抗震优化范文

抗震优化范文（精选9篇）

抗震优化 第1篇

关键词：交通,防灾,优化

1 研究背景

GB 50220—95城市道路交通规划设计规划将城市道路分为快速路、主干路、次干路和支路四类, 不同的道路等级对应不同的设计车速和道路红线, 并通过对比规范与规划路网的道路网密度、车速等指标评判规划路网的优劣。在常规路网规划中, 并没有考虑从防灾视角来提高道路网络的抗灾性能。针对我国地震灾害频发的现状, 研究城市交通抗震易损性, 提升道路网络的抗震性能, 显得必要和迫切。

GB 50413—2007城市抗震防灾规划标准规定:对连通城市固定避震疏散场所的主干道进行抗震连通性影响评价;根据需避震疏散人口数量及其分布, 合理安排避震疏散场所和避震疏散道路;与城市出入口、中心避震疏散场所相连的救灾主干道不宜低于15 m。应能保障疏散通道的安全畅通。由此可见, 在城市抗震防灾规划中, 规划避震疏散主通道, 保证疏散通道的有效宽度和安全畅通, 是确保灾后应急救援的重要环节。

2 城市交通易损性

地震发生后, 受灾城市的内部交通系统受到严重破坏, 桥梁坍塌、街道被瓦砾阻塞等造成交通瘫痪。研究表明, 基于地震的交通易损性主要表现为路面破坏、桥梁破坏和沿街建筑物倒塌。

2.1 基于路面破坏的连通概率

姜淑珍等[1]根据震害经验, 采用震害指数 (indj) 表示路段的破坏程度:

其中, Xjk为第j路段第k个震害因子对应的量化值。

由路段震害指数, 得到对应不同震害指数的路段连通概率Pf, 见表1。

2.2 基于桥梁破坏的连通概率

桥梁的震害预测方法包括经验统计法、规范效核法、Pushover法等。一般将桥梁震害分为五级, 根据桥梁各个等级的震害描述, 规定桥梁单元的通行概率Pb如表2所示。

2.3 基于沿街建筑物倒塌的连通概率

研究表明, 沿街建筑倒塌引起的路段阻塞主要与该路段上瓦砾堆的总土石方量、道路宽度等因素有关。

文献[2]给出了路段单元因建筑物倒塌阻塞后的通行概率计算公式:

其中, Ω为瓦砾阻塞量, Ω=Ψ1A1+Ψ2A2+Ψ3A3;L为计算路段单元长度;Lc=800 m;Ωc为路段瓦砾阻塞界限值, 当路长400 m~1 200 m时, 取5 000 m2。

综上所述, 地震发生后, 路段单元的通行概率为:

其中, Ptr为路段的连通概率;Pr为路段阻塞的通行概率;Pf为路面破坏的通行概率;Pb为桥梁通行概率。

路段震害等级及其通行概率见表3。

3 道路网络抗震性能评价

交通系统是地震发生后城市重要的生命线, 为保证震后应急救援的效率, 要求交通网络能够保证重要路段或源汇点的车辆行驶顺畅。可靠度是交通系统在一定的服务水平下, 能够完成预定功能的概率度量, 是衡量路网抗震服务性能的重要指标。国内外地震灾害救援经验表明:震后路网的连通可靠度, 对于震后应急救援具有十分重要的意义。因此, 本文主要基于连通可靠度进行道路网络的抗震性能评价及其优化。

路路网网连连通通可可靠靠度度反反映映了了网网络络中中各各节节点点的的连连通通状状况况, , 从从道道路路网网络的拓扑结构来描述道路网络的可靠性。目前网络连通可靠性的分析方法可分为两类:概率解析方法和随机模拟方法[3]。对于诸如城市交通这样的大型复杂网络, 网络分析的精确算法往往无能为力, 一般采用随机模拟方法 (如Monte Carlo法) 。通过计算机仿真, 算出路网在不同烈度地震作用下的连通概率, 找出震后道路连通的薄弱环节和敏感路段, 为城市防灾提供基本依据。

研究表明, 震后路网系统中路段单元最容易发生阻断。本文假定路网节点完好, 考虑基于路段破坏的网络连通可靠性。根据图论知识, 将城市路网系统简化为平面网络, 则基于路段破坏的网络系统是边权网络。本文选用某城市实际路网, 包含54个节点91条边, 如图1所示。表4给出了路网的拓扑结构及其路段连通可靠度。

由Monte Carlo算法得出路网中各个节点之间的连通可靠度。令可靠度小于0.3为毁坏, 0.3~0.5之间为严重不可靠, 0.5~0.7之间为中等不可靠, 0.7~0.9为轻微不可靠, 大于0.9为可靠。由路段的可靠度, 可以得到路网节点之间的连通可靠度。表5列出了节点1到网络其他节点的连通可靠度。

路网连通可靠度是评价道路网络抗震性能的重要指标。通过Monte Carlo模拟算法, 可以确定城市道路网络重要设施点与救灾空间 (如消防站、医院、物资供应点等) 在不同烈度下的连通概率, 找出震后道路连通的薄弱环节;同时, 运用敏感性分析方法, 求出基于系统连通可靠度的路段单元敏感度, 从而为城市的防灾规划和路网优化提供基本依据。

4 基于网络的路网抗震性能优化

在城市的建设管理中, 城市的管理者常面临的问题是:在有限的道路网络建设资金约束下, 如何逐步提高道路网络的抗震性能, 保证城市中某些节点间的抗震服务水平。基于路网拓扑结构的抗震优化, 有两类不同优化目标:一类是给定资金约束下, 路网抗震性能最大化;另一类是给定路网基本抗震性能要求, 建设资金最小化。本文认为第二类方法更符合我国城市建设实际, 通过合理界定路网年度抗震性能基本要求, 逐步提高路网抗震性能。

已知某城市有一些重要的节点, 要求通过道路相互连接, 图2为该市道路网络初步规划示意图。由地震易损性分析, 可以得到路段在不同地震烈度下的可靠度。当不考虑交通量约束情况下, 假定路段单元抗震可靠度皆取0.85, 在道路网络节点之间的连通可靠度不低于0.7的前提下, 优化路网布局, 使得路网的建设和维护资金最少。此处假定修建路段的投资额是路段长度的函数 (100元/m) , 路段长度见表6。

m

路网拓扑结构优化是0—1规划问题, 采用遗传算法。编码时, 基因值为0表示路段不修建, 基因值为1表示路段修建。路网中所有路段的基因按照指定的次序排列起来, 构成一条染色体。路网拓扑优化模型中一个染色体对应路网的一种拓扑结构方案。多条染色体构成遗传算法的一个种群。采用随机发生器生成初始种群时, 剔除非连通路网。然后进行个体评价、选择操作、交叉操作、变异操作等, 进行收敛判断, 得到最优解。图3为路网拓扑优优化化的的遗遗传传算算法法流流程程图图。

整个计算过程见图4。

在满足OD对之间的抗震可靠度大于0.7的前提下, 得到路网规划最优方案的造价为315.6万元。

最优方案路网拓扑结构规划示意图见图5。

5 结语

本文分析了城市交通系统的抗震易损性, 提出基于连通可靠度的路网抗震性能评价指标, 并给出了基于路段破坏的网络连通可靠度的计算方法。最后, 运用路网抗震可靠度评价指标, 提出基于网络拓扑结构的路网抗震性能优化方法, 为路网防灾规划和抗震性能优化提供了决策依据。

参考文献

[1]姜淑珍, 柳春光.三亚市交通系统易损性分析[J].世界地震工程, 2005, 21 (3) :23-27.

[2]赵国兴, 陈淮, 李杰.震后城市交通系统评估与改建[J].世界地震工程, 1996 (8) :6-10.

抗震优化 第2篇

王 雄 杰0903309-272010-11-20

摘要 ：砖混结构由于选材方便、施工简单、工期短、造价低等特点，多年来砖混房屋是我市当前民用建筑中使用最广范的一种建筑形式。经笔者多次民间走访调查并结合所学知识对我市民用房存在的问题进行了分析，并探讨了一些我市目前可行的抗震措施。现将一名建筑学习者的实践成果分述如下：

现今我市村镇房屋抗震存在许多的问题

我市村镇房屋很多并没有按照《建筑抗震设计规范》的具体要求进行抗震设计，在抗震概念设计、结构抗震计算和抗震构造措施三个方面均存在问题，严重者存在毫未进行抗震设计，从而房屋的抗震能力极低。经考察，由于年久未修，部分房屋已出现整体倾斜、砖瓦剥蚀等现象。针对目前我市农村建筑抗震设防标准低的现象，现重点从抗震概念设计方面分析具体存在的抗震问题。场地选择不当

许多山区及丘陵地区村镇房屋建在山尖及地形变化剧烈的不利地方，由于地形对地震波的放大作用使地震作用加强。如2003年7月21日云南大姚地震中位于山尖及地形变化剧烈的地方房屋基本倒塌。结构布局不合理

村镇房屋中相当一部分是由屋主根据主观意愿自行设计，往往造成建筑平面布置不规则如“∟”型、“π”型，再加上房屋本身没有进行抗震设计，地震时受扭转效应的不利影响，从而导致房屋容易发生破坏倒塌。结构体系有缺陷

村镇房屋多为纵墙或横墙承重，然而由于连接构造措施不当，不能有效的传递荷载。如木结构的门式和三角形屋架之间无斜撑，仅靠铆榫和檩条连接不能形成刚接点，在地震作用下容易松动变为铰接点，整个屋面系统成为一个几何可变体系，从而在地震作用下容易发生倾斜或倒塌。又如山墙搁檩，即檩条直接搁在山墙上，而山墙一般较高，整体稳定性差，地震时山墙容易内闪倒塌，导致屋盖塌落造成住户被活埋死亡，人员伤亡惨重。非结构构件的连接构造措施不够

大多数村镇房屋有出屋面的烟囱、高门脸、女儿墙等局部突出部分，这些构件与结构主体没有有效的拉接措施，加上地震作用的鞭梢效应，地震发生时易倒塌，从而砸伤人员。材料强度不能保证

村镇房屋主要为土坯房屋、木结构房屋、石结构房屋、砖土混合承重房屋等砌体结构房屋，材料质量和强度没有保证。如砖土结构房屋中砖和土坯之间粘结强度低；木构件容易发生腐朽，且没有任何的防腐措施，这些房屋在地震作用下容易由于强度不够而发生破坏。施工质量差

由于农村经济原因，施工人员多数为当地的土匠，缺乏技术知识，不能保证质量，从而不利于结构的安全性。如砖砌体结构的交叉处未同步砌筑，不配置拉接筋。先浇构造柱再砌筑砖块，从而影响结构的整体协同工作能力。又如砌墙过程中多采用“带刀灰”，砂浆只涂在砖边沿，未填饱满，有的墙面砌筑很不平整，形成鼓包墙。居家装修时的薄弱认识

在房屋的设计中，有许多的结构都是按照房屋的抗震需要建造的。屋内有些地方是坚决不能改动的，否则一旦破坏房屋的整体防震设计，在遇到地震时就极为危险。尤其是目前有不少临街的居民楼将一层、二层改为商铺的。一般情况下，如果一楼的一户居民将承重墙拆除，将会导致该楼的抗震性能减弱和负荷应力出现异常，如果此时发生强震，楼梯很可能会发生整体坍塌。另外，承重墙也不能随意凿洞，屋内墙的门窗尺寸也不能随意拆改，扩大原有门窗尺寸或者另建门窗，这也有损于房屋的抗震性。

提高农村建筑抗震性能的对策和措施

地震作用具有不可预测性和巨大的破坏性，加之我国农村人口众多，由于经济等原因村镇房屋抗震能力极低，一旦地震发生会造成巨大的人员伤亡和经济损失，在新时期全面建设社会主义新农村，保障人民生命和财产安全刻不容缓，村镇建筑需采取相应的对策和措施。

1，科学布局建筑平面和立面

建筑平面和立面的规整性是整个结构设计中一个十分基础、重要的内容。抗震设计中，建筑平面、立面宜尽可能简洁、规则，结构质量中心与刚度中心相一致。在实际工程设计中，应避免头重脚轻，房屋重心尽可能降低，避免采用错落的立面，突出屋面建筑部分的高度不应过高，以免地震时发生鞭梢效应，同时应控制好结构竖向强度和刚度的均匀性。

2，增强砌体房屋的刚度及整体性

房屋是纵、横向承重构件和楼盖组成的一个具有空间刚度的结构体系，其抗震能力的强弱取决于结构的空间整体刚度和整体稳定性。刚性楼盖是各抗侧力构件按各自侧移刚度分配地震作用的保证。现浇钢筋混凝土楼板及屋盖具有整体性好、水平刚度大的优点，是较理想的抗震构件，可消除滑移、散落问题，增加房屋的整体性，增大楼板的刚度。较强的楼板及屋盖水平刚度使荷载传递具有良好的条件。平面上，当上下墙体不对齐时，现浇楼板及屋盖能起到一定的传递水平力的作用，同时楼、屋盖现浇增加了楼板对墙体的约束。因此，采现浇楼、屋盖是一种较好的增强楼房结构空间刚度和整体稳定性的方法，在适当的部位增设构造柱，并配置些构造钢筋，也能达到增强结构整体性的作用；另外，设置配筋圈梁可限制散落问题，增强空间刚度，提高结构整体稳定性，从而提高房屋的抗震性能。

值得一提的是，基于我市人均生产总值在同类城市中比较落后等原因，在考虑成本因素时而采取砌体结构的建筑物，其设计必须按照抗震规范要求执行，且严禁使用预制板。2008年汶川震害实例证明，预制板与圈梁、墙体之间的连接非常脆弱，在地震作用下，它们的连接极易失稳发生脱节，更为严重的是一块预制板的塌落会引发多米诺骨牌效应的多层楼板的连续倒塌与叠压，造成巨大的人身伤亡！

3，合理布置纵墙和横墙

砖混房屋的主要承重构件是纵、横墙体，在地震中主要由于承重纵、横墙在地震力作用下产生裂缝，严重者会出现倾斜、错动、倒塌等现象，进而使房屋造到破坏；所以合理布置纵、横墙对提高房屋抗震性能起到很大的作用。砖混房屋应优先采用横墙承重或纵横墙共同承重的结构体系，纵、横墙的布置宜均匀对称，沿平面内宜对齐，沿竖向应上下连续，同时一轴线上的窗间墙宽度宜均匀。房屋的空间整体刚度和整体稳定性决定着房屋抗震能力的高低。

4，适当增加墙体面积与合理提高砂浆强度

历次震害表明，砖混房屋的抗震能力与墙体面积大小及砂浆强度等级高低成正比，提高墙体面积、砂浆强度等级能有效地提高房屋的抗震能力，是减轻震害的有效途径之一。

5，有效设置房屋圈梁和构造柱

多次震害调查表明，圈梁是砖房的一种经济有效的措施，可提高房屋的抗震能力，减轻震害。在砖混房屋中设置沿楼板标高的水平圈梁，可加强内外墙的连接，增强房屋的整体性。由于圈梁的约束作用使楼盖与纵、横墙构成整体的箱形结构，能有效地约束预制板的散落，使砖墙出平面倒塌的可能性大大降低，以充分发挥各片墙体的抗震能力。

结束语

高层建筑结构抗震设计优化措施探讨 第3篇

关键词：高层建筑 建筑结构 抗震设计 优化

中图分类号：TU318 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）06（a）-0084-01

近年来我国地震灾害发生的较为频繁，在地震发生时，建筑受到破坏性较大，而且部分建筑还会发生倒塌，所带来的经济损失和人员伤亡较大。高层建筑由于其层数较多，容积率较大，一旦在地震中出现坍塌会带来严重的损害。因此做好建筑抗震设计具有十分重要的意义，所以需要在设计时对其抗震性能进行重点关注和优化，有效的提高高层建筑的抗震性能。

1 高层建筑结构抗震设计的主要内容

抗震设计的基本原则是要满足抗震设防目标大震不倒、中震可修、小震不坏3个水准的要求，在确定这个原则时，需要按抗震设计两阶段进行设计，這两个阶段分别是多遇地震下的情况和罕遇地震的情况，前者采用弹性反应谱法，后者采用抗倒塌弹塑性变形验算。对一些超越规范的高层建筑，可以采用基于结构性能的抗震设计理论进行设计。

2 高层建筑抗震设计中常出现的问题

2.1 建筑平面和竖向不规则

随着经济水平的提高和大家对流动的艺术的追求，建筑师创作的平面和立面越来越复杂。进而平面和立面规则性超限的情况越来越普遍。这就使得建筑的抗震性能有很大的削弱。

2.2 地基的选取不科学

不同的地基类型对地震力的传递有不同的特点，高层建筑由于垂直高度较高，自身重量较大，所以在选址时，对于土质的硬度、密实度和对地形的开阔和平坦性具有较高的要求，而且要远离河岸，避免抗震危险性路段，这样才能确保高层建筑的基础具有较好的抗震性能，能够在地震力作用下具有较好的承受能力。但当前由于我国城市发展速度的加快，城市人口不断增加，很大一部分房地产开发商在进行高层建筑选址时都会更多的对其商业利益和商业开发空间进行考虑，这就导致高层建筑地基在选取上具有较多的适宜性和不科学性，从而使其抗震性能降低，在地震发生时高层建筑的基础破坏较为严重。

2.3 材料的选取不科学

近年来我国地震发生的较为频繁，这就需要在地震频发地区在进行高层建筑设计时，需要确保其结构体系的合理性，同时还要合理选择结构材料。但因为施工、经济等原因，轻质高强材料并没有合理的采用。还停留在增加水泥、增加钢筋、加大截面来刚性提高结构安全，运用新材料、减震、隔震材料用的少。

2.4 抗震设防烈度较低

限于我国的经济发达程度，目前我国的建筑的抗震设防烈度较低，中震相当于在规定的设计基准期内超越概率大约为10%的地震烈度，较低的抗震设防烈度放松了高层建筑的抗震要求。

3 高层建筑结构抗震设计的优化措施

要设计出具有较好的抗震能力的建筑应该从结构概念设计和构件设计两方面进行作手。

抗震概念设计对结构的抗震性能起决定性作用，因此新规范（规程）均在相关条文中强调了建筑与结构概念设计的重要性，并要求建筑师和结构工程师在高层建筑设计中应特别重视建筑结构设计中的概念设计

结构构件抗震的优化准则，即“四强四弱”“强柱弱梁”是指节点处柱端实际受弯承载力大于梁端实际受弯承载力；“强剪弱弯”是防止构件剪切的破坏，要求杆件的受剪承载力高于受弯承载力；“强节点弱杆件”是防止节点的破坏先于构件；对于杆件截面而言，“强压弱拉”是为避免杆件在弯曲时发生受压混凝土破裂的脆性破坏，使受拉区钢筋的承载力低于受压区混凝土受压承载力具体的可以从以下几点进行考虑。

3.1 选择有利的抗震场地

地震对建设在不同地质条件上建筑设施的破坏作用有明显差异。在施工做好地基地质勘察工作，确保建筑场地有利于建筑设施的抗震，应避开对抗震不利地段，当无法避开时，应采取适当的措施提高抗震能力。按照建筑场地地基地质特点和受地震破坏作用的强弱进行有效分类，根据建筑场地的实际情况合理采取抗震措施，如根据地基地质抗震设防类别、地基液化等级等实际情况合理选择采用合理的基础形式，或者有效消除地基液化沉陷现象。

3.2 选用合理的结构体系

体系问题是结构设计应把握的头等重要的问题。应注意体系的合理性问题，优先采用抗震能力强、延性好、耗能能力强、便于施工的具有多道防线的结构体系（如采用设置耗能连梁的抗震墙结构、框架-抗震墙、框架-筒体结构等）。避免采用抗震能力较低的板柱-抗震墙结构、框架结构、尤其是单跨框架结构等。

3.2.1 优化平面和立面设计

结构的简单性，即尽量均匀、对称。结构简单是指结构在地震作用力下具有直接和明确的传力途径。只有简单的结构，才能够易于把握建筑结构的计算模型、内力位移分析和结构薄弱部位，从而对结构的抗震性能也有更可靠的估计。对于为了满足建筑功能要求的平面和立面的不规则，可以采取以下几点给予改善。

3.2.2 提高结构的刚度和抗震能力

水平地震的作用是双向的，建筑结构设计应使高层建筑能抵抗任意方向的地震破坏。通常设计可使结构沿平面上两个主轴方向具有足够的刚度和抗震能力，结构的抗震能力则是结构强度及延伸的综合反映。结构刚度的选择不仅要能减轻地震破坏作用，还要注意控制结构变形的增幅，过大的变形会产生重力二阶效应，导致结构破坏、失稳。

3.2.3 结构的整体性

在高层建筑结构中，楼盖的设计对高层建筑整体性起到至关重要的作用，楼盖相当于水平隔板，它不仅聚集和传递惯性力到各个竖向抗侧力结构，而且要求这些结构能协同承受地震作用。特别是竖向布置复杂或抗侧力构件水平变形特征不同步的结构，就更要依靠楼盖使抗侧力与结构能协同工作。

3.2.4 设置完善的抗震措施

抗震建筑结构体系应全面考虑到建筑物的设防烈度、房屋高度、场地、地基、基础、材料和施工等因素，经过技术、经济技术、经济条件综合考虑来确定。首先应设较多道抗震防线，从而避免因部分结构或构件破坏而导致整个高层建筑结构体系丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力减弱。合理的刚度和强度分布，会避免因局部消弱、突变性、过大的应力集中或塑性变形集中可能产生的薄弱部位。

3.3 选用合适的建筑材料

合理选择高层建结构材料也有利于提高建筑设施的抗震性能。从抗震设计的角度对建筑工程所用材料参数进行有效分析，选用符合高层建筑抗震要求的工程材料。尽量选用高性能混凝土和高强钢筋及其他高强轻质材料，以提高提高构件内力及抗震性能，并应积极运用新型减震、隔震材料。

4 结语

随着高层建筑技术的不断成熟，其抗震设计水平不断提升，高层建筑抗震设计的方案越来越趋向于科学和合理，再加之各种新技术和新材料的应用，高层建筑抗震性能不断提升，有效的提高了地震发生时建筑的安全性。

参考文献

[1]王海翠.我国高层建筑抗震结构设计初探[J].科技传播，2011（10）：29，41.

[2]郭霞飞.高层建筑结构抗震设计思想与工程实例分析[J].四川建材，2010（3）：120-121.

高层住宅建筑结构的抗震优化设计 第4篇

1 高层住宅建筑结构的抗震设计原则

高层住宅建筑结构的抗震设计应该选择合适的结构形式, 做到刚柔相济, 保证建筑结构的抗震性能, 并且应该达到建筑物“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震目标。由于建筑物在地震的作用力下, 其结构会发生很大的变化, 所以高层住宅建筑设计人员应该根据不同的建筑类型以及地震强烈程度采用不同的建筑构造和结构类型, 保证设计的建筑结构达到安全性和效益相统一的原则。所以在对高层住宅建筑结构设计的过程中首先应该认真进行抗震设计, 综合考虑建筑结构构件的稳定性、承载能力以及刚度和延性等建筑性能, 并且对于结构中相对比较薄弱的部位应进一步加强抗震措施。并且在抗震设计使, 应该设有多道防线, 使建筑结构形成一个完整的抗震结构体系, 从而达到高层住宅建筑良好的抗震效果, 并且在进行处理建筑结构之间的关系时, 应该保证“有效屈服”能够保持较长的阶段, 从而可以保证建筑结构的抗倒塌能力和延性[1]。

2 优化策略

对高层建筑结构抗震设计时, 首先可以从高层住宅建筑结构的结构体系、建筑结构的规则性等方面着手, 在将抗震和消震相结合的基础之上, 建立建筑结构延性和结构设计的地震力要求相互影响的双重指标和设计方法, 从而可以通过建筑结构形式达到减震消震的效果, 从而使高层住宅建筑在地震中具有良好经济的抗震性能。

2.1 建筑结构的抗震设计应重视建筑结构的规则性

(1) 在高层住宅建筑抗震设计中建筑主体抗侧力结构应该沿着竖向断面构成变化比较均匀, 并且不能出现突变的现象, 这种均匀的高层建筑结构能够避免因为结构薄弱层的破坏而造成整个建筑结构破坏, 特别是对于强震区的高层住宅建筑应该特别注意。

(2) 建筑主体的抗侧力结构的两个主轴方向变形特性以及刚性应该比较相近, 这主要是因为高层建筑结构是三维形式, 实际的地震作用以及风荷载具有任意的方向性, 在设计中使建筑主体抗侧力的两个主轴方向的刚度比较均匀, 这就可以保证建筑结构具有良好的抗风能力和抗震性。

(3) 在高层住宅建筑抗震设计时, 主体抗侧力结构的平面布置应保证同一主轴方向的抗侧力结构刚度应该均匀, 这样可以有效避免在主体结构的布置设置中刚性大而延性小的结构, 比如长窄的实体剪力墙, 这种结构虽然能够满足刚度以及对称性的要求, 但是由于在建筑结构中一些结构刚度比较大, 所以在地震发生时, 将会吸收非常大的能量, 造成应力的集中的地方首先受到破坏, 从而造成正整体结构的损坏。因此在设计的过程中保证高层住宅建筑同一主轴方向的抗侧力结构刚度的均匀性, 对建筑结构的抗震延性具有重要作用。

2.2 抗震结构体系的优化设计

高层住宅建筑结构体系的设计是建筑结构设计中最为重要的问题。建筑结构设计方案的合理性, 对建筑结构的经济性以及安全性具有重要的作用。而抗震结构体系是高层住宅建筑抗震设计中关键问题, 在抗震结构体系设计的过程中应该设计多道抗震防线, 并且还应该根据建筑的类型以及因素进行设计, 这样不仅可以避免因为建筑中某些部分的构件的破坏而造成整个建筑体系的抗震能力失效的现象, 而且还可以保证建筑设计的安全性。在设计中结合建筑特点、经济条件等因素综合考虑, 并且在建筑抗震结构体系的设计中应该选择不承受重力载荷的构件。抗震结构体系必须具有合理的地震作用传递途径, 设计中不适合采用轴压比较大的钢筋混凝土框架作为抗震结构体系设计的第一道防线, 在抗震设计中设计多道防线主要是为了减少建筑主体结构的地震能量, 必要的强度分布以及刚度能够减轻主体结构的破坏[2]。

2.3 层间位移的控制

高层住宅建筑都具有非常大的高宽比, 并且在地震以及风力的作用下会产生非常大的层间位移的现象, 严重情况会超出结构位移的限制数值, 位移限值的大小与建筑结构体系和结构材料、侧向荷载以及装修等多方面因素有关。所以在高层住宅建筑结构设计的过程中应该根据建筑的具体情况以及地理位置等进行设计, 不仅应该具有足够的刚度, 而且诶还应该有效避免水平载荷作用下造成的位移现象, 而影响建筑结构的稳定性、承载能力和舒适度。

参考文献

[1]战宇, 李长凤, 张欢, 等.高层建筑结构抗震优化设计探讨[J].低温建筑技术, 2011, 33 (1) :48～51.

抗震优化 第5篇

1 基于性能的抗震设计思想

从20世纪初开始建立起来的现代抗震设计理论已经经历了一个世纪的发展,随着人们对地振动特性和结构动力特性理解的不断加深,结构抗震设计理论从最初的静力阶段和反应谱阶段,发展到动力阶段和目前的基于性能的抗震设计理论阶段。

上世纪90年代,美国学者在总结了1994年美国加州地震和1995年日本阪神地震的经验教训后,提出了基于性能的结构抗震设计理论,其核心思想是基于“投资-效益”准则的结构“个性”设计。所谓“投资-效益”准则,就是在设计中除了考虑技术因素外,还考虑了经济、社会、政治等诸多因素,所追求的设计目标就是在结构的设计基准期内,综合考虑这些因素基础上的优化方案,即,在结构的初始造价与结构未来的损失期望中,达到一种优化平衡。

结构的初始造价,毫无疑问,既与结构体系等因素(即所谓“个性”优化设计)有关,也与结构的选材直接相关。现阶段,结构材料选择基本上已由土、木、石改为混凝土和钢。是选择混凝土材料还是钢材,即是本文要探讨的焦点。让我们先了解一下中国钢结构产业的现状。

2 中国钢结构产业的现状

1998年,我国钢产量首次突破1亿吨,2003年突破了2亿吨。多年来我国钢材供给呈现加速度态势。2001年12月19日,建设部发布了《钢结构住宅建筑产业化导则》,确定了《钢结构住宅建筑体系及关键技术研究》的立项工作。新的行业标准及我国建筑技术政策明确提出发展建筑钢材、建筑钢结构和建筑钢结构施工工艺的具体要求,使我国长期以来实行的“节约钢材”政策转变为“合理用钢”政策。

奉行多年的“节约钢材”政策使我国建筑业用钢仅占我国钢材产量的20%,而美国等发达国家建筑业用钢占国家钢材产量的比例高达50%以上,钢结构建筑在整个建筑中所占的比重,日本约为50%,韩国约为20%,而我国则不到5%,因而建筑钢结构用钢量只占我国钢产量的1.5%-2%,差距十分巨大。

无论从结构性能、使用功能及用户效益看,钢结构都有一定的优越性,应该说,我国钢结构目前要研究的问题,不是要不要做的问题,也不是能不能做的问题,而是如何站在更高层次上理解、决策和强化的问题。

3 基于性能的抗震设计思想和建材的优化选择

不可否认的是,钢结构在确实具有传统建材不可替代优越性的同时,其初始应用成本较高,一部分投资商就此却步不前,使得我国钢结构产业迟迟得不到应有的发展。而从设计的角度看,我们应该优先选择、大力发展钢结构。其理由就是基于性能的抗震设计的准则“投资-效益”准则。

基于性能的抗震设计是未来抗震设计的方向,其准则“投资-效益”的优化平衡是考虑诸多因素后结构的初始造价与结构未来损失期望的优化平衡。单纯从初始应用成本来看,钢结构较之钢筋混凝土结构较高,但在设计使用寿命期内,综合考虑其可能灾难如地震等损失及其修复费用,其应用成本相对是低的。更可贵的是,钢结构是可以充分回收利用,是真正的绿色材料。

钢结构的充分利用,可大大带动整个钢铁行业的发展。仅从住宅工程来看,我国每年约有10亿平方米住宅,将其中现有约5%钢结构建筑比例提高到20%(相当于韩国水准),需要增加用钢约1.35亿吨(以钢结构用钢80kg/m2,钢筋混凝土结构用钢50kg/m2计),这对钢铁行业乃至整个国民经济无疑是一个巨大的促进。

从国民经济发展到设计的优化,发展钢结构无疑是一项极好的选择。那么,如何针对现有国情,采取积极措施,带动钢结构产业发展呢?作者认为可采取下述一些策略。

4 发展我国钢结构产业的策略

(1)积极宣传,提高认识

国内建筑业人士和房地产开发商对钢结构产业是节能环保型、可持续发展的产业认识不足,特别是投资商,计较于初期的较高投入而鲜有作为,因此,一方面政府部门应积极宣传,另一方面设计人员也应建立性能设计概念,引导开发商优化选择。

(2)行业部门增加投入,以发达国家理念、标准、设备为标准,及时修订我国行业标准及规范,以适应和促进当前钢结构发展的需要。

(3)积极培养专业人才,满足钢结构设计、生产、施工和管理等要求。

(4)鼓励市政工程运用钢结构。属于政府投资的市政工程,可尽量采用钢结构。

(5)钢结构住宅,首先在经济适用房、廉租房等建设中使用,一方面在户内面积较小的情况下获得尽可能大的使用空间,另一方面也可在经济快速发展,人民生活质量快速提高的可预见的前景下,若干年后便于拆除,重复使用。这项政策,也应由政府主导。

5 结论

从基于性能的抗震设计的基本准则“投资-效益”准则出发,结构材料应优先选用钢材。在现阶段我国钢铁产能充沛的前提下,我们应大力发展钢结构产业。为此,我们应调整理念,制定相应政策、标准,积极培养相关人才,并由政府主导,首先在市政工程和经济适用房等建设中大量使用,由此带动钢铁行业乃至整个国民经济的大发展。

参考文献

[1]《建筑工程抗震性态设计通则》(试用)(CECS 160:2004)[S〗.中国计划出版社

[2]程耿东,《基于功能的结构抗震设计中一些问题的探讨》[J],建筑结构学报,2000,21(1)

高层建筑结构抗震的优化设计及趋势 第6篇

1 我国高层建筑抗震设计中的一些问题

1.1 高度问题

在一定设防烈度和一定结构型式下, 钢筋混凝土高层建筑都有一个适宜的高度。这个高度是我国目前建筑科研水平、经济发展水平和施工技术水平下, 较为稳妥的, 也是与目前整个土建规范体系相协调的。可实际上, 已有许多混凝土结构高层建筑的高度超过了这个限制。对于超高限建筑物, 应当采取科学谨慎的态度:一要有专家论证, 二要有模型振动台试验。在地震力作用下, 超高限建筑物的变形破坏形态会发生很大的变化。因为随着建筑物高度的增加, 许多影响因素将发生质变, 即有些参数本身超出了现有规范的适宜范围, 如安全指标、延性要求、材料性能、荷取值、力学模型选取等。

1.2 材料的选用和结构体系问题

在地震多发区, 采用何种建筑材料或结构体系较为合理应该得到人们的重视。我国150m以上的建筑, 采用的三种主要结构体系 (框筒、筒中筒和框架支撑体系) , 都是其他国家高层建筑采用的主要体系。但国外, 特别在地震区, 是以钢结构为主, 而在我国钢筋混凝土结构及混合结构占了90%。如此高的钢筋混凝土结构及混合结构, 国内外都还没有经受较大地震作用的考验。在高层建筑中采用框架核心筒体系, 因其比钢结构的用钢量少, 又可减少柱子断面, 故常被业主所看中。混合结构的钢筋混凝土内简往往要承受80%以上的震层剪力, 有的高达90%以上。由于结构以钢筋混凝土核心筒为主, 变形控制要以钢筋混凝土结构的位移限值为基准。但因其弯曲变形的侧移较大, 靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移, 不仅增大了钢结构的负担, 而且效果不大, 有时不得不加大混凝土筒的刚度或设置伸臂结构, 形成加强层才能满足规范侧移限值;此外, 在结构体系或柱距变化时, 需要设置结构转换层。加强层和转换层都在本层形成大刚度而导致结构刚度突变, 常常会使与加强层或转换层相邻的柱构件剪力突然加大, 加强层伸臂构件或转换层构件与外框架柱连接处很难实现强柱弱梁。因此在需要设置加强层及转换层时, 要慎重选择其结构模式, 尽量减小其本身刚度, 减小其不利影响。

在高层建筑中, 应注意结构体系及材料的优选。现在我国钢材生产数量已较大, 建筑钢材的类型及品种也在逐步增多, 钢结构的加工制造能力已有了很大提高, 因此在有条件的地方, 建议尽可能采用钢骨混凝土结构、钢管混凝土 (柱) 结构或钢结构, 以减小柱断面尺寸, 并改善结构的抗震性能。在超过一定高度后, 由于钢结构质量较小而且较柔, 为减小风振而需要采用混凝土材料, 钢骨 (钢管) 混凝土, 通常作为首选。日本阪神地震震害说明, 在钢骨混凝土构件中, 采用格构式的型钢时, 震害严重, 采用实腹式的大型型钢或焊接工字钢的, 则震害轻微。因此, 在高层建筑结构中, 若用钢骨混凝土构件, 建议采用后者。

1.3 抗震设防烈度较低

现在许多专家学者提出, 现行的建筑结构设计安全度已不能适应国情的需要, 认为我国“取用了可能是世界上最低的结构设计安全度”, 并主张“建筑结构设计的安全度水平应该大幅度提高”。此外, 对于“小震不坏, 中震可修, 大震不倒”这个抗震设计原则, 在新形势下也有重新审核的必要。我国现行抗震设防标准是比较低的, 中震相当于在规定的设计基准期内 (50a) 超越概率为10%的地震烈度。我国建筑结构抗震设计除了设防烈度较低外, 具体抗震计算方法和构造规定的安全度也不如国外, 在配筋率、轴压比、梁柱承载力匹配等一系列保证抗震延性的要求上远不如国外严格。随着社会财富的增长, 结构失效带来的损失愈来愈大, 加之结构造价在整个投资中的比例下降, 因而有人主张结构在设防烈度下应该采用弹性设计。

1.4 轴压比与短柱问题

在钢筋混凝土高层建筑结构中, 往往为了控制柱的轴压比而使柱的断面很大, 而柱的纵向钢筋却为构造配筋。即使采用高强混凝土, 柱断面尺寸也不能明显减小。限制柱的轴压比是为了使柱子处于大偏压状态, 防止受拉钢筋未达屈服而混凝土被压碎, 柱的塑性变形能力小, 则结构的延性就差。当遭遇地震时, 耗散和吸收地震能量少, 结构容易被破坏。但是在框架中若能保证强柱弱梁设计, 且梁具有良好延性, 则柱子进入屈服的可能性就大大减少, 此时可放松轴压比限值。另外, 许多高层建筑底部几层柱虽然长细比小于4, 但并不一定是短柱。因为确定是不是短柱的参数是柱的剪跨比, 只有剪跨比W/Vh2的柱才是短柱。有专家学者提出现行抗震规范应采用较高轴压比。但是即使能调整轴压比限值, 柱断面并不能由于略微增大轴压比限值而显著减小。因此在抗震的超高层建筑中采用钢筋混凝土是否合理值得商榷。

2 高层建筑抗震分析和设计的趋势

2.1 基于位移的结构抗震设计

我国现行的结构抗震设计, 是以承载力为基础的设计。即:用线弹性方法计算结构在小震作用下的内力、位移;用组合的内力验算构件截面, 使结构具有一定的承载力;位移限值主要是使用阶段的要求, 也是为了保护非结构构件;结构的延性和耗能能力是通过构造措施获得的。

为了实现基于位移的抗震设计, 第一步需要研究简单结构 (例如框架及悬臂墙) 的构件变形与配筋关系, 实现按变形要求进行构件设计;进而研究整个结构进入弹塑性后的变形与构件变形的关系。这就要求除了小震阶段的计算外, 还要按大震作用下的变形进行设计, 也就是真正实现二阶段抗震设计, 这是结构抗震设计的发展趋势。

2.2 动力时程响应分析的状态空间迭代法

该种方法把现代控制理论中的状态空间理论应用到高层建筑结构动力响应问题, 根据结构动力方程, 引人位移与速度为状态变量, 导出状态方程, 给出非齐次状态方程的解, 进而建立状态空间迭代计算格式。经工程实例验算, 具有较高精度。特别对多自由度体系的多输入、多输出等问题的动力响应解法, 效率较高。

2.3 材料参数随机性的抗震模糊可靠度分析

该种方法从结构整体性能出发, 改变过去对结构抗震可靠度的研究只考虑荷载的不确定性而忽略了其他多种不确定因素, 综合考虑了材料参数的变异性, 地震烈度的随机性及烈度等级界限的随机性与模糊性对结构抗震可靠度的影响。其研究成果可用于对现有的结构进行抗震可靠度评估, 并可用于指导基于可靠度理论的结构抗震设计。

3 结束语

随着新型结构、高性能材料的出现, 人类建筑也势必再上新台阶, 理顺结构与建筑, 使得新型结构建筑要求同时能满足建筑物的使用功能和外观要求。提高结构与设备的关系, 需要从目前抗震设计现状出发, 设计者应根据工程抗震概念各方面的知识和经验, 作出正确的工程判断, 找出结构安全与经济合理的最佳结合点, 探求出一种实用可行的二步或三步设防的合理有效的抗震设计方法, 以更好地适应社会经济和科学技术的发展。

摘要：经济与安全的关系, 是结构抗震设计的重要技术政策。从长远观点看, 如何从我国高层建筑抗震设计现状及国际高层建筑抗震设计发展的趋势出发, 探求一种实用可行的二步或三步设防的合理抗震分析设计方法, 应该成为地震区高层建筑发展的新方向。

关键词：高层建筑,结构抗震,设计趋势

参考文献

[1]吕西林.高层建筑结构[M].武汉:武汉理工大学出版社, 2003.

抗震优化 第7篇

1 AVS构件的优化布置方法

1.1 系统运动方程

如图1所示的结构模型, 结构层数为n, 质量矩阵为[M], 阻尼矩阵为[C], 原始结构 (即不考虑AVS系统的作用) 的刚度矩阵为[K0], AVS系统的控制作用所产生的结构刚度矩阵的增量为[Kc (t) ], 设水平地震动加速度为xg (t) , 假设[K (t) ]=[K0]+[Kc (t) ], 则结构的运动方程为:

1.2 控制性能指标

为了在各个可行的结构刚度参数中找出一个效果最好的参数, 需要首先建立一种评价控制效果好坏的性能指标函数[2,6]。选择性能指标主要取决于问题所要解决的主要矛盾, 各种控制问题的性能指标没有统一的格式。在每一控制时段, 当已对未来地震动及响应变化趋势做出预测后, AVS控制的关键就在于选择合适的[K (t) ], 以极小化结构的响应。容易想到可以取结构的势能作为性能指标, 或取结构的动能作为性能指标。楼梦麟、吴京宁曾对动能作为AVS控制的性能指标进行了研究[4]。以下研究三种性能指标的控制效果:

1) 势能作为性能指标。

如果以结构的势能作为AVS系统的控制性能指标, 控制时间步长表示为ΔT, 则第k时段[kΔT, (k+1) ΔT]的性能指标表示为:

其中, t=kΔT, 在每一控制时段, 应选择使J (k) 最小的刚度参数作为结构的使用刚度。

2) 动能作为性能指标。

以动能为性能指标, 即令:

3) 势能和动能之和作为性能指标。

以势能和动能之和作为性能指标, 即令:

经过分析, 可以选取系统的动能作为控制性能指标, 在[kΔT, (k+1) ΔT]控制时段的性能指标为式 (3) 。

1.3 优化方法

当在结构的每一层都布置AVS构件时, 系统具有最小的性能指标函数值, 即J取最小值Jmin, 当去掉第i层AVS构件时, 性能指标J将增加。如果这个增加量较小, 则说明去掉该层AVS构件将不会对系统性能产生很大影响, 因而可以在该层不布置AVS构件;反之, 若J的增加量很大, 则说明该层AVS构件对系统性能影响较大, 因而必须在该层布置AVS构件。

考虑直接计算性能指标的增量, 首先假定在受控结构的每一层都布置AVS构件, 然后将各层AVS构件分别撤除一次, 可以求得因撤除各层AVS构件而产生的性能指标增量, 进而求出系统性能指标对各层AVS构件的灵敏度。应用中可以根据AVS构件数量的限制, 按照灵敏度进行布置, 从而得到AVS构件的最优布置。将计算步骤总结如下:在控制时段[kΔT, (k+1) ΔT]。

1) 用Newmark法解方程 (1) 求出结构响应{x (k) }, 然后计算出AVS构件满布置 (即结构的各层都布置AVS构件) 时的最小控制性能指标Jmin (k) 。

2) 计算在撤除第i (i=1, 2, …, n) 层AVS构件后的结构响应, 并求出性能指标Ji (k) , 则控制性能指标的增量为ΔJi (k) =Ji (k) -Jmin (k) 。

3) 系统性能指标对第i层AVS构件的k时刻的灵敏度为Si (k) =ΔJi (k) /Jmin (k) 。

4) 对总的控制时段NΔT进行了以上三步的分析后, 将得到N个Si (k) , 求在地震动过程中系统性能指标对第i层AVS构件的全时段的灵敏度。

系统控制性能指标的灵敏度表示系统最优控制对AVS构件分布情况的敏感程度, 当AVS构件分布变化时, 我们要求系统控制性能指标不要有太大的变化, 也就是要求控制系统的性能指标对AVS构件的分布变化有较低的灵敏度。Si的值越大, 说明第i层AVS构件对系统的性能指标的影响较大, 该层构件比较重要;反之, Si的值越小, 说明第i层AVS构件对系统性能指标的影响较小, 该层构件相对不太重要。

2 各层AVS构件的重要性

算例1:剪切型建筑物, 结构层数为n, 每层的物理参数相同, 分别为:层间质量mi=345.6 t, 层间刚度ki=6.8×105k N/m, 层间阻尼ci=734 k N·s/m, 其中, i=1, 2, …, 5。在每一层都设置AVS构件 (钢性斜支撑) , 其下部固定于楼板, 上部通过VSD与结构的横梁相连, 各层AVS构件的连接刚度为Δki=6.8×105k N/m。地震动输入仍采用经调整的El-Centrol波, 分析前20 s内的结构响应。

取结构层数n=5, 8, 10, 12, 15, 20, 求出各层AVS构件的重要性系数。分析结果表明, AVS构件的重要性分布规律:在结构的中下部, 各层AVS构件的重要性比较大, 而在结构的上部, 各层AVS构件的重要性相对较小。也就是说, 在进行AVS构件的优化布置时, 应按照重要性的分布规律进行。

3 按重要性优化布置AVS构件后的结构振动控制效果

算例2:结构的物理参数与算例1中的相同, 取结构的层数为5。

对建筑物的AVS构件进行优化布置, 其AVS构件的优化布置为以下两种情况:

工况1:AVS构件位于第1层~第4层 (重要性占93.9%) ;

工况2:AVS构件位于第1层~第3层 (重要性占83.3%) 。

为了说明优化布置的正确性, 对这两种工况进行地震响应分析。

两种工况下的结构顶层位移响应的最大值, 与AVS构件满布置时结构的峰值响应相比, 工况1时结构的顶层峰值位移是2.62 cm, 增大了12.5%, 结构的顶层峰值加速度是13.50 m/s2, 增大了7%, 结构的峰值基底剪力是10 895 k N, 减小了39%;工况2时结构的顶层峰值位移是3.14 cm, 增大了31%, 结构的顶层峰值加速度是12.50 m/s2, 减小了0.8%, 结构的峰值基底剪力是13 819 k N, 增大了23%。

由以上分析可知:按AVS构件的重要性撤除部分AVS构件后, 结构的顶层位移将有所增大, 而且撤除的构件越多, 位移的增加越大;但顶层加速度和基底剪力可能会增大, 也可能会减小。

4 结语

本文对AVS控制系统中AVS构件的优化布置进行了初步研究, 通过算例分析得出以下结论:

1) 基于系统的控制性能指标对各层AVS构件的灵敏度的方法来确定各层AVS构件的重要性系数是正确而且可行的。

2) 根据AVS构件重要性系数的分布规律, 应首先在结构的中下层布置构件, 然后按照重要性系数的大小进行布置。

参考文献

[1]J.N.Yang, J.C.Wu, Z.Li.Control#space2;#of#space2;#Seismic-excited#space2;#Buildings#space2;#Using#space2;#Active#space2;#Variable#space2;#Stiffness#space2;#Systems[J].Engineering#space2;#Structures, 1996, 18 (8) :589-596.

[2]T.kobori.Shaking#space2;#Table#space2;#Experimental#space2;#of#space2;#Multi-Story#space2;#Seismic#space2;#Response#space2;#Control#space2;#Structure#space2;#with#space2;#Active#space2;#Variable#space2;#Stiffness (AVS) System, Proc.8th#space2;#Japan#space2;#Earthquake#space2;#Eng#space2;#Syrnp, Tokyo, 1990.

[3]T.Kobori.Seismic#space2;#Response#space2;#Controlled#space2;#Structure#space2;#with#space2;#Active#space2;#Variable#space2;#Stiffness#space2;#System[J].Earthquake#space2;#Engineering#space2;#and#space2;#Structure#space2;#Dynamics, 1993 (22) :925-941.

[4]楼梦麟, 吴京宁.结构主动变刚度中的若干问题[J].同济大学学报, 2001, 29 (4) :379-383.

[5]何玉敖, 冯得平.主动变刚度结构体系 (AVS) 多模态优化控制研究[J].建筑结构学报, 2000, 21 (3) :53-58.

抗震优化 第8篇

关键词：框架结构,柱网尺寸,模糊综合评定

框架结构具有良好的抗震性能, 能够提供宽敞而灵活的使用空间, 建筑造型的可塑空间大。在建筑设计中, 只要选择了框架结构, 就面临柱网尺寸如何选择的问题。为寻找抗震性能更好且经济合理的柱网尺寸, 掌握其规律性, 有必要对柱网尺寸的合理选择进行研究。本文选取了几种不同的柱网尺寸进行了抗震及造价分析, 并通过工程模糊综合评定法对其进行了综合评定, 确定了抗震性能更好、经济更合理的框架结构柱网尺寸, 为工程人员提供了一种参考方法。

1结构抗震性能评价指标

结构构件在相对较小的位移下就会发生以混凝土开裂和钢筋屈服为表现的损伤, 故使用与位移有关的量来衡量结构损伤和抗震性能水平可以成为一种更合适的方法。有试验研究表明, 层间位移角能够反映钢筋混凝土结构层间各构件变形的综合结果, 而且与结构的破坏程度有较好的相关性。因此通常以层间位移角作为钢筋混凝土框架结构抗震性能评价指标[1] 。文献[2]结合国内外对性能指标的研究得出钢筋混凝土框架结构在不同性能水平时的层间位移角限值总结 (见表1) 。

2柱网尺寸大小与工程造价

当柱距较小时, 构件截面满足构造尺寸即可, 所以其强度不能充分发挥, 造成材料浪费, 造价提高;当柱距较大时, 构件尺寸增大, 结构内力随尺寸成二次曲线增长[3], 导致设计要求提高, 结构的造价提高;而只有当柱距合理时才会使造价最低。

3工程实例

3.1 工程概况和设计参数

太原市某公司的6层办公楼采用钢筋混凝土现浇框架结构体系。层高3.3 m, 抗震设防烈度为8度, Ⅱ类场地, 设计地震分组为第一组 (Tg=0.35 s) 。屋面恒载为3.5 kN/m2, 屋面活载为1.5 kN/m2, 楼面活载为2.0 kN/m2;基本风压为0.35 kPa, 顶层板厚120 mm;混凝土强度等级为C35。

3.2 柱网尺寸的初选

假定所设计的办公楼开间数保持不变, 选择单位面积上的工程造价进行比较。依据建筑设计, 其柱网布置如图1所示。其中a为柱距。下面分别取3.0 m, 3.6 m, 4.2 m, 6.0 m, 6.6 m, 7.2 m和7.8 m进行分析讨论。

3.3 结构设计与分析

分别对7种不同柱网尺寸条件下的框架结构进行抗震设计[4], 并根据结构设计进行了技术经济指标的计算和分析, 其计算结果见表2。依据表2中的计算结果可绘出框架结构的柱距与最大层间位移角、工程造价、钢筋用量、混凝土用量的关系曲线, 见图2。从图2可知:1) Y向最大层间位移角基本随柱距的增大而减小, 而X向最大层间位移角总体上随柱距的增加有增大的趋势。结合X向、Y向最大层间位移的方案优劣, 通过工程模糊综合评价法得出W7>W2>W5>W1>W4>W6>W3 (工程模糊综合评价法参照3.4) ;2) 柱距与工程造价不呈线性增长, 而是在曲线上存在一个最低点, 即存在一个合理柱距, 使结构造价最低;3) 混凝土用量基本随柱距的增大而增大, 钢筋用量总体上也随柱距的增大而增大。

3.4 综合评价

采用工程模糊综合评判法对各个方案进行综合评价。工程模糊综合评判就是对多种因素所影响的事物用模糊数学的方法进行全面的评价。其主要步骤为[5]:

1) 建立因素集。因素集即影响评判对象的各种因素所组成的一个普通集合。U= (u1, u2, u3, u4) = (最大层间位移角, 工程造价, 钢筋用量, 混凝土用量) 。

2) 建立评价集, 即评判者对评判对象可能作出的各种总的评判结果所组成的集合。V= (v1, v2, v3, v4) = (优, 良, 中, 差) = (100, 80, 70, 60) 。

3) 确立单因素评判矩阵。

如x1, 经专家评定, 优的占70%, 良的占10%, 中的占10%, 认为差的占10%, 则R1= (0.4, 0.3, 0.2, 0.1) , 以此类推得:

4) 确立权重集, 即为了反映各因素的重要程度, 对各个因素赋予一相应的权数组成的集合。A= (a1, a2, a3, a4) = (0.5, 0.3, 0.1, 0.1) , 各权数ai应满足归一性和非负性条件, 即${\displaystyle \sum _{i=1}^{m}a}{}_i=1$;ai≥0 (i=1, 2, 3, …, m) 。

5) 模糊综合评定, B1=AR= (0.43, 0.26, 0.18, 0.13) 。

6) 计算综合评价值, W=B1VT=0.43×100+0.26×80+0.18×70+0.13×60=84.2。同样的方法可以计算出其他各方案的综合评价值依次为:81.8, 74.8, 86.1, 86.6, 80.2, 84.3。

7) 综合评价值排序。对各个目标的综合评价值W的大小进行优劣排序。由6) 得W5>W4>W7>W1>W2>W6 >W3, 由此可知, 方案5, 即6.6 m的柱距最合理。

4结语

1) 影响柱网尺寸选择的因素很多, 本文主要从抗震性能及造价方面对柱网尺寸的选择进行了研究。设计工作者在确定柱网尺寸时必须对其进行分析比较, 选择最优方案。2) 模糊数学理论的模糊综合评价对多因素干扰方案优劣的评价, 可最大限度地避免主观人为的误差, 具有客观性和合理性。

参考文献

[1]辛力, 梁汉文, 白亮.RC框架结构直接基于位移的抗震优化设计方法[J].地震工程与工程振动, 2008, 28 (5) :47-49.

[2]门进杰, 史庆轩, 周琦.框架结构基于性能的抗震设防目标和性能指标的量化[J].土木工程学报, 2008, 41 (9) :9-14.

[3]李建峰, 张英, 熊清源, 等.框架结构柱网尺寸的技术经济分析与优化选择[J].建筑结构, 2006, 36 (2) :5-13.

[4]周云, 宗兰, 张文芳, 等.土木工程抗震设计[M].北京:科学出版社, 2005.

抗震优化 第9篇

非抗震箍筋的弯钩弯曲90°, 弯钩的平直段长5D (D为箍筋直径) , 应用在没有抗震要求的钢筋混凝土梁柱中;抗震箍筋的弯钩弯曲135°, 弯钩的平直段长10D, 应用在有抗震要求的梁柱中[1]。工程实践已显现, 135°弯钩给梁的钢筋安装带来了不便, 当梁的上部钢筋较密箍筋直径较粗时尤为明显。反之, 90°弯钩箍筋则非常方便钢筋安装。在2008年汶川大地震前, 我国经历最大的是1977年7.8级唐山大地震。那时大多数是多层砖混结构房屋, 使用装配式混凝土楼板, 200#混凝土简支独立梁, 梁的箍筋是1级光圆非抗震箍筋。在靠近梁支座的剪力区, 箍筋间距不加密。箍筋抗剪力不足时就将梁下部纵向受力钢筋弯起参加抗剪。在强地震作用时, 就出现了梁支座处下部受力钢筋和箍筋抗力不足的情况。承载装配式楼板的简支独立梁的两侧面的横向箍筋弯钩部位仅有25mm厚混凝土保护层约束, 包括箍筋的竖向弯钩与横向弯钩一样, 混凝土的约束力小 (与有翼缘板的梁比较) 。箍筋弯钩短, 拉拔力作用线与弯钩平直段平行, 仅依靠较低强度混凝土黏结握裹的光圆钢筋, 所以抗拉拔力小。这些不利的客观条件和因素组合在一起, 在经强地震作用时, 可能使梁箍筋弯钩对梁纵向受力钢筋的约束作用失效, 使梁遭受破坏。这可能就是促成梁抗震箍筋问世的时代背景和原由。

2 对框架梁抗震箍筋弯钩节点构造设计及排布优化的有利客观条件和因素

1) 在靠近梁支座处的剪力区箍筋加密, 要求在梁高1.5倍的长度内, 箍筋间距100mm, 静力作用产生的剪力全部由箍筋承担。梁下部受力钢筋全部伸入支座内, 相应地增大了下部钢筋在支座内的锚固作用, 梁的刚度也相应增大。也使每个箍筋弯钩分配承受的地震作用减小。

2) 混凝土梁 (含柱) 的受力钢筋全部应用2级、3级带肋钢筋 (螺纹钢筋) 。带肋钢筋的肋牙与混凝土机械齿合作用要比混凝土与钢筋黏结强度大许多倍。机械齿合加混凝土黏结, 使钢筋与混凝土联合协同工作更加可靠稳固[2]。相应地框架结构的整体刚度和稳定性大幅度提高;相应地带肋箍筋的弯钩对地震作用的抗力就会比1级光圆箍筋对地震作用的抗力要大得多。

3) 钢筋混凝土结构的混凝土强度等级普遍提高到C30, 原来的“老200#”仅相当于现在的C18, 唐山大地震中房屋的混凝土强度大部分都是“200#”。所以现在较高强度的混凝土再配合2级、3级带肋钢筋, 使房屋结构的强度、整体刚度和稳定性大幅度提高, 相应地也提高了箍筋弯钩的锚固作用, 使箍筋的抗力增大。

4) 现在钢筋混凝土框架结构的楼板均为现浇板, 框架梁自然成为了有翼缘板的梁。所以框架梁的箍筋 (包括有翼缘板的其他梁) 横向弯钩承受梁侧翼缘板的约束, 增大了箍筋弯钩的锚固作用。边梁有一侧翼缘板约束, 中间梁有两侧翼缘板约束。箍筋的竖向弯钩虽然只有板混凝土保护层的约束 (弯钩弯曲90°时) , 但该保护层内还有梁上安装的现浇板负弯距钢筋对箍筋竖向弯钩的约束作用 (见图1) 。

5) 框架结构的综合抗震构造措施提高了框架结构的整体刚度和稳定性, 相应地减小了地震作用对箍筋的影响[3,4]。在2014年云南鲁甸6.5级地震中, 近年的抗震结构建筑几乎完好无损。显然现在6度、7度和8度抗震设防烈度的框架结构房屋承受5~6级地震作用时, 结构基本能保持稳定, 不会遭受严重破坏。也说明处于这样结构中的框架梁箍筋承受的地震作用很微小或地震作用还波及不到箍筋弯钩。

3 框架梁抗震箍筋弯钩节点构造设计及排布优化方案

方案1:6度、7度抗震设防烈度的带肋钢筋箍筋的横向弯钩弯曲90°~100°, 弯钩的平直段长5D, 竖向弯钩弯曲90°, 弯钩的平直段长7.5D。

方案2:6度、7度抗震设防烈度的光圆箍筋横向弯钩弯曲100°, 弯钩平直段长7.5D;竖向弯钩弯曲90°弯钩平直段长10D (见图2) 。

方案3:8度抗震设防烈度的带肋箍筋的横向弯钩弯曲100°, 弯钩平直段长7.5D;竖向弯钩弯曲135°, 弯钩平直段长7.5D。

方案4:8度抗震设防烈度的光圆箍筋的横向弯钩弯曲100°, 弯钩的平直段长10D;竖向弯钩弯曲135°, 弯钩的平直段长10D (见图3) 。

方案5:9度及9度以上抗震设防烈度的带肋箍筋的横向弯钩弯曲100°, 弯钩平直段长10D;竖向弯钩弯曲135°, 弯钩的平直段长7.5D。

方案6:9度及9度以上抗震设防烈度的光圆箍筋的竖向弯钩弯曲度135°, 弯钩的平直段长10D;竖向弯钩弯曲135°, 弯钩的平直段长10D (见图4) 。

方案7:箍筋间距≤150mm时, 方案1~6中的箍筋弯钩角度、弯钩平直段长度可降低1度 (地震烈度) 设计;结构中顶上层框架梁箍筋弯钩的弯曲角度、弯钩平直段长度可降低1度设计。

方案8:边梁箍筋外上角采用一弯钩两“整筋弯”的排布方式, 即优化排布 (见图5) 。

4 框架梁抗震箍筋弯钩节点构造设计及排布优化的理论、技术、经验依据与可行性

1) 依照“安全、经济、耐久、适用“的准则, 以“保证效果、节省资源、方便施工”为节点构造设计及排布优化的目标。

2) 清晰认识唐山大地震中无翼缘板的独立梁内1级光圆钢筋箍筋破坏的客观条件和因素, 并与现行的抗震结构中有翼缘板的梁内箍筋受力工况比较。特别是框架梁、柱应用2级、3级带肋钢筋为受力钢筋和箍筋对结构的刚度和稳定性的有利影响, 清晰认识现行的混凝土强度与以前的“老200#”混凝土的诸项物理力学性能指标的差异;清晰认识框架梁受地震作用的影响小于框架柱。

3) 充分利用框架梁翼缘板对箍筋弯钩的约束作用, 并根据框架结构抗震设防烈度的大小, 再参考非抗震箍筋与现行的抗震箍筋弯钩设计, 对箍筋弯钩的弯曲角度, 弯钩平直段长度进行调整 (优化) , 及边梁箍筋排布调整 (优化) 。

4) 地震经验表明, 6度、7度抗震设防烈度的框架结构在地震作用时, 填充墙基本能保持完好, 也就是框架结构不会发生较大的位移变形, 即使可能发生微小的变形, 也属于弹性变形范围。所以6~7度的地震作用对框架梁的影响十分微小或没有影响, 自然框架梁箍筋的弯钩就安然无恙了。所以, 箍筋横向弯钩弯曲角度和弯钩平直段的长度与非抗震箍筋弯钩相同。但考虑箍筋的竖向弯钩的上部仅有梁混凝土保护层的约束 (弯曲90°时) , 地震作用下, 竖向弯钩受力也较横向弯钩要大。尽管该保护层内有板的负弯矩钢筋, 也起到了对竖向箍筋弯钩的约束作用, 所以, 弯钩的弯曲角度与非抗震箍筋相同, 箍筋弯钩的平直段长度比非抗震箍筋适当加长, 以增强混凝土保护层对竖向弯钩的约束作用。

5) 8度抗震设防烈度的框架结构底下层的填充墙在地震作用下可能开裂甚至局部倾倒, 顶上层仍能保持完好。整体结构位移变形仍处于弹性变形范围, 可能底下层的柱位移变形大些, 但对于梁仍处于弹性变形范围。所以带肋箍筋的横向弯钩弯曲100°, 既方便施工, 也适当增加了弯钩的锚固作用。再将箍筋平直段的长度比照6~7度抗震设防烈度的带肋箍筋横向弯钩平直段适当加长。箍筋的竖向弯钩弯曲135°, 因为竖向弯钩弯曲90°, 依靠梁上混凝土保护层的约束力不及翼缘板对横向弯钩的约束力大, 底下层框架梁中的箍筋竖向弯钩可能承受一定的地震作用。工程实践显现, 横向弯钩弯曲100°, 竖向弯钩弯曲135°, 也比较方便钢筋安装。

6) 8度抗震设防烈度的框架梁光圆箍筋的横向弯钩弯曲100°, 弯钩的平直段长度加长至10D。竖向弯钩弯曲135°, 弯钩的平直段长10D, 与现行的抗震箍筋弯钩相同。横钩弯曲100°, 竖钩弯曲135°, 是为了方便钢筋安装。

7) 9度及9度以上抗震设防烈度的框架梁带肋箍筋的横向弯钩弯曲100°, 弯钩的平直段长10D, 仍然是为了方便钢筋安装, 考虑了翼缘板对弯钩的约束作用。

8) 箍筋的间距大小、纵向受力钢筋的粗细对箍筋弯钩的受力工况有一定的影响。因为现行的箍筋弯钩排布方式均为一弯钩一“整筋弯”间隔排布, 箍筋的间距、肢距越来越趋于加密。箍筋间距越小, 两“整筋弯”箍筋的间距也就越小, 夹在两“整筋弯”箍筋中间的箍筋弯钩受力也就越小。2级、3级带肋钢筋的硬度、刚度又远大于1级光圆钢筋。纵向受力钢筋越粗, 刚度就越大, 对于固定了间距的箍筋弯钩受力相对就越小。所以箍筋间距≤150mm时, 箍筋弯钩的弯曲角度和弯钩平直段长度可降低1度 (抗震设防烈度) 设计。

9) 框架梁 (也包括其他梁) 的箍筋在梁上排布方式是, 采用一弯钩一“整体弯”间隔排布。框架边梁外上角没有翼缘板对箍筋横向弯钩的约束。但经优化设计的抗震箍筋弯钩的弯曲角度变小, 弯钩的平直段长度变短。按常规箍筋的排布方式, 在承受高抗震设防烈度地震作用时, 可能会出现边梁外上角箍筋弯钩抗力不足 (没有翼缘板约束) 。因为箍筋弯钩的弯曲角度和弯钩平直段的长度是在考虑有翼缘板约束的基础上优化的。但箍筋弯钩朝向翼缘板侧或者说朝向边梁的内上角时, 箍筋的抗力可能就过余了。所以框架边梁外上角, 箍筋可采用“一弯钩两整筋弯”的排布法。这样边梁外上角的“整筋弯”箍筋占箍筋总排布数量的2/3, 强化了边梁外上角箍筋弯钩的抗力。

10) 底下层与顶上层可分别设计抗震箍筋弯钩节点构造。地震经验已表明, 结构的顶上层承受的震害比底下层要轻得多, 顶上层梁的箍筋弯钩承受的地震作用也会比底下层要小得多。所以抗震箍筋弯钩可“简化分层, 区别设计”[5]。如9度及9度以上抗震设防烈度的顶上层梁的抗震箍筋弯钩节点构造可按8度抗震设防烈度的抗震箍筋弯钩设计;8度抗震设防烈度的顶上层梁的抗震箍筋弯钩节点构造则可按7度抗震设防烈度的箍筋弯钩设计。

5 结语

目前, 全国抗震设防的地震烈度分区已十分明确, 为科学合理设计抗震箍筋弯钩的节点构造提供了重要的经验依据, 也是抗震箍筋弯钩细化设计的基础。在保证箍筋弯钩锚固效果的同时, 节省每一寸钢筋, 努力做到“物尽其用”;并且箍筋弯钩节点构造设计应为方便钢筋安装施工创造良好条件;挖掘结构的抗震潜力, 实现框架边梁箍筋排布优化。

摘要：20多年前, 国家在地震经验不断积累、总结和理论实验研究水平不断提高的基础上, 设计了混凝土梁、柱的抗震箍筋弯钩节点构造。随着社会的不断发展和进步给钢筋混凝土框架结构带来了诸多有利于框架梁箍筋弯钩受力工况的客观条件和因素。依据有利的客观条件和因素, 并依照“安全、经济、耐久、适用”的准则, 对框架梁箍筋弯钩的节点构造设计及排布进行优化, 力求达到“保证效果、节省资源、方便施工”的目的。

关键词：框架梁箍筋,弯钩,节点,排布,优化

参考文献

【1】11G01-1混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图[S].

【2】腾知明, 张惠英.混凝土结构与砌体结构[M].北京:中国建筑工业出版社, 2003.

【3】GB50011—2011建筑抗震设计规范[S].

【4】龚思礼.建筑抗震设计手册[K].北京:中国建筑工业出版社, 2002.