的建筑设计没有很好地考虑抗震要求,那就会给结构的抗震设计带来较多困难,使结构的抗震布置和设计受到建筑布置的限制,甚至造成设计的不合理。有时为了提高结构构件的抗震承载力,不得不增大构件的截面或配筋用量,造成不必要的投资浪费。由此可见,建筑设计是否考虑抗震要求,对整个建筑起着很重要的作用。因此,我们在建筑抗震设计过程别要注重以下几个问题。
一、建筑体型设计问题
建筑体型包括建筑的平面形状和主体的空间形状的设计。震害表明,许多平面形状复杂,如平面上的外凸和凹进、侧翼的过多伸悬、不对称的侧翼布置等在地震中都遭到了不同程度的破坏。唐山地震就有不少这样的震例。平面形状简单规则的建筑在地震中未出现较重的破坏,有的甚至保持完好无损。沿高度立体空间形状上的复杂和不规则在地震时都会造成震害。特别是在建筑结构刚度发生突变的部位更易产生破坏。因此在建筑体型的设计中,应尽可能地使平面和空间的形状简洁、规则;在平面形状上,矩形、圆形、扇形、方形等对抗震来说都是较好的体型。尽可能少做外凸和内凹的体型,尽可能少做不对称的侧翼和过长的伸翼。在体型布置上尽可能使建筑结构的质量和刚度比较均匀地分布,避免产生因体型不对称导致质量与刚度不对称的扭转反应。
二、建筑平面布置设计问题
建筑物的平面布置在建筑设计中是十分重要的部分,它直接反映建筑的使用功能和要求。柱子的距离、内墙的布置、空间活动面积的大小、通道和楼梯的位置、电梯井的布置、房间的数量和布置等,都要在建筑的平面布置图上明确下来。而且,由于建筑使用功能不同,每个楼层的布置有可能差异很大,建筑平面上的墙体,包括填充墙、内隔墙、有相应强度和刚度的非承重内隔墙等等布置不对称,墙体与柱子分布的不对称、不协调,使建筑物在地震时产生扭转地震作用,对抗震很不利。有的建筑物,其刚度很大的电梯井筒被布置在建筑平面的角部或是平面的一侧,结果在地震中造成靠电梯一侧建筑物的严重破坏。这是因为电梯井筒具有极大的抗侧力刚度,吸引了地震作用的主要部分[3]。有的建筑物,在平面布置上一侧的墙体很多,而另一侧的墙体稀少,这就造成平面上刚度分布的很不对称,质量分布也偏心,使结构的受力和变形不协调,导致扭转地震作用效应,带来局部墙面的破坏。有的建筑物,如底层为商场的临街建筑,临街一侧往往不设墙体,而其另一侧则有刚度很大的墙体封闭,两侧在刚度上相差很多,也将在地震时引起扭转地震作用,对抗震不利。还有的建筑平面布置上,经常出现内隔墙不对齐或中断,使刚度发生突变和地震力传递受阻,对抗震也带来不利,客易引起结构的局部破坏。建筑平面布置设计对建筑抗震关系很大,从概念上要解决的一个核心问题是:建筑平面布置设计上要尽可能做到使结构的质量和刚度分布均匀,对称协调,避免突变,防止产生扭转效应。在建筑平面布置的总体设计上要尽可能为结构抗侧力构件的合理布置创造条件,使建筑使用功能要求与建筑结构抗震要求融合成一体,充分发挥建筑设计在建筑抗震中的作用。
三、建筑竖向布置设计问题
建筑的竖向布置设计问题在建筑设计中主要反映在建筑沿高度(楼层)结构的质量和刚度分布设计上。无论是单层或多层,还是高层建筑或超高建筑,这个问题是比较突出的。存在的这个主要问题是,由于建筑使用功能的不同要求,如底层或下面几层是商场、购物中心,建筑上要求是大柱距、大空间;而上面的楼层则是开间较大的写字楼或布置多样化的公寓楼,低层设柱、墙很少,而上面则是以墙为主,柱很少。有的建筑在布置上还设有面积很大的公用天井大厅,在不同楼层上设有大会议厅、展厅、报告厅等,建筑使用功能的不同,形成了建筑物沿高度分布的质量和刚度的严重不均匀、不协调。突出的问题是沿上下相邻楼层的质量和刚度相差过大,形成突变[3]。在刚度最差的楼层形成对抗震极为不利的抗震承载力不足和变形很大的薄弱层。这是在建筑设计中必须高度重视的问题。在实际设计中,在建筑使用功能不同的情况下,很可能出现上下相邻楼层的墙体不对齐,柱子不对齐,墙体不连续,不到底;上层墙多,下层墙少;上层有柱,下层无柱等,使地震力的传递受阻或不通;抗震用的剪力墙设置不能直通到底层、剪力墙布置严重不对称或数量太少。所有这些布置都将给建筑物带来地震作用分布的不均匀、不对称和对建筑物很不利的扭转作用。多次大震害表明,建筑物竖向楼层刚度的过大变化,给建筑物造成很多破坏,甚至是整个楼层的倒塌。在1995年的日本阪神大地震中,有多栋钢筋混凝土高层建筑发生了中间楼层的整体坐落倒塌破坏。因此,尽可能使剪力墙布置比较均匀并使其能沿竖向贯通到建筑物底部,不宜中断或不到底。尽量避免其某楼层刚度过少,尽量避免产生地震时的钮转效应。
四、建筑上应满足的设计限值控制问题
根据大量震害的经验总结,现行《建筑抗震设计规范》(GBJll-89)对房屋建筑在建筑设计中应考虑的一些抗震要求的限值控制提出了规定。这些规定,建筑设计应予遵守:一是房屋的建筑总高度和层数;二是对房屋抗震横墙问题和局部墙体尺寸的限值控制。
五、屋顶建筑的抗震设计问题
在高层和超高层建筑设计中,屋顶建筑是一个重要的设计部分。从近几年对一些高层建筑抗震设计审查结果来看,屋顶建筑存在的主要问题,一是过高,二是过重。这样的屋顶建筑加大了变形,也加大了地震作用。对屋顶建筑自身和其下的建筑物的抗震都不利。屋顶建筑的重心与下部建筑的重心不在一条线上,且前者的抗侧力墙与其下楼层的抗侧力墙体上下不连续时,更会带来地震的扭转作用,对建筑物抗震更不利。为此,在屋顶建筑设计中,宜尽量降低其高度。采用高强轻质的建筑材料和刚度分布比较均匀、地震作用沿结构的传递比较通畅,使屋顶重心与其下部建筑物的重心尽可能一致;当屋顶建筑较高时,要使其具有较好的抗震定性,使屋顶建筑的地震作用及其变形较小,而且不发生扭转地震作用。超级秘书网
六、结束语
总的来说,建筑设计是建筑杭震设计的一个重要方面,建筑设计与建筑
抗震设计有着密切关系。它对建筑抗震起着重要的基础作用。一个优良的建筑抗震设计,必须是在建筑设计与结构设计相互配合协作共同考虑抗震的设计基础上完成。为此,要充分重视建筑设计在建筑抗震设计中的重要性,在建筑抗震设计中更好地发挥建筑设计应有的作用。
参考文献:
[1]《建筑抗震设计规范》(CBJll-89),中国建筑工业出版社,2005。
[2]包世华、方鄂华,《高层建筑结构设计》,清华大学出版社,2003。
建筑设计作为项目建设的基本参照和框架,需要在施工前就完成。在建筑设计的过程中,需要对环境、地理、气候等因素加以充分考虑,其发挥的指导作用往往是非常重要的。在工程项目建设中,最关键的一步就是建筑设计这项工作。只要能够保证建筑设计的科学合理、安全性过关,那么后面的具体工作就能很好地展开。因此,在建筑设计中融入抗震理念是重要的一环,可以有效地提高建筑项目的抗震性。建筑设计是建筑抗震设计的基础,一定要实现二者的相互协作,如此才能实现最佳的抗震效果;在刚确定项目建设设计方案时,就难以再进行大范围改动,若是在此基础上,未能对建筑物的抗震性能加以考虑,只是通过在具体施工中通过构件设置的加固来提高建筑抗震性,这样并未能将抗震问题很好地解决;若是在建筑设计过程中,对建筑物的抗震性加以充分考虑,做好材料设置和构件安排等方面的准备,这样才能确保建筑物的抗震性也会得到保障。
2建筑设计中要重点关注的几个抗震设计
(1)建筑构件和连接点处的抗震设计。如今人们的生活水平日益提高,随之也对居住质量有了更为严格的要求,就施工的整体质量而言,与之直接相关联的便是建筑构件的合理搭设和对连接点的科学设置。如今新世纪出现了许多新的工艺和材料,这样施工就迎来了更大的挑战。例如说建筑物的外部设计,其中会用到大理石、瓷砖等新材料,室内装饰设计用到的则有吊顶和人工造影等技术。就实际施工而言,一定要对材料质量和施工技术有所保证,才能使建筑物的抗震性得到保障,同时要重点监督和管理其牢固性,以免在地震发生时意外坠落而造成人员的伤害。
(2)建筑物顶部的抗震设计。如今的建筑行业,普遍对顶部过高、过重的问题有所避免。因为顶部产生的压力会导致建筑墙面也形成相应的较大压力,这会使建筑物的抗震性和牢固性在一定程度上有所减弱。在建筑设计过程中,务必要保证建筑物整体有一个合理的重心,与此同时还要花心思用于材料选择,选取的顶部材料要尽量是重量轻、刚度较均匀的,这样建筑结构才能将抗震能力充分发挥出来。
(3)建筑设计中关于设计限制的问题。通常都是在建筑前期确定建筑物的抗震级别,并且这是以建筑物的实际使用情况为依据,所以要在施工过程中严格按照国家规定,要使建筑物的抗震性能有所保障,以免有墙体裂缝或坍塌的现象出现。
3建筑设计过程中要考虑到的抗震设计
根据上述内容,我们了解到建筑抗震设计和建筑设计之间息息相关的联系。为了确保最大程度的抗震性,就一定要在实际施工中紧密结合起二者的联系,同时还要在施工过程中真正融入抗震理念,如此才能使原有的建筑常规从根本上被打破,才能使建筑物抗震现状得到彻底改善,接下来从建筑物的形状、平面和空间三方面设计来具体阐述二者的结合。
(1)形状设计建筑物的形状设计也就是针对建筑进行的“体型”设计,具体包括了各部分施工技术、建筑物平面布局和立体空间等的设计。在建筑行业发展的新时代,很多方面都有所创新就建筑物思维整体外观而言亦是如此。由此有诸多样式的建筑外形出现,所以,在形状设计的过程中,需要对不同外形的不同特点予以充分考虑,不同的建筑外形,也会有不同的建筑特色和实际需求,施工单位应该加以充分考虑。通常情况下,凸凹形状的建筑体型,通常可以使建筑物的抗震性得到大大提升,然而在实际的建筑建设过程中,原有的常规形状的建筑物已无法满足现代化经济发展需求,所以,建筑物整体抗震性的提高,首先需要对建筑的形状进行科学、合理的设计。
(2)建筑物的平面设计在建筑物施工,平面设计是重要的环节,对建筑物日后的使用将起到决定作用。例如,分别作商务和居住用途的建筑物,它们在平面设计上必然存在很大差别,为了使使用需求得到进一步满足,就一定要按照用途,来对平面构造进行科学设计;另外,为了将抗震元素融入到平面设计之中,不仅要对施工材料的坚固性加以重点考虑,还需要对构架安装的合理性、内部各因素的协调性加以综合考量。要想完美地实现平面设计和抗震设计的结合,就对设计者提出了很高的要求,不但要工作经验丰富,要需要深入地研究审美观念和抗震技术,前提还得不对内部美观产生不利影响,在此基础上再确保抗震性能的最大化。
(3)空间设计对建筑物进行空间设计,是在三维空间内进行的关于建筑物的竖向设计方案。因为日益加快的城市化进程和急剧增加的城市人口,增加了城市的人口压力,所以出现的建筑物楼层愈发高。为了使土地占有面积尽量减少,在现代社会中愈发流行高层建筑,如此就对建筑物的空间设计有了更严格的要求。通常说来,建筑物层数越低,稳定性就越高,受到地震的损害也就会越小;反之稳定性越差,受到地震的伤害也就越大。所以,融合建筑物的空间设计和抗震设计在一起,这样建筑物的整体抗震性才能得到保证。
4结束语
关于高层混凝土住宅建筑抗震结构设计,应该持续改进高层混凝土住宅结构的延展性,达到合理的刚度和强度要求,提升高层混凝土住宅建筑抗震结构的抗震能力。
2高层混凝土建筑抗震结构设计对策
2.1场地和地基的选择
关于高层建筑的抗震效果,地基的情况和场地状况较会产生直接的作用,也称为建筑抗震设计的基础。如何选择地基和场地,一定要详细清楚当地的地震活动状况,仔细勘查地质情况,并获取全方位的数据资料,从而可以有效的进行综合评价和研究,正确的评判当地的抗震设计等级。采用一切办法去规避不利于抗震设计的地方,如果不能规避的场地,我们要做针对性的处理。在选择高层建筑地基时,首选的是较高密实度的基土和岩石,将有利于提升建筑地基的抗震能力,切勿采用哪些不适合抗震的软性地基土。务必要采用合理的措施对达不到地震需求的地基进行改善和加固,从而让它满足抗震要求。
2.2建筑结构的规则性
为了实现可靠性的建筑,达到合理分布承载的力量需要,在设计建筑结构时,务必要达到建筑结构的规则性需要,尽量让抗侧力结构可以简单明了。对于建筑结构平面布置图,多选用比较规整的图形,主要是由于规则的图形能够确保建筑遇到何种情况时都能实现均匀分布的承载力。应该尽量规避一些复杂多变的建筑结构平面,那是由于不规则的图形便于引起建筑结构的钢心和质心间的错乱不堪。如果遭遇地震,钢心距离就会变大,刚性达不到要求,从而使得建筑物出现倒塌的结果。
2.3建筑结构材料的选取
高层建筑在遭遇地震时安全性能很大程度上都由于建筑结构材料来决定。现实中,高层建筑抗震结构设计的本质问题就是整合相应构件的延性,同时要做调和工作,最终目标是确保遭遇地震时建筑能够稳定安全。而对于钢筋来说,应该选择那些具备较好韧性的材料。关于垂直方向受力的钢筋,以HRB335级、HRB400级的热轧钢筋为准,箍筋则是采用热轧钢筋,型号为HPB235、HRB335、HRB40级。在选用建筑结构材料时,务必要充分了解材料抗震的要求。同时,还要考虑其中的造价和成本控制问题。所以说,选用建筑结构材料应该寻求抗震新性能和建筑成本平衡点,只有两者的协调统一,才能确保用最少的材料实现最好的抗震能力。
2.4隔震和消能减震设计
某些高层建筑需要非常严格的抗震要求,要满足一般的抗震效果,还必须实现消能、隔振的效果。所以,要达到上述目标,第一,正确选择地基和场地,首选那些较高密实度的地基,这样可以避免发生轻地震时其能量对建筑产生的损害,减少共振发生几率。建筑物不同,其隔振系数也是不一样的。所以说,在设计建筑结构的过程中,务必要根据实际情况来详细研究,选取适宜的隔震支座,还要综合分析风力产生的负荷作用。那些具有消能、隔振要求的建筑构件,延性好的材料是比较适合的,强度能够满足要求,能够确保建筑物受地震时减弱破坏。
2.5抗侧力体形的优化
在一般性构造的高楼中,刚超过柔,那些刚性结构方案的高楼,主体结构遭遇的损害少,如果发生地震时其结构变形也不大,围护墙、隔墙等非结构部件也会破坏较少,受到较好的保护。结构的超静定次数也会增强,遭遇地震时的塑性铰变大,耗费较多的地震能量。结构也会在强地震情况下更加具有承受力,而不至于倾倒。改观结构屈服机制,并确保结构出现损害时依据整体屈服机制工作,并不依靠楼层屈服机制。设计结构的原则是强压弱拉、强剪弱弯、强柱弱梁和强节弱杆。设计结构理应选择轴力小的水平杆件,成为关键的耗能杆件,尽量的产生弯曲耗能,确保实现构件的较强的耗能能力和不小的延性。
2.6常用的加固设计
要想能够较好的提升建筑结构的抗震能力,加固措施务必要结合建筑结构现实状况进行,选用加固方法务必要综合如下因素全面分析:如果结构设计出现误差和缺陷,就要结合现实问题来加固和增加构件,也可以采用较高抗震能力的构件作为替代品。如要提高整体刚度和承载力,可通过设置套箍、增大原截面和增加构件的方法来实现。多数建筑结构整体性连接不满足抗震的规范要求,应该有目的地调整结构,可以降低损害,分散地震力。为避免发生地震时引起破坏,应该对于那些同建筑结构无关紧要的构件进行加固处理。
3结语
1 国内现状
在我国,框架结构在设计的过程中,基本采用的纯框架的设计理论。填充墙做为非结构构件,结构计算时只是在进行荷载计算时将填充墙的自重附加在计算模型上,没有考虑到填充墙与框架本身的拉结关系的影响。
《高层建筑混凝土结构技术规程》[4](以下简称《高规》)中4.3.17条明文规定:当非承重墙体为砌体墙时,框架结构的计算自震周期可取0.6~0.7的折减系数。这是因为大量的科学实测数据表明:实际工程当中,建筑自身的自振周期小于理论计算出来的周期。特别是墙体采用实心砖填充墙的框架结构,因为实心砖填充墙的刚度大于框架的刚度,其影响更为显著。大量数据表明,实测周期约为计算周期的50%~60%。
在建筑的施工过程中,为了填充墙的稳定、施工方便,通常会采取填充墙与框架柱、梁周边拉结的做法,或者通过拉结钢筋来加强框架和填充墙之间的联系,这样的施工方法有利于填充墙整体的稳定和防止裂缝的生成,并且对于隔音、防水、保温、隔热也是有利的。这一做法也直接导致了框架填充墙结构体在水平或竖向动力作用下,作为一个整体来共同作用。
但是,就算按照目前采用的地震三水准的设防目标,“小震不坏、中震可修、大震不倒“的抗震设计原则,只能做到对于建筑的结构构件不发生破坏或者倒塌,建筑当中存在的大量的非结构构件还是存在被破坏的可能。从以往的震害当中可以看到,非结构构件的破坏也是相当严重的,并对人的生命安全和财产安全造成了极大的破坏。造成这种局面的最主要的原因是在结构设计的时候对非结构构件譬如填充墙等的对抗震的影响被忽略,缺乏对其受力性能的分析和细致的研究。
实验表明:填充墙与结构框架的之间的相互作用明显的改变了建筑主体结构的内力分布情况。目前设计的现况是将本身的填充墙框架结构考虑成空的框架结构,并不能反映主体结构的真实的内力分布,同时抗震设计规范中所给出的柱端弯矩增大系数虽然考虑了节点两侧柱端弯矩之和的放大,但不能反映填充墙的影响,柱端和梁端弯矩比很可能超过柱端弯矩增大系数及附加轴力的情况,导致了计算过程中对柱的实际内力估计不足,造成结构设计上的偏差。
2 框架填充墙的抗震受力分析
根据大量震害调查结果,数据表明如果没有考虑到结构因为填充墙而引起的整体刚度变化,会造成不必要的震害。一般我们会采用以下几种方法来计算填充墙的受力:(1)框架填充墙在进行线弹性受力分析时,一般采用的底部剪力法进行分析。(2)由于竖向荷载对于结构的侧翼影响很小,所以一般不必考虑。(3)在水平力作用下的框架结构,其侧移包括截面弯矩引起的侧翼、弯曲型变形和截面剪力引起的侧移、剪切行变形。
3 钢筋混凝土框架填充墙的破坏模式
影响钢筋混凝土框架结构填充墙破坏的因素有很多,譬如填充墙的宽高比、框架和填充墙的刚度比、强度、选用的材料等,都可能导致墙体破坏的结果不同。一般情况出现的填充墙的破坏有以下几种模式:
(1)弯曲破坏模式。当结构开始受力时,因为整体结构受到的侧向荷载还比较小,填充墙及框架主体处于未分离的状态,因此弯曲单元使一个整体的形式,由于墙体本身属于脆性材料,所以抗拉强度较低,因此在填充墙在受力过程中的受拉端出现了水平裂缝。这种破坏模式一般发生在细高框架结构当中。
(2)剪切破坏模式。在结构的侧向荷载作用下,因为墙体的组成材料之一砂浆抗剪强度较低,所以受力过程中块体间接触面就会出现粘接滑移现象,导致墙体沿灰缝形成锯齿形的裂缝。当填充墙高宽比较大时,锯齿形裂缝由于受到墙体高宽比的限制而不能充分发展,于是就沿着墙体的水平灰缝向另一个受压端继续发展。
(3)对角破坏模式。填充墙中部处于拉压应力状态,当主拉应力较大时,在填充墙中部一定区域内出现裂缝并向受压端发展,形成填充墙斜压杆传力机制,导致形成对角破坏。 (4)局压破坏模式。填充墙受压端处于双向压应力状态,提高了填充墙的抗压强度,但是高应力值使得受压端发生局部压碎破坏,形成局压破坏。
4 填充墙对框架结构的影响
(1)大幅度的提高了框架机构的抗侧刚度,显著减小了框架结构的自震周期。以某选矿厂主洗车间的实心粘土砖填充墙的多层钢筋混凝土框架结构为例,对建筑的自振周期进行了计算和实测。得到的结果是按照结构为纯框架的计算方法得到第一自振周期为0.671s;按现行的规范考虑填充墙的影响计入折减系数,得到的第一自振周期为0.5s;工程建成以后,根据实际的情况对建筑进程测量,得到的第一自振周期为0.41s。
由此可见,填充墙对钢筋混凝土框架结构的自振周期的影响时非常大的。
(2)当框架结构不考虑填充墙作用时,填充墙的存在增大了结构的抗侧刚度,减少了结构整体在动荷载作用下的位移反应,提高了整体结构的抗震性能。
(3)填充墙是地震作用时耗散结构非弹性能量的主要构件,能够减少作用在框架主体结构的地震作用,在抗震中充分发挥着抗震第一道防线的作用,能够延缓主体结构在地震中的破坏。
(4)考虑填充墙的作用能非常明显的改变主体结构的内力分布,并增大了柱端分担的弯矩,会导致柱端和梁端弯矩比超过规范的规定,出现了地震作用下柱破坏先于梁破坏的现象。并且部分填充墙承担的侧向力由柱直接向下传递,使柱的轴向压力增大,进一步加剧了柱的破坏。如图1所示。
图1 柱头的剪切破坏
(5)框架结构如果使用砌体填充墙,当墙体的布置不当时,常能造成结构的竖向刚度变化过大,或形成短柱,或形成较大的刚度偏心。由于填充墙的布置由建筑专业完成,结构图纸上不予表示,所以容易被忽略而造成震害。所以《高规》[4]6.1.3明文规定:抗震设计时,框架结构如采用砌体填充墙,其布置应符合下列规定:①避免形成上、下刚度变化过大。②避免形成短柱。③减少因抗侧刚度偏心造成的结构扭转。
5 填充墙在设计和施工过程中应注意的问题:
(1)在墙体施工中增加构造柱;当墙体高度超过一定范围时,增加圈梁或小梁;圈梁和构造的使用在一定程度上提高了墙体的延性,增强了墙体本身的抗震性能,可以成为结构的第二道抗震防线。通过对前几次震害的调查研究,圈梁和构造柱在地震中的有利作用非常明显;
(2)当墙于不同的位置时,设计时应按区域划分设计;如果墙只是考虑起到隔墙的作用,那么在设计中可以倾向于考虑滑移变位的材料。当墙体作为耗能构件时,则重点应考虑起在能耗机制方向的设计。当墙体可以与结构构件共同起到抗侧刚度的时候,应仿照剪力墙对其进行设计。
(3)做好墙体与周围构件的连接处理,尽可能使用柔性连接;刚性连接是目前工程中采用最多的连接方式,但是其不利的地方在于抗震时填充墙参与受力,对结构的影响较大。
6 结语
1.1木材
在自然界的灾害中,破坏力最大的就是地震,至今依然是无法准确预测。地震不但会导致建筑物倒塌,而且还会造成重大的伤亡事故。全世界每年由于地震灾害死亡的人数可达数万人,引起的财产损失有数千亿元人民币。在统计全球的地震破坏后的案例中,木结构建筑显示出了优越的抗震性能。震灾调查以后,倒塌的建筑中大多数是砖混结构以及框架结构,而木结构为主体的建筑都基本保持完好,基本没有倒塌。这说明了木结构建筑的抗震性能大大高于其它的结构,木结构具有高抗震性能的原因是:木材的质量较轻、建筑的层数一般较少,所以受到的地震作用(惯性力)较小,同时利用木结构各种节点能很好的消耗地震对结构产生的能量,从而保证在大震时木结构建筑物的稳定性以及完整性。即使在大震作用下建筑结构倒塌的最坏情况下,由于木材的质量和硬度比钢材以及混凝土等建筑材料小得多,所以对人们的健康伤害也要小的多。
1.2块材
块材和砂浆组成砌体结构,按照材料分,包括砖结构、石结构和其它材料的砌块结构。砌体结构在我国应用很广泛,这是因为它可以就地取材,有较好的保温隔热性能。较钢筋混凝土结构节约水泥和钢材,砌筑时不需模板及特殊的技术设备,可节约木材。砌体结构的缺点是自重大、体积大,砌筑工作繁重。由于砖、石、砌块和砂浆间黏结力较弱,因此无筋砌体的抗拉、抗弯及抗剪强度都很低。由于其组成的基本材料和连接方式,决定了它的脆性性质,从而使其遭受地震时破坏较重,抗震性能很差,因此对多层砌体结构抗震设计需要采用构造柱、圈梁及其它拉结等构造措施,以提高其延性和抗倒塌能力。此外,砖砌体所用黏土砖用量很大,占用农田土地过多,因此把实心砖改成空心砖,特别发展高孔洞率、高强度、大块的空心砖以节约材料,以及利用工业废料,如粉煤灰、煤渣或者混凝土制成空心砖块代替红砖等都是今后砌体结构的方向。
1.3混凝土
混凝土为主制作的结构称为混凝土结构,包括素混凝结构、钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构等。混凝土材料也是脆性材料的典型。在2008年汶川地震中,震中地区钢筋混凝土房屋破坏严重,特别是2000年以前的混凝土结构建筑,几乎全部倒塌,这些建筑结构破坏有一个共同特征,都是在发生变形处混凝土溃碎,完全丧失了承载强度,钢筋外露,混凝土材料的力学性能完全丧失殆尽,这主要是当时设计和施工原因。2000年后的混凝土结构由于采用了新的抗震标准设计以及施工水平的提高,大多结构没有出现倒塌。从这点来看混凝土材料虽然时脆性的,但通过合理的设计和施工是完全能够满足结构的抗震需求的。
1.4钢材
使用钢材作为建筑结构称为钢结构,钢结构具有以下优点:强度高、强重比大;塑性、韧性好;材质均匀,符合力学假定,安全可靠度高;工厂化生产,工业化程度高,施工速度快。同时,钢结构也具有耐热不耐火、易锈蚀、耐腐性差等缺点。钢结构广泛应用在重型结构及大跨度建筑结构,多层、高层及超高层建筑结构,随着我国钢铁产量的日益增加以及我国用钢政策的调整,钢结构将会更加广泛地应用在各个领域。由于是钢结构建筑具有良好的延展性,属于延性材料,所以可以很好地衰减地震能量,有效地减少地震作用对建筑的破坏。钢结构在进行建筑抗震设计时,应该特别注意强度、稳定以及刚度上满足承载力和正常使用要求后,还要从延性和耗能上提高钢结构的抗震性能,减小地震破坏力,保证大震不倒的设计思想。
2结语
1.1建筑模型设计的重要性建筑空间形态具有很多种,主要包括平面形状和物体空间形状。根据相关的地震数据统计表明,在地震中,平面形状就会更加复杂,如出现不平衡,建筑的不对称翼将受到一定程度的损害。在唐山大地震中,我们可以看到许多这样的类型,一些传统的、常规的建筑造型在地震中没有严重的损害,甚至还有一些能够很好地保留下来。地震在三维空间内是非常复杂的,将会对建筑物造成很大的伤害。特别是在结构刚度出现突变的位置。因此,在建筑设计过程中,需要尽可能使建筑平面和空间形状变得简单。尽可能设计一些凹凸的结构面,尽可能延长一些不对称翼。在布局上,需要使得建筑物结构能够尽可能达到刚度的均匀分布,避免一些非对称的刚度分布不均匀,这样就能够有效避免住房建设出现扭转而产生破坏。
1.2建筑结构设计的规则合理对抗震设计的影响在建筑设计的过程中,应该遵循优先选择的规则。在这座建筑设计的过程中,建筑平面、剖面和三维表面都要表现出简单规则和对称性的特点。此外,建筑结构的侧向刚度强度也要分布均匀,使建筑的质量能够均匀分布,这样就能够有效防止建筑物出现突变。为了实现建筑结构体系的科学合理性,我们必须首先确保设计能够具体、明确,其次还要保证建筑结构的结构设计能够科学合理,在这一过程中需要考虑到承受力需要合理分布,这样我们就可以在施工过程中保证,可以使得施工根据设计图来进行。建筑的形状规则的合理性,可以有效分散地震的破坏性,能够保护建筑物的完整性,从而在一定程度上提高建筑的抗震性能。
2房屋建筑的筑抗震设计
2.1建筑抗震设计的规划与布局良好的抗震能力将对建筑设计建筑能够提高建筑的抗震性能,建筑的布局更加复杂,这样就会导致建筑防震能力出现下降。在剪力墙设计的过程中,需要认识到剪力墙是建筑结构抗震的一个最重要的部分,建筑结构的设计需要按照抗震要求来进行设计。建筑的刚度需要分布均匀,在大厦电梯的设计过程中,可以有效地防止由电梯人员由于地震偏心扭转效应的影响。对建筑的整体设计而言,设计师应该在抗侧力构件的布置设计过程中,将建筑设计建和抗震设计有机地融合在一起,这将大大提高建筑物的抗震能力。
2.2垂直设计对建筑抗震性能的影响在建筑设计的过程中,建筑的垂直布置设计就是将建筑的质量和刚度沿垂直方向上进行均匀分布。如果建筑的负载刚性比较差,将使得建筑的承载能力不足,所以它会很容易在地震中出现变形,成为不利抗震的一个薄弱环节。在建筑设计的过程中,垂直设计可以有效避免这个问题,在设计的过程中,如果两层楼都是紧挨着的,其实际的功能也是不一样的。研究表明,在众多的地震,建筑物的竖向刚度能够均匀分布,这样使得建筑受到地震的影响会比较小。
2.3建筑墙体和屋顶的设计在进行房屋建筑设计的过程中,建筑的重量越轻,它在地震受到的损坏程度就会越小,其结构的稳定性也会大大提高,这样的房屋的抗震能力是非常高的。因此,如果我们要减少建筑物在地震中的破坏程度,在建筑的墙体和屋顶中需要使用一些轻质材料。
2.3.1墙体的设计:建筑墙体的设计,为了使建筑质量变得更轻,有必要使房屋的墙体变得更轻。如果墙体本身具有很大的重量,这样就会降低建筑的抗震性能,使得建筑在地震过程中遭到摧毁的可能性更大。因此,需要严格选择墙体的材料,保证墙体的重量。
2.3.2屋顶的设计::在屋顶的设计中,也要尽可能地采用安全轻质的材料,这样就能保证墙体不会承载着一个重量很大的物体,影响墙体的稳定性。建筑的屋顶不应该增加一些不必要的承重原件,这样就会使得建筑的重量得到增加,会影响建筑的抗震性能。
2.4建筑结构抗震取决于根据其承载力根据静态分析的理论,分析地震作用的惯性力,结合弹性力学和地震作用进行计算,对建筑的结构和构件在地震中的弹性位移进行分析,以确保施工的强度,保证建筑结构的安全性能。对建筑结构进行抗震设计要依据其承载能力,要计算出其承载力,我们可以采用传统的设计计算方法,所以这些设计很容易被设计人员应用,这种方法主要是对惯性力的分析,在地震作用下,把建筑结构可以看成一个弹性整体,选择相应的计算来计算结构在地震中的固有频率值,最后采用弹性的计算方法对结构的抗震性能进行分析和计算,根据承载力合理选择房屋建筑抗震设计的方案。
3结论