抗震优化

2024-07-10

抗震优化（精选九篇）

抗震优化篇1

近年来, 随着社会经济的迅速发展, 我国公路建设在东部稳步发展的同时正逐渐向西部推进。西部地区多为山岭丘陵区, 地形、地貌和地质水文条件复杂, 公路建设中不可避免地出现许多跨越河谷或深沟的高墩连续梁桥。而西部地区又是我国的地震多发区, 因此进行高墩连续梁桥的抗震性能研究是十分有意义的。本文在对采用常规约束体系的高墩桥梁的抗震性能分析的基础上, 提出了可以有效提升高墩连续梁桥抗震性能的结构约束体系, 研究结论可为同类高墩连续梁桥的抗震设计提供参考。

1 常规约束体系的高墩连续梁桥抗震性能

考虑到为了能有效约束上部结构, 高墩连续梁桥中通常会将高墩与主梁设计成刚构连接, 但在先简支后连续桥梁中很难实现节点的刚构连接, 同时考虑到避免主梁出现过大的温度应力和有效约束上部结构的需要, 先简支后连续桥梁的结构约束体系方案通常采用板式橡胶支座+ 聚四氟乙烯滑板支座的约束体系。下面将分析这种约束体系下的高墩连续梁桥的抗震性能。如图1所示为某一座四跨连续梁桥 ( 4 × 40 m) , 上部结构采用预应力先简支后连续的T梁, 桥面宽13 m。桥墩为独柱式变截面混凝土矩形墩柱, 墩顶截面为1. 6 m × 6 m, 墩底截面为2 m × 6 m, 墩顶设有一个2. 2 m × 2. 2 m的方形截面盖梁, 基础采用群桩基础。桥台处每片T梁下设置一个GJZF4 350 × 450 × 86 滑板支座, 桥墩处每片T梁下设置一个GJZ500 × 650 × 110 板式支座, 滑板支座的滑动位移限值为0. 1 m, 板式橡胶支座的最大变形量为0. 08 m。

在我国的桥梁设计中, 板式橡胶支座一般直接搁置在主梁与支座垫石之间, 板式橡胶支座与梁体底部无连接, 当地震产生的水平力大于支座与主梁底部的摩擦力时, 将会产生滑动[1], 所以可采用滑动摩擦单元来模拟板式橡胶支座, 支座单元的侧向力与侧向位移的关系为[2]:

其中, fb为支座的水平侧向力; db为支座的水平侧向位移; kb为支座滑动前的水平剪切刚度; Fcr为支座水平方向的滑动临界力, Fcr= N·μ, N为支座在某一时刻所受到的支座反力 ( 包括恒载作用和地震作用) , μ 为橡胶支座与混凝土表面的滑动摩擦系数, μ 取0. 15[3]。

为了使分析更具一般性, 根据不同的地震参数 ( 震级、加速度峰值和场地特征等) , 选取如表1 所示的由美国太平洋地震工程研究中心 ( PEER) 提供的3 条地震波。分析中考虑设计加速度峰值为0. 2g, 将每条地震波的加速度峰值作相应的调整。地震波输入方式采用100% 纵向地震荷载与60% 竖向地震荷载的叠加。如没有特殊说明, 结构的地震反应值均为3 条地震波计算结果的平均值。

从表2 中可以看到, 在地震作用下主梁与下部结构的最大相对位移都超出了支座的变形及位移能力, 即在地震作用下板式橡胶支座发生了滑动。板式支座一旦滑动就不能有效地约束主梁的地震位移, 过大的位移量可能引起支座破坏以及主梁梁端、桥台的碰撞破坏, 甚至引发落梁。

2 抗震性能优化

为了限制地震作用下板式支座滑动引起的过大相对位移, 这里在桥梁结构中设置防落梁装置, 形成“板式橡胶支座+ 防落梁装置”的约束体系。具体做法为: 在顺桥向设置限位器, 在横桥向设置抗震挡块。在两端桥台伸缩缝处各设置一个缆索限位器连接桥台与主梁; 在每个桥墩处, 左右各设置一个连接在桥墩与主梁间的缆索限位器, 如图2a) 所示。缆索采用受拉单元模型, 假定整个地震过程中缆索处于弹性状态, 可采用弹簧—钩单元模拟限位器, 如图2b) 所示。缆索限位器的非线性拉力与位移关系为[4]:

其中, fr为限位器拉力; dr为I与J点间的相对位移; Gr为限位器的松弛长度, 考虑到限位器不影响支座的温度变形等因素, 松弛长度Gr取0. 06 m; kr为限位器刚度, 目前对墩梁连接式限位器刚度的取值研究还很少, 本文桥台处限位器刚度取为2 ×105k N / m, 桥墩处取为1 × 105k N / m。

为了限制主梁的横向位移, 在盖梁及桥台的左右两边各设置一个混凝土挡块, 如图3a) 所示, 横向挡块可采用图3b) 所示的接触单元来模拟, 其非线性压力与位移关系为[5]:

其中, fc为接触单元的撞击力; dc为I与J点间的相对位移;Gc为横向挡块与主梁的初始间隙, 考虑其对支座变形的影响取为0. 06 m; kc为接触单元刚度, 取为3 × 105k N / m[4]。

如图4 和图5 所示分别为El Centro波作用下有、无限位器时2 号桥墩处墩梁纵向、横向相对位移时程的对比情况, 从两图中都可以看出, 没有安装防落梁装置 ( 纵向限位器、横向挡块) 时, 在强烈地震作用下, 板式橡胶支座在纵桥向和横桥向都可能发生较大的变形; 而当设置相应的防落梁装置以后, 墩梁间的地震相对位移明显减小, 板式支座的滑动位移得到了有效的控制。防落梁装置对其他位置处的主梁与下部结构的相对位移也有同样的效果, 表3 中给出了有、无防落梁装置时各墩梁或台梁的最大相对位移比值, 从表中可以看到, 相比无限位器的情况, 安装限位器以后, 主梁与下部结构的最大相对位移最小减小了近20% , 最大达到了50% , 这样可以有效地防止地震落梁灾害的发生, 提高桥梁的整体抗震性能。

图6 和图7 分别为El Centro波作用下2 号桥墩处的限位器和挡块的受力时程, 从两个图中可以看出, 限位器和挡块在地震中都承受了不同程度的作用力, 这些力是不连续的脉冲力, 仅在主梁与下部结构相对位移超过限位器或挡块的初始工作间隙时才会出现。表4 和表5 中分别给出了相应的限位器和挡块受到的最大地震作用力。从两个表中可以看到, 在地震作用下各位置处的限位器和横向挡块都承受了较大的地震作用力, 其中以桥台处的限位器或挡块受力最大。这主要是因为主梁与桥台间出现了较大的相对位移, 为了限制住较大的相对位移, 此处的限位器或是挡块就要承受更大的作用力。因此桥台处的防落梁装置一般设置的比桥墩处的要强一些。

表6 为有、无防落梁装置时各桥墩的最大剪力比和弯矩比, 从表中可以看出, 安装防落梁装置以后, 原先板式橡胶支座滑动带来的隔震效果被减弱, 防落梁装置将更多的主梁地震力直接传到了下部结构上, 使下部结构的地震反应明显增大, 其中墩底剪力最大增大了1. 89 倍, 墩底弯矩最大增大了2 倍左右。这样一来就可以控制桥梁的地震破坏形式, 避免因发生落梁而使桥墩延性抗震能力得不到有效发挥的情况出现。另一方面, 在对桥墩进行抗震能力设计时, 应当充分考虑这种因安装防落梁装置带来的地震作用放大效应的影响。

3 结语

论文对高墩桥梁抗震性能进行了分析, 结果表明采用常规结构约束体系较难满足抗震设防要求, 在综合考虑桥梁的正常使用性能和抗震性能要求的基础上, 提出通过设置防落梁装置来提高高墩桥梁的抗震性能, 主要结论如下: 1) 在先简支后连续高墩梁桥中, 当采用板式橡胶支座+ 聚四氟乙烯滑板支座的约束体系时, 地震作用下板式支座会出现滑动, 从而不能有效地约束上部结构的地震位移, 过大的位移易引发结构破坏。2) 在板式橡胶支座约束体系的高墩连续梁桥中设置防落梁装置, 可以有效地减小因板式支座滑动引起的主梁与下部结构之间过大的相对位移, 显著提升桥梁结构的整体抗震性能。但安装防落梁装置以后桥墩的地震反应会增大, 在设计中应考虑到此种放大效应。

摘要：在分析某高墩连续梁桥常规约束体系抗震性能的基础上, 探讨了优化该连续梁桥抗震性能的设计方案, 提出了板式橡胶支座、滑板支座加纵横向限位器的结构约束体系, 显著提升了桥梁结构的抗震性能。

关键词：连续梁桥,抗震性能,结构约束体系,限位器

参考文献

[1]范立础, 李建中.汶川桥梁震害分析与抗震设计对策[J].公路, 2009 (5) :122-128.

[2]范立础, 聂利英, 李建中.地震作用下板式橡胶支座滑动的动力性能分析[J].中国公路学报, 2003, 16 (4) :30-35.

[3]JTG/T B02—01—2008, 公路桥梁抗震设计细则[S].

[4]黄小国, 李建中, 张哲.连续梁桥纵桥向防落梁装置结构模式对比研究[J].同济大学学报 (自然科学版) , 2009, 37 (9) :1146-1158.

工程抗震的优化设计方法及对策篇2

工程抗震的优化设计方法及对策

建筑结构抗震设计研究已成为土木工程行业中的.研究前沿,随着近年来新建筑材料不断涌现,在建筑结构设计方法与应用上出现了很多新思路,新方法.

作者：孙永倪国葳马卉 Sun yong Ni Guowei Ma Hui 作者单位：孙永,Sun yong(唐山市富城建筑设计有限公司,唐山,063000)

倪国葳,马卉,Ni Guowei,Ma Hui(河北理工大学,唐山,063009)

刊名：科技资讯英文刊名：SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 年，卷(期)： “”(10) 分类号：P65 关键词：抗震设计方法延性耗能

住宅高层建筑结构抗震的优化设计篇3

关键词：高层建筑;抗震设计;结构优化

建筑抗震的实践表明，高层建筑物如果缺乏良好的抗震设计，没有良好的总体布置方案，仅仅依靠结构抗震计算，采取抗震构造措施是远远不够的，不能达到良好的抗震效果。当较强地震发生的时候，高层建筑物无法发挥很好的抗震效果，不能起到降低震害的效果。因此，在高程建筑设计的实际工作中，为了提高设计水平，保证高层建筑的强度和质量，提高高层建筑的抗震能力，必须重视采取相应的策略，从多个方面入手，优化高层建筑结构的抗震设计，提高建筑结构的抗震能力，为人们的生产生活创造良好的条件。

一、住宅高层建筑结构抗震设计原则

抗震设计要刚柔相济，选择合适的结构形式，在增加结构刚度的同时也要增强地震作用，需要确定合理的抗震措施。保证结构的抗震性能主要是确保建筑物满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震目标。在地震力作用下，要求结构保持在弹性范围内正常使用。建筑物的变形破坏性态后不能发生很大的变化，经简单的修复后可正常使用。随着建筑物高度的增加，允许结构进入弹塑性状态，但必须保证结构整体的安全。因此，六级以上必须进行抗震设计。每次强震之后都会伴随多次余震，在建筑抗震设计过程中如果若一味的提高结构抗力，就会增加结构刚度。若只有一道设防，则会导致结构刚度大。所以，建筑物在地震过程中既能满足变形要求，又能减小地震力的双重目标。因此，只有这样才能使建筑物抗震设计过程中防止造成建筑物局部受损。建筑物的抗震结构体系如果刚度太柔，首次被破坏后而余震来临时其结构将因损伤，结构构件协同工作来抵挡地震作用容易导致建筑物过大形变而不能使用。延性较好的分体系组成，地震发生时不会发生整体倾覆。因此，由若干个在地震发生时由具有较好延性。

二、高层建筑结构抗震的具体设计措施

1、高层建筑结构抗震设计应重视建筑结构的规则性

在高层建筑中，结构的均匀性主要体现在以下几个方面：

（1）高层建筑主体抗侧力结构两个主轴方向的刚度要比较接近、变形特性要比较相近。这是因为实际的高层建筑结构都是三维的，实际的地震作用、风荷载具有任意的方向性，高层建筑主体抗侧力结构两个主轴方向的刚度比较均匀，就能具有比较良好的抗震、抗风性。

（2）高层建筑主体抗侧力结构沿竖向断面、构成变化比较均匀，不要突变。这里主要是指主体结构的层剪切刚度不要突变，这种均匀的高层建筑结构可以避免因薄弱层的破坏而引起的结构整体破坏，尤以强震区的高层建筑结构需特别注意。

（3）高层建筑主体抗侧力结构的平面布置，应注意同一主轴方向各片抗侧力结构刚度尽量均匀，应避免在主体结构的布置中设置一、二片刚度特别大而延性较差的结构，如长窄的实体剪力墙。此时，即使结构仍满足对称性和刚度的要求，但由于个别结构刚度巨大，地震发生时，将首先吸收极大的能量，应力特别集中，容易首先招致破坏，从而引起整体结构的破坏。同一主轴方向的各片抗侧力结构刚度均匀，水平荷载作用下应力分布将比较均匀，有利于结构抗震延性的实现。

2、合理的建筑结构体系选择

高层建筑结构体系选择是结构设计应考虑的关键问题，结构方案的选取是否合理，对安全性和经济性起决定的作用。

（1）结构体系应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径：楼屋盖梁系的布置，应尽量使垂直重力荷载以最短的路径传递到竖向构件墙、柱上去。竖向构件的布置，应尽量使竖向构件在垂直重力荷载作用下的压应力水平按近均匀，以避免竖向构件之间压应力的二次转移。而垂直重力荷载下竖向构件压应力水平接近均匀是最合理优化的结构选择。转换结构的布置，应尽量做到使上部结构竖向构件传来的垂直重力荷载通过转换层1次至多2次转换，即能传递到下部结构的竖向构件上去。整体抗侧力结构必须体系明确，传力直接。抗侧力结构一般由框架、剪力墙、筒体、支撑等组成，它们宜尽量贯通连续，若它们沿竖向要有变化，则变化要缓慢均匀。

（2）结构体系宜有多道抗震防线，框架-剪力墙结构是具有良好性能的多道防线的抗震结构，其中剪力墙既是主要抗侧力构件，又是第一道抗震防线。因此，剪力墙应有相当数量，其承受的结构底部地震倾覆力矩不应小于底部总地震倾覆力矩的50%。同时，为承受剪力墙开裂后重分配的地震作用，任一层框架部分按框架和墙协同工作分配的地震剪力，不应小于结构底部总地震剪力的20%和框架各层地震剪力最大值的1.5倍两者的较小值。剪力墙结构中剪力墙可以通过合理设置连梁（包括非建筑功能需要的开洞）组成多肢联肢墙，使其具有优良的多道抗震防线性能。连梁的刚度、承载力和变形能力应与墙肢相匹配，避免连梁过强而使墙肢产生较大拉力而过早出现刚度和承载力退化。一般情况下，联肢墙宜采用弱连梁。

（3）结构体系宜具有合理的刚度，主体抗侧力结构的刚度合理是高层建筑结构设计的重要指标之一。首先，主体抗侧力结构的刚度要满足规范规定的水平位移、整体稳定、强度延性的要求，保证高层建筑结构能正常工作，这是高层建筑主体抗侧力结构刚度的下限值，必须满足。但是，总结工程设计经验，高层建筑主体抗侧力结构的刚度不宜过大，应该合理，这是因为：合理的高层建筑主体抗侧力结构刚度以满足和略大于规范限值即可，结构的延性和安全储备主要依靠合理的结构构造和精心的设计。主体抗侧力结构刚度过大，结构的基本自振周期较短，地震作用加大，结构承受的水平力、倾覆弯矩加大，地基基础的负担加大，此时结构的截面和相应的构造配筋增加较大，不经济。

3、抗侧力结构和构件的延性设计

为提高结构和构件的延性水平，避免脆性破坏，应注意以下几点：①钢筋混凝土框架结构应设置为“强柱弱梁”。②剪压比限制。现行的钢筋混凝土构件斜截面受剪承载力的设计表达式，是基于斜截面上箍筋基本能达到抗拉屈服强度，其受剪承载力随配箍特征值的增长呈线性关系。试验表明，配箍特征值过大时箍筋不能充分发挥其强度，构件将呈腹部混凝土斜压破坏;同时剪压比对构件变形性能也有显著影响，因此限制剪压比，实质上也是对构件最小截面的要求。③钢筋混凝土框架的梁、柱应避免剪切破坏，即形成“强剪弱弯”。④轴压比限制。轴压比是控制偏心受拉边钢筋先到抗拉强度，还是受压区混凝土边缘失达到其极

限压应变的主要指标。试验研究表明，柱的变形能力随轴压比增大而急剧降低，尤其在高轴压比下，增加箍筋对改善柱变形能力的作用并不甚明显。所以，抗震结构应限制偏心受压构件的轴压比。⑤注意其他影响构件延性的因素，如剪跨比、纵向钢筋配筋率、配箍率和箍筋型式、混凝土和钢筋材料、钢筋连接和锚固方式等，均应满足抗震设计规范要求。

结语

高层建筑是城市未来发展的趋势，所以，对于建筑结构的安全及抗震性的研究是十分必要的。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。

参考文献：

[1]刘光绅.建筑结构抗震设防设计中的若干问题探讨[J].山西建筑，2010（3）

[2]董丽媛.探讨高层建筑结构抗震的优化设计[J].中华民居，2012（6）

浅析建筑抗震结构设计的优化篇4

1 建筑抗震结构设计原则

1.1 关于结构的规则性

在建筑防震结构设计的初级阶段, 要先了解建筑抗震结构设计的要求, 并与之结合, 优化建筑平面以及建筑物的使用功能, 并对其进行合理的布局, 对于那些高层建筑, 一定要确保其刚度足够强, 以此来降低结构扭转的影响, 对建筑物的要求就是要保证其平面均匀对称, 建筑物的柱网剪力墙一定要合理布置。由于这种建筑结构能够很容易的产生建筑物多地震的反应, 在进行建筑防震结构设计时要对建筑合理布置, 这样对于降低竖向构件间的差异变形以及结构内应力对建筑结构的不利影响有着很大的作用。在进行建筑防震结构设计的过程中要尽量使建筑物的垂直重力的荷载均匀受力, 满足其结构刚度、保证其体型简单。通过近几年来的地震灾害可以表明, 当有地震发生时, 只有建筑物平立面的布局合理简洁, 受力均匀, 才可以满足建筑抗震结构设计的要求。

1.2 关于层间的位移限制

当建筑结构工程师进行建筑防震结构设计的过程中要考虑到建筑结构材料、位移的限制、装修标准、结构体系、侧向荷载以及高比宽等问题。在建筑防震结构设计时要严格要求钢筋混凝土结构的位移限值, 并对建筑的所处位置进行有效的设计, 确保其稳定性及功能的正常使用等。建筑在地震或者是风力的作用下层间经常会出现较大位移, 在建筑防震结构设计时既要满足其刚度问题, 又要避免超过其承载力。

2 建筑抗震结构设计注意事项

2.1 注意确定基本设计信息

由建筑物所在地区建筑类别及其防烈度等对抗震等级进行确定。其中要加以注意的是, 高层建筑大多都属于丙类建筑, 它是不需要对设防烈度进行调整, 可是甲类和乙类建筑, 它们一定要依照《建筑抗震设防标准》来对设防烈度进行调整。在进行建筑防震结构设计时要明确地震加速度、地面粗糙度以及该场土地类别, 这样一来建筑防震结构设计就更加科学合理了。一般来说建筑物越高, 风荷载对其就有越大的影响, 所以在进行设计时一定要重视基本风压, 如果建筑物对风荷载较为敏感或者是本身高于60m时, 一定要采用百年重现的风压区, 还要按照建筑的高宽比、形状等这些来选择建筑物的体形系数。

2.2 正确选择设计参数以及概念设计

在建筑结构方案设计的过程中, 要注意概念设计, 要明确建筑结构设计体系的地震作用的途径, 设计多条抗震防线。注意要把建筑结构的最大高度控制在合理范围内, 使建筑结构的延性足够。对于剪力墙而言, 其布置一定要对称均匀, 并在其纵横方向都要去布置, 尽量让两个主轴方向刚度接近。另外要注意, 尽量减少墙体开洞, 若真的要开洞, 要使洞口对齐, 不要任意的开洞。对于砼结构而言, 其构件要控制受力钢筋、截面尺寸以及钢筋设置, 避免发生弯曲破坏慢于剪切破坏、钢筋破坏慢于钢筋锚固粘结构破坏、钢筋的屈服慢于砼的压溃。对于各个结构间的连接要注意构件节点的破坏。对于预埋件, 其锚固破坏不要先于连接件。

3 建筑抗震结构设计的优化策略

3.1 对建筑结构的概念设计加以重视

建筑概念之所以形成就是人们对其的认知从感性上升到理性, 这也反映出了人类对于事物有了更加客观的认识。在进行建筑结果设计的过程中, 建筑师一定要对建筑设计的概念熟练地掌握, 只有这样设计师才可能设计出一个安全经济, 构建平衡, 结构科学合理的优质建筑物。在进行建筑结构设计时设计师要注意把建筑概念的基本思想贯穿其中。建筑结构设计师要运用自身所积累的经验以及深厚的设计理论, 形成一种属于自己的设计概念, 并用其完成高水平建筑结构设计工作, 建筑的概念设计对于设计师而言是其必须具备的能力之一。

3.2 对建筑抗震设计理念进行加强

我们都知道, 对于建筑物而言, 不但要承担起其本身的垂直负荷, 还要承受相当于地震冲击以及侧风向负载的力度。在建筑物中, 对于不同高度的抗侧力, 其冲击强度大都不同, 这样就会有薄弱层面存在, 在进行建筑结构设计时要尽量去减弱甚至避免。如今在我们国家的建筑抗震结构设计的规范中, 一般分为两个阶段进行抗震, 这样对于建筑抗震能力的提高很有帮助。首先是第一阶段, 建筑结构设计师要对地震参数进行充分运用, 对建筑结构在弹性的状况下所发生的地震以及所产生的效应进行计算。在进行第二阶段设计时, 要用所对应的地震参数对建筑物的薄弱层面进行计算, 待结果出来后再对薄弱楼层进行转角位移或者是侧向位移, 可是这一定不能使设计超过规定限值, 只有这样才可以是薄弱环节尽量不影响到建筑物本身。

3.3 对建筑结构设计进行综合考虑

建筑结构设计师在进行设计时要考虑多种优化方案, 并同时对内部因素以及外界各方面的因素进行综合性的考虑。其中内部因素主要是指建筑物各个构件本身所能够承受的受力负载, 尤其是高层建筑更要对其承受能力进行综合考虑, 考虑哪种建筑设计方案更加合理, 但前提一定要遵循经济原则, 但在水平受力的这一方面就要求对其抗倒塌能力进行研究, 外界因素主要是对建筑物所受的平常风力、温度应力、抗震等进行考虑, 对各方面的因素进行综合考虑, 争取设计出最好的方案。在进行地基设计的过程中, 要与设计师本身的实践经验相结合进行综合性的设计, 与此同时设计师要提前预测其中可能会出现的各类问题, 并对找出这些问题的解决措施。当计算建筑物本身的受力情况时要谨记“强柱弱梁、强剪弱弯、强压若拉”的原则, 一定不要仅凭经验去判断建筑所要增加的配筋量, 一定要先对构件自身的性能进行考虑, 重点关注建筑物的薄弱环节, 尽量降低甚至避免危害发生的几率。与此同时, 对于建筑物本身的组成材料要对其温度应力进行考虑, 就比如说钢筋材料, 温度对其有很大的影响。所以不管怎么说, 在进行建筑抗震结构设计时, 不管是建筑结构选型还是建筑的设计布置, 又或者说是一些有关的计算过程, 一定要先对所有可能会出现的问题进行综合性的考虑, 必要时要对建筑物的受力极限进行验算, 只有这样才能保证建筑防震结构的合理, 才能确保建筑防震结构设计的安全性以及可行性。

4 结束语

伴随着高性能材料以及新型结构的出现, 我国建筑行业也开辟了新天地, 理顺建筑与结构两者之间的关系, 确保新型结构的建筑不但能满足建筑物的使用功能, 而且还能满足人们对其的外观要求。要想使设备与结构两者关系提高, 一定要先了解抗震设计目前现状, 再由建筑抗震结构设计者从抗震概念以及抗震经验, 对工程做出正确的判断, 找出一种既经济又安全的建筑抗震结构的优化设计方案。

参考文献

[1]张华宇.建筑防震结构设计注意事项[J].中国建筑, 2009 (22) :34-35.

高层建筑结构抗震的优化设计研究篇5

建筑抗震的实践表明, 高层建筑物如果缺乏良好的抗震设计, 没有良好的总体布置方案, 仅仅依靠结构抗震计算, 采取抗震构造措施是远远不够的, 不能达到良好的抗震效果。当较强地震发生的时候, 高层建筑物无法发挥很好的抗震效果, 不能起到降低震害的效果。因此, 在高程建筑设计的实际工作中, 为了提高设计水平, 保证高层建筑的强度和质量, 提高高层建筑的抗震能力, 必须重视采取相应的策略, 从多个方面入手, 优化高层建筑结构的抗震设计, 提高建筑结构的抗震能力, 为人们的生产生活创造良好的条件。文章结合高层建筑的设计情况, 主要探讨分析了抗震优化设计的相关问题, 并提出了具体的提高高层建筑结构抗震能力的策略, 以供实际工作进行参考和借鉴。

二、高层建筑结构抗震优化设计的关键问题

对于高层建筑来说, 提高其抗震能力无疑是其十分重要的工作。而要提高抗震能力, 首先就得做好设计工作, 优化抗震设计, 把握好其中的关键问题。具体来说, 这些关键问题包括以下几个方面。

1. 场地选择。

场地的选择对高层建筑结构的抗震能力会产生直接的影响。如果场地选择不好, 不仅影响高层建筑的抗震性能, 还会给人们的生产生活带来极大的不便。具体来说, 在进行场地选择的时候, 应该选择有利于抗震的场地, 避开危险地段, 避开对高层建筑结构抗震不利的地段。选择地段安全、地基稳定的地段。如果确实不能避开不良地段的话, 为了提高高层建筑的抗震性能, 就必须采取相应的促使对地段进行处理和加工, 以满足施工的要求, 提高高层建设结构的抗震能力。

2. 结构体系选择。

第一, 结构体系需要避免对高层建筑整体抗震产生不利影响。在进行设计的时候, 需要考虑不能因为部分结构的破坏而导致整个高层建筑结构抗震能力下降或者丧失。即使某一构件停止工作, 但是其他的构件却不能失去效能, 以免影响整个高层建筑物的抗震能力。第二, 结构体系需要有明确的计算简图和合理的地震作用传播途径。第三, 结构体系必须具备良好承载能力、变形能力、消耗地震能量的能力。由于钢筋混凝土结构具有上述良好的能力, 所以在高层建筑结构设计中, 需要使用钢筋混凝土结构。第四, 结构体系需要具有合理的刚度和强度。这是应对地震, 降低地震给高层建筑物带来损害的必备条件。此外, 对于有可能出现的薄弱部位, 需要采取相应的加固措施, 以提高高层建筑结构抗震能力。

3. 结构的规则性。

在高层建筑结构抗震设计中, 还需要重视建筑平面布置的规则性。在平面布置上需要注意符合抗震的设计原则, 采用规则的设计方案, 不能采用不规则的方案。结构的规则性主要表现在高层建筑主体抗侧力结构上, 尤其需要注意以下四个问题。第一, 高层建筑主体抗侧力结构需要注意两个主轴方向的刚度需要比较接近, 其变形特性还需要比较的相似。第二, 高层建筑主体抗侧力结构构成变化比较均匀, 不应当有突变的情况发生。第三, 从高层建筑主体抗侧力结构的平面布置来看, 需要注意的是, 应该注意同一主轴方向的各片抗侧力结构刚度尽量均匀, 这样有利于高层建筑整体的抗震性能的发挥。第四, 高层建筑主体抗侧力结构的平面布置需要注意, 中央核心和周边结构的刚度协调均匀, 以避免产生过大的扭曲变形。

三、提高高层建筑结构抗震能力的具体策略

随着生活水平的提高, 人们对高层建筑物的质量提出了更高的要求, 高层建筑物不仅要满足人们正常生活的需求, 还要具有较好的抗震能力, 在高层建筑施工中需要重视提高高层建筑结构的抗震能力。高层建筑结构的抗震优化设计是大量实践经验的总结, 对今后提高高层建筑结构的抗震能力具有十分重要的指导作用。为了提高高层建筑结构抗震能力, 结合高层建筑的实际情况, 笔者认为应该采取以下具体策略。

1. 合理布局地震外力能量的传递吸收途径。

这是提高高层建筑结构抗震能力的第一步。通过这样的布局, 当地震发生的时候, 支柱、墙、梁受到相应的破坏, 并且它们的破坏是呈弯剪破坏的。同时, 连梁出现变化, 在梁端呈现出塑性屈服的状态, 不过, 在这种状态下, 连梁还具备较大的变形能力。在这样的布局之下, 如果发生地震的话, 墙段在充分发挥其良好的抗震作用之前, 根据强墙弱梁的原则, 它能够使得墙肢的承载力得到相应的加强, 从而引起墙肢的剪切应力遭到相应的破坏, 避免遭到地震带来的损失, 提高了整个高层建筑结构的抗震能力。

2. 在实际工作中, 对梁、柱以及墙的节点采取必要的措施, 以提高整个建筑物的抗震能力。

这种措施的出发点是:提高梁、柱以及墙的抗震能力, 优化它们的抗震性能, 当发生地震的时候, 这些结构能够很好的发挥抗震性能, 保证结构的稳定性, 进而避免整个高层建筑免受地震的破坏。此外, 高层建筑常常使用钢筋结构, 因此, 提高钢筋结构的抗震性能, 能够显著提高整个建筑物的抗震性能。提高钢筋结构抗震性能的关键是提高其结构的延性和承载力, 具体的措施可以是, 在设计的时候, 根据强剪弱弯、强柱弱梁、强节点弱构件的原则进行, 采取行之有效的措施, 合理控制柱截面的尺寸, 合理控制柱的轴压比, 加强节点的构造, 保证节点的质量, 避免出现质量问题, 以提高节点的牢固性和抗震能力, 进而提高整个高层建筑结构的抗震性能。

3. 设置多道抗震防线。

该方法的基本出发点是:当发生地震的时候, 延性较好的构件的首先达到屈服, 发挥抗震的作用, 同时其他的构件也发挥着抗震作用, 只不过还没有得到屈服, 不会受到巨大的影响。事实上, 只有第一道抗震防线屈服之后, 其他防线才可能屈服。所以, 为了提高建筑物的抗震性能, 在设计的时候, 可以设置多道防线, 设置一道、二道、三道防线, 如果条件允许, 还可以设置更多道防线, 这样有利于提高整个高层建筑的抗震能力。

四、结语

文章结合高层建筑的设计, 介绍了其结构抗震优化设计的关键问题, 并分析了提高高层建筑结构抗震能力的具体措施, 以期能够为高层建筑抗震设计的实际工作提供借鉴和指导。然而, 高层建筑结构抗震优化设计是一个不断发展和进步的过程, 随着新技术的运用和实际经验的总结, 高层建筑结构抗震设计必将得到进一步的发展。今后在实际工作中, 我们需要重视经验的积累和总结, 并注重创新, 以更好的推动高层建筑结构抗震优化设计的发展, 为人们的生产生活创造良好的条件。

参考文献

[1]刘光绅, 吴建奇.建筑结构抗震设防设计中的若干问题探讨[J].山西建筑, 2010 (3) .

[2]董丽媛.探讨高层建筑结构抗震的优化设计[J].中华民居, 2012 (6) .

[3]杨磊.论高层建筑结构抗震的优化设计[J].建筑设计管理, 2010 (3) .

[4]刘建政.住宅高层建筑结构抗震的优化设计[J].建筑设计管理, 2012 (2) .

抗震优化篇6

1 工程概况

本工程为商用住宅楼, 塔楼屋面高度为296.27 m, 共64层;无地下室。本工程结构安全等级为二级, 设计基准期定为50年, 场地类别为Ⅲ类, 抗震设防烈度为7度 (0.10g) , 设计地震分组为第一组, 场地土特征周期为0.45 s。抗震设防类别核心筒为乙类, 外周框架为丙类。

1.1 结构体系

本工程采用型钢混凝土框架—钢筋混凝土筒体结构。由核心筒承受主要侧向力, 作为第一道抗震防线;外围框架承担次要抗侧力, 作为第二道抗震防线。二者形成了双重抗侧力体系, 保证结构在大震下的安全。

结构分布图见图1。

1.2 结构平面布置

其标准层平面图和结构立面图如图1所示。结构的平面布置相对较规则, 核心筒贯通建筑物全高。核心筒高度296.27 m, 最小宽度为22.2 m, 高宽比为13.34, 超过JGJ 3-2010高规[1]规定:7度区框架—核心筒最大高宽比为7的限值要求。高宽比的大小对整体结构抗侧刚度的影响很大, 因此针对本工程的特殊建筑要求, 1层~36层核心筒外框柱采用十字形劲性型钢混凝土柱来增加抗侧力构件的刚度, 满足规范的刚重比要求。

2 结构设计初步分析

采用PKPM系列软件之SATWE (V2.1版) 首先对结构进行多遇地震作用下的初步计算, 主要计算参数取值情况见表1。

初步分析的主要技术指标结果见表2。依据《高规》规定:周期比限值为0.85;位移角不宜大于1/500;本层与相邻上层的侧向刚度比不宜小于0.9;B级高层建筑的层间受剪承载力不应小于其相邻上一层受剪承载力的75%。可以看出除了侧向刚度比不满足规范要求外, 其他各项主要整体指标均满足规范要求。除此之外, 部分连梁出现超筋, 部分楼层外框架柱出现轴压比超限情况, 相应问题的解决措施如第3部分所述。

3 结构设计问题的解决措施

3.1 连梁超限的问题

连梁对于框架—核心筒结构尤为重要, 它不仅起到连接墙肢的作用, 在抗震过程中很好地发挥了核心筒剪力墙的延性, 起到了第一道防线的重要作用。所以解决连梁超筋或剪压比不满足的问题至关重要。目前常用的解决连梁超限的方法主要有:1) 遵循“强墙弱梁”的延性设计与良好耗能性能统一的原则, 采用多连梁设计方法, 即采用挤塑板填缝处理, 在PKPM中时采用多缝连梁模拟, 以弱化连梁刚度, 合理化连梁配筋, 同时也能保证不降低连梁的耗能能力及结构整体刚度。2) 通过在连梁上布置交叉斜筋或对角暗撑解决连梁超筋问题。3) 对于部分剪压比不满足要求的连梁, 可以在连梁内加设型钢。该工程局部楼层出现了连梁超筋现象, 采用连梁设缝、布置交叉斜筋等措施已得到解决。

3.2 抗侧刚度不满足要求的问题

结构由于相邻楼层层高突变时, 往往会在侧向刚度偏小的楼层部位产生“软弱层”现象, 易引起楼层产生应力与变形的集中与放大, 对抗震不利。

为了改善结构楼层刚度突变幅度, 常用的调整楼层刚度的方法有:

1) 改变剪力墙厚度;2) 改变混凝土标号;3) 改变框架柱截面尺寸;4) 改变框架梁截面;5) 改变连梁截面;6) 在层高突变层增加斜杆支撑。

有研究表明[3], 前四种方法对减小结构楼层刚度突变的效果有限, 而调整连梁截面和增加支撑对减小结构楼层刚度突变效果比较明显。因此针对本工程侧向刚度突变问题, 采用在突变楼层 (即结构第8层) 增加斜杆支撑, 见图2。

3.3 外框柱轴压比超限问题

根据《高规》11.4.4条, 型钢混凝土柱的轴压比限值为0.70, 对于剪跨比小于2的柱, 其轴压比限值为0.65。针对本工程中局部楼层轴压比超限的外框柱采用增大柱截面尺寸或加大钢骨截面尺寸等措施来解决柱轴压比超限问题。

4 结构超限分析

1) 高度超限。《高规》第11.1.2条规定:型钢框筒结构使用的最大高度为190 m。而本工程结构高度为296.27 m, 结构高度超限。

2) 竖向不规则超限。由于结构使用功能的需要, 第8层的层高 (8.9 m) 明显大于相邻楼层层高 (4.2 m) 。第8层的侧向刚度小于其上一层侧向刚度的0.9倍, 结构属于竖向不规则超限。

3) 楼板开洞面积出现大于该层楼层面积的30%, 造成了结构平面不规则超限。

针对以上超限情况, 根据结构的特殊性、设防烈度、场地条件、抗震设防类别等各项因素对结构进行基于性能的抗震设计, 将结构抗震性能目标定为C, 具体要求详见表3, 经过模型优化调整, 结构基本能达到预期的抗震性能目标。

5 结构弹性分析

多遇地震弹性计算采用建研院研发的SATWE (2013.10版) 和PMSAP (2013.10版) , 表4给出两种软件的计算结果。

从表4可以看出, PMSAP与SATWE两个软件的计算结果比较接近。周期比小于0.85, 最大楼层位移比和最大层间位移比都小于1.2, 满足《高规》规定。在考虑双向地震作用下的位移角最大值为1/811, 小于《高规》的限值1/500, 满足规范要求。

由于塔楼的高度远超100 m, 需选取实际地震记录和人工模拟加速度时程曲线, 补充弹性时程分析计算。针对本工程选择了3条用户自定义的地震波对结构进行弹性时程分析。基底剪力的计算结果见表5。

其中3条地震波作用下的楼层剪力平均值, 除顶部8层外, 都不大于振型分解反应谱计算的结果。比较发现顶部8层的楼层剪力比振型分解反应谱法求得的剪力大。这也进一步反映了反应谱法对高振型下的高柔结构顶部鞭梢效应估计的缺陷, 需要补充弹性时程分析。

6 罕遇地震下弹塑性动力时程分析

根据《建筑抗震设计规范》[2] (2010年版) 规定对于8度Ⅲ, Ⅳ类场地和9度区高大的单层钢筋混凝土柱厂房的横向排架、7度~9度区楼层屈服强度系数小于0.5的钢筋混凝土框架结构和框排架结构、高度大于150 m的结构、甲类建筑和9度时乙类建筑中的钢筋混凝土结构和钢结构、采用隔震和消能减震设计的结构, 需要进行弹塑性变形验算。所以针对本工程, 采用建研院研发的弹塑性动力分析软件EPDA。

选用两组实际地震波和一组人工波, 按双向地震输入, 主次方向加速度峰值比为1∶0.85, 主方向地震峰值加速度为220 cm/s2, 混凝土本构采用三线性模型, 钢材本构采用双折线模型。

通过观察结构塑性发展的时程动画, 发现结构在大震下的塑性损伤顺序为:核心筒连梁及外围框架梁→核心筒连梁→与连梁相连的核心筒剪力墙边缘→加强层斜撑, 外框基本没有出现塑性损伤。其中45层~47层和结构顶部几层有较多墙体出现裂缝, 这些需作为结构的薄弱部位, 设计时需适当提高配筋率。

7 结论与建议

本文结合某超高层框架—核心筒结构的工程实例和相关抗震设计规范, 从结构初步分析、问题解决措施、结构抗震性能目标确定、弹性反应谱分析以及弹性和弹塑性动力时程分析等方面详细论述了超高层框架—核心筒的设计过程。

研究分析结论如下:

1) 可采用设置多连梁, 即采用挤塑板填缝处理连梁, 或通过在连梁上布置交叉斜筋或对角暗撑解决连梁超筋问题。可采用连梁内加设型钢解决连梁剪压比不满足要求的问题。

2) 对于结构存在侧向刚度突变的情况, 调整连梁截面和增加支撑对减小结构楼层刚度突变效果较明显。

3) 对于高柔结构, 需要对结构进行动力时程分析, 对于结构薄弱部位, 设计时应提高抗震措施。

参考文献

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[2]GB 50011-2010, 建筑抗震设计规范[S].

[3]许崇伟, 黄勤勇.层高突变对高层建筑楼层刚度的影响及其对策[J].建筑科学, 2006 (1) :13-15.

[4]孙垚.框架—核心筒结构设计分析探讨[J].工业建设与设计, 2011 (16) :29-31.

[5]高立人, 方鄂华, 钱稼茹.高层建筑结构概念设计[M].北京:中国计划出版社, 2005.

[6]吕西林.超限高层建筑工程抗震设计指南[M].第2版.上海:同济大学出版社, 2009.

抗震优化篇7

1 性能抗震设计与常规抗震设计的对比分析

1.1 常规抗震设计和性能设计方面的区别

性能设计提出小震不坏, 中震可修, 大震不倒的设计宗旨。与常规抗震设计的区别在于, 第一, 它的设计目标主要针对小地震, 中型地震还有大型地震。而且还通过对全国65个城镇的地震所发生的概率, 从而再对地震的强烈程度进行衡量, 确保房屋建筑不发生破坏, 达到可修, 不倒的目标, 通过对这些要求的论述可以看出, 这些大多数都是针对建筑在宏观性能方面的控制。第二, 为了实际施工中的效果有有据可依, 最终选用了分两个阶段的简化分析方法, 第一个步骤是对结构的构建进行验算, 主要是对它的承载力进行计算。对这个计算, 具体是选用了在地震比较小的情况下, 按照相应的弹性反映理论, 通过计算得到在小震作用下的标准值, 以及相应的地震作用下的内力以及形变效应。通过可靠的分析, 从而得到构件承载力的具体结果。随后将概念设计有关的内力进行调整, 从而放大抗震的结构构造, 这种措施可以有效满足对第二水准以及第三水准在地震宏观性能方面的控制要求。第二个阶段, 就是要对构件结构的弹塑性以及其中的变形进行验算, 同时还要对地震在倒塌状况下的结构, 或者是有特殊要求的一些建筑结构, 一定要对它的薄弱部位进行加固, 以此来适应在大震发生时不会倒塌, 或者是发生位移的情况, 。

1.2 常规设计和性能设计方法的比较分析

对于常规的抗震设计而言, 它的设计目标是小震不坏, 中震可修, 大震不倒, 具体而言就是在小地震的情况下有相关的性能指标, 而在大型地震下有一定的位移要求, 剩下的就是宏观方面的指标, 在建筑的使用功能上, 具体的分为了甲乙丙丁四种级别, 在这四种级别的建筑当中, 对防倒塌的要求不尽相同, 其余的基本都是一样的, 而针对性能的抗震设计, 它是按照使用的功能来划分的, 并且在这个领域提出了很多的预期性能目标, 其内容不仅涉及了建筑的结构, 同时还包括非结构的, 还有一些设施的具体指标。而在具体的实施方法上, 常规的抗震设计是按照指令性和处方的形式进行规划和设计的, 根据不同的建筑结构概念而进行设计, 比如小型地震下的弹性设计, 在经验方面的内力调整内容, 以及对构造的放大处理等, 这些都是为了达到预期的宏观设计而落实的具体措施。而针对性能方面的抗震设计, 除了满足最基本的要求以外, 还要提出一些满足预期具体要求的有利论证来作为依据。这方面的内容主要包括建筑结构的体系, 依据比较细致的分析内容, 还有对完成抗震指标的具体试验措施等。还要有对这些内容的专业评价等。通过这几个方面的对比分析不难发现, 针对于建筑的抗震在性能要求方面的设计方法的提出, 成为了当前的发展趋势, 而且在目前来看, 在对高层建筑的结构设计当中, 其可行性是非常好的。如果想要在所有的建筑结构中进行推广, 还需要对其进行更深一步的探讨, 还有相关设计人员自己的理解与掌握。

2 高层结构的抗震性能水准

在地震水准不同的情况下, 对高层的建筑结构在性能水准, 还有性能目标方面的要求也不同, 具体而言, 它的抗震结构性能可以分为下面几个标准。第一, 高层结构在发生地震之后, 最好是完好无损伤, 同时在一般的情况下, 是不需要进行修理就可以继续使用的, 而且建筑还要可以进行正常的安全出入以及使用。第二, 如果地震发生后, 其结构发生了非常明显的损坏, 而且大多数的构件都发生了中等的损坏, 从而进入屈服状态, 在有比较明显的裂缝下, 大部分的构件都有很严重的损坏程度, 但是其整体的结构并不会发生倒塌, 同时也没有局部倒塌的情况, 建筑中的人员会有一定程度的伤害, 但是对他们的生命安全却没有太大的威胁。

3 结构抗震计算及试验要求

3.1 建筑结构的模型设计分析

对高层建筑结构, 尤其是在性能设计方面的计算要特别严格, 不仅要对构件的承载力, 还有变形进行计算, 还要考虑构件在屈服之后其性能发生的变化。对这些方面的正确计算, 对分析建筑的抗震性能, 还有结构的实际所受应力情况都能够直观表现出来。但是这些计算都是要在合理的力学模型上来计算, 而且结果不能脱离实际, 否则没有任何参考价值的, 在对结构抗震性能在弹性方面的计算, 还有非线性方面的计算中, 一定要分析结构的整体模型状况, 还有构件以及节点的各种数据参数, 必须保证其正确合理。如果建筑结构中拥有水平转换的构件, 同时在区分这些问题的时候, 还要对楼层的层数和层高进行计算。在涉及到剪力墙的计算方面, 一定要关注对非线性的计算和分析, 这对计算出模型的相关参数方面至关重要。如果建筑设计中选用了滑动的支座结构, 必须对支座两侧的结构, 以及它们之间的相互作用关系进行考虑, 否则会对整体的计算模型产生严重的影响。

3.2 结构抗震试验的设计要求

在进行高层建筑结构抗震方面的设计时候, 在某些方面没有设计理念, 缺乏一些相关的依据时, 进行相关的模型试验很有必要。比如说选用的混凝土要有很高的含钢率, 用这种材料来建设梁柱和剪力墙, 在对拥有型钢的异形截面构件, 或者是一些新型的构件进行使用的时候, 对这些构件必须要进行相关的模型试验。在使用杆件比较多的铸铁点, 还有多级的转换层, 以及让楼梁侧面的楼板发生开洞, 使楼梁本身和梁柱的节点地方不和楼板产生直接有相连接的关系时, 对这些新设计结构的部件必须进行模型试验。

4 总结

基于性能方面的抗震设计, 无论任何时刻其重要性都毋庸置疑。这种方法和现有常规方法相比较, 通过以上的阐述显示, 其优点极其明显。在目前, 高层建筑在结构的设计上都是选用的针对性能设计方面的理念, 而且方法的可行性表现非常好, 所以对未来的高层建筑在结构设计以及技术进步和创新上, 是非常有利的。

摘要：高层建筑和常规建筑在进行抗震设计方面, 是有很大区别的, 因为高度的不同, 其防火工作的复杂程度, 还有周围的环境也就不尽相同。在对高层建筑进行抗震方面的设计中, 一定要从宏观方面对其进行具体的量化处理, 而在抗震性能的分析上, 以及模型的使用和参数的分析中, 还存在一些问题, 本文旨在基于性能抗震设计方法做进一步的分析。

关键词：高层建筑结构,性能抗震分析,优化设计

参考文献

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[4]张婷.基于性能剪力墙结构抗震评估与应用[D].河北工程大学.2013 (01) :11-12.

抗震优化篇8

据统计，2008年汶川5.12特大地震发生后，地震波及严重的农村农房几乎全部倒塌，这给农民造成了巨大的生命财产损失。一方面，我国农村人口占全国人口的四分之三，属于农业大国；另一方面，目前我国的农房建设多存在以下现象：(1)选地风水迷信的思想尚存，落后地区尤为严重。(2)考虑到经济和实用性的问题，农民建造农房时，选用的多是质量较差的建筑材料，且用量很难达标。(3)施工过程没有专业的农房图纸，施工人员科学文化低，施工队伍的设备简陋，从而导致施工建设质量低。以上事实导致占我国人口四分之三的农民居住的农房的平均抗震能力很低，农民的生民财产安全得不到保障。本课题研究小组赴凤县县城周边农村对农房建造的场地选择，材料和结构进行实地调查，经过分析，得出相应的农房抗震效果优化方案。

1 研究区域的地理位置及建房场地、地基分析

1.1 研究区域的地理位置

本课题研究小组选取陕西凤县（图1）县城周边农村为研究对象，凤县县城经纬度分别为：东经106°51′，北纬33°93′，调查的农村主要有张家尧村（位于凤县县城西方）、草家店村（位于凤县县城南方）、王家坪村（位于凤县县城正北方）、毛家湾村（位于凤县县城东南方）(图2)。

1.2 凤县县城周边农村建房场地的地理特征分析

本课题研究小组共走访调查农房30处，得到六组实验数据结果，如表1。

通过对表1中基本数据的综合分析，科研小组对所调查地区房屋的选建选材等方面作以下几点归纳和建议：(1)大部分（78%）农房选房场地为同种类型土质的场地，地震时，这些处于同种类型土质上的农房整体受力均匀，不会发生整体不均匀升高而造成的竖向开裂。(2)仍有相当数量（22%）的农房场地选在存在不同类型的土质的场地上，该类房屋地震时，由于土地的共振频率不同，尽管地震作用相同，也极易由于受力不均匀而发生局部断裂，抗震能力明显弱于其他建在同种类型土质的场地上的房屋，应引起重视。(3)该地区平均地下水位大于2.5m，平均砂石层深度大于10.0m，表层固相颗粒度主要为细土，综合分析出，房屋底层不会在地震时出现土层液化现象（平均地下水位小于2.5m，平均砂石层深度小于10.0m，表层固相颗粒度为细土的场地容易在地震时发生土层液化现象），地基不会发生纵向破坏。

2 该地区农房建造选材，用途及建材应用方式的调查

2.1 课题小组选取在村中数量最多的农房，对该种农房的建造选材，用途以及建材应用方式三方面的调查，调查结果如表2。

2.2 房屋结构（图3)

2.3 综合农房用材及结构调查结果，做出该地区农房抗震鉴定

(1)一般要求：墙体不空鼓，无严重歪闪，支撑大梁的墙体无竖向裂缝，承重墙，自承重墙及交接处没有明显裂缝，混凝土梁、柱及节点的混凝土仅有少量微小开裂或局部剥落，钢筋无路筋，锈蚀。构件无明显变形，倾斜或歪曲，该项满足条件。(2)结构体系：房屋层数小于3层，房屋高度总高度小于10m，墙体间最大间距5.8m，结构为单层类型房屋建筑，满足要求。承重墙厚度30cm，房屋高宽比1.9<2.2，满足要求。质量沿高度分布规则均匀，刚度中心与质量中心不重合，不满足要求。(3)房屋整体连接：房屋在纵横交错处无结构柱，房屋顶部横梁平行排列，梁与梁之间没有任何连接，无圈梁或类似的分压构造。(4)材料强度，墙体砌块强度：实心砖MU6.5<MU10，空心砖MU5.0<MU10。该项不符合要求。(5)易引起局部倒塌的部件：承重外墙尽端至门窗边的最小距离0.8m<1m，该项不满足要求。(6)变形缝设置：在各墙体之间没有设置变形缝，不能缓冲地震对房屋剪力的作用。(7)房屋结构中冗余度：一般主要承重构件为砖，该地区农村房屋中除墙体起承载负荷作用外，没冗余的承重部件。这样地震中一旦墙体遭到破坏，整体墙，质量大，强度低，且变形能力有限，结构就要遭到破坏。

3 农村群体易损性分析

该地区房屋多是独立农房并排建造，各农房间没有形成结构整体，地震时，不能利用周边农房的减压作用来减少自身受到的地震效应，不符合农房建造结构整体性原则，抗震能力不佳。（图4-图7)

4 基于现代建筑抗震的简单原理对房屋进行抗震优化

根据我国房屋设计“小震不坏，中震可修，大震不倒”的总原则，本着“经济、安全、合理、实用”的原则，对该地区农房建造过程中存在的抗震弱点进行抗震优化。

4.1 农房建设过程建房选择场地应科学合理

(1)避免在土质类型存在明显差异的地段建房。(2)选建房场地时，要注意该地地下水深度和表层的土壤固相土粒大小，若地下水位小于2.5m，而且表层土壤固相土粒为均匀细土，则该场地为地震液化土高危场地，建造房屋时要加大抗震力度。(3)凤县周边地理土层普遍多岩石块，但岩石密度和埋藏深度差异大，在规划房屋建设用地时，应该根据岩石分布密度和深度合理规划，一处农房建造在岩块密度、深度都连接的地段。

4.2 基于单层房屋结构抗震原理对农房建设过程的抗震优化

(1)针对该地区房屋的质量中心与刚度中心不重合，抗扭曲能力不均匀，地震时易扭转进而倒塌这一问题，分析得出其原因是该地区农房的横墙与房顶的接触面积显著大于、纵墙与屋顶接触面积，通过加宽纵墙的厚度可以解决这个问题，使质量中心与刚度中心趋于重合。(2)加大房屋连接处的冗余度：房屋连接处主要有墙与房顶的连接，墙与地面的连接，连接部位成90°角，不能有效地竖向减震。相应的抗震优化方案为：在房屋的任何一个纵横交错处加设立柱，屋立柱可以相对四个房角窄一些，四个房角角都要加设一个20cm×20cm的立柱。墙与房顶，墙与地面间连接处加入适量钢筋，钢筋的数量应该是具体情况而定，总的原则就是要将墙与房顶，墙与地面连成一个整体。(3)针对房顶没有圈梁易导致房顶各部承力不均，离支撑墙较远的部位发生开裂甚至塌落这一现象。课题小组提供的优化方案为：在各木梁中间加木料连接，连接的木料要比梁木料质量好，能达到局部屋顶塌落时该连接木料不发生断裂，这样能将荷载与弯矩有效地转移到相邻的横梁上，避免去定的局部塌落转移。(4)针对建房用砖质量不合格，等级参差的问题，可根据建房人经济状况，尽量多选用承力较强的实心砖建房，在用不同类型的或不同质量的砖砌墙时，随着高度的降低，所用砖的承载力应相应加强。(5)针对门窗距过小的问题，可适当调整门与窗的大小，使外墙尽端至门窗边的最小距离不低于1m，窗户的尺寸不宜过大，窗户的高度不宜太低，可以适当考虑后窗采光，减轻前墙的压力。(6)设置变形缝，在农房建造过程中，可在竖向留出4条（平均每墙留出1条）高度为1m，宽度为3cm的变形缝缝，变形缝能缓冲各墙剪刀的传递，减少房屋扭转变形。(7)女儿墙和烟囱的建造过程要注意与整体的根部连接，优化方案可采用：用黏合力强的混凝土进行根部黏合。

4.3 农房建设过程中群体抗震优化

农房群体抗震优化的原则是加强空间整体性，优化方案如下：(1)农房与农房连接处砌砖方式一致，形成接合，避免砖体间无连接。(2)农房屋顶连接处可以增加横柱，此类横柱可以同时拖住两间房子的屋顶。(3)地基的深度、规格要一致。(4)必要时利用钢筋连接墙体、房顶、以及地基结合处。

5 结论

灵活地把抗震原理应用到农房抗震建设中，有效提高农房的抗震能力，主要的设计原则首先是在农房建造过程中强调场地选择的科学方法（包括场地选择时的土质、地下水、岩层分布的深度与均匀度等）；其次是结构设计中有效地分配农房的承重（包括农房建造中不同部位的材料选择，用量选择，以及加设圈梁、立柱等分压设施）。同时也要在结构设计中加强房屋的连接，使房屋呈现整体性（包括加强墙与屋顶的连接，墙与地面的连接，房屋与房屋的连接等）。

参考文献

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[3]李学军,孙启刚.以汶川大地震为例论山区房屋建筑地震灾害.山西建筑,2010.

抗震优化篇9

我国是一个多地震的国家, 也是世界上蒙受地震灾害最为深重的国家之一。地震活动频度高、强度大、分布广、震源浅、成灾率高, 20世纪全球1/3的大陆地震发生在我国, 因地震死亡的人数占全球的一半。新中国成立以来因地震死亡人数占各类自然灾害死亡人数的一半以上。破坏性地震发生后, 死者安葬、伤者救助、卫生防疫、灾后重建, 恢复生产、恢复秩序等均急需大量应急物资, 科学布局应急物流配送中心, 实施高效有序的物流配送, 对保障应急救援物资配送的需要, 避免震后混乱和损失扩大具有重要意义。国内外对于应急物流配送中心布局的研究较多, 如考虑多重数量和质量覆盖的应急设施选址模型, 考虑应急设施的公平性和效率性的多目标决策模型等。这些模型对于确定需求情况下的应急物流配送中心、应急物资储备仓库等应急设施选址具有良好的适应性, 但没有充分考虑到抗震救灾不同阶段应急物流需求的动态变化。

地震灾害具有突发性, 灾害损失情况与地震震级、震源深度、地震烈度、地震发生的时间、建筑物的结构及破坏程度、震区人口数量与密度、工业体系结构和布局、灾区地质特点、应急救灾的有效性等多个因素相关, 这些信息的获取有的需要几小时、几天甚至更长的时间, 因此, 地震发生后, 对灾害损失情况的认知是个动态变化、不断修正的过程, 应急物流配送中心布局应当根据灾害损失评估情况动态调整。本文分析了抗震救灾应急物资需求的阶段性特点, 构建了应急物流多级配送中心布局优化模型, 并运用离散粒子群算法的对模型进行求解。

二、抗震救灾应急物资需求阶段性特点

根据现阶段国内外对地震灾害损失的认知过程, 可以将抗震救灾过程划分为三个阶段。

1. 抗震救灾初期。

地震发生后, 没有破坏情况报告和人员伤亡报告的阶段为抗震救灾初期。这阶段的首要任务是搜救被困人员和治疗伤员, 物资需求主要包括救生器械、应急通讯设备救生类物资, 医疗器械、急救药品、普通药品、防疫药品等医疗类物资, 食物、帐篷、衣被等生活类物资。应急物资需求总体规模可以根据地震时间、震级、震中位置和震源深度等信息初步估算, 各个需求点的需求还要根据实际受灾程度进一步明确。应急物流配送潜在需求量大、需求点不明确、时间紧迫。

2. 抗震救灾中期。

从政府启动应急机制, 破坏情况报告和人员伤亡报告逐步报出, 到全面展开救灾的阶段, 为抗震救灾中期。这阶段抗震救灾全面展开, 生命救助、临时食宿、生命支持、救援运载、防护用品、器材工具、工程设备、照明设备、污染清理、动力燃烧、交通运输、工程材料及通讯广播等类型的物资装备需要紧急调入, 受伤人员需要紧急转移。应急物资需求的总需求和各个需求点的需求可以根据受灾程度和受灾人口分布进行较为准确的评估。应急物流配送需求量大、需求点明确、时间紧迫。

3. 抗震救灾后期。

从报道人员伤亡数量开始衰减, 开始灾后重建的阶段为抗震救灾后期。这个阶段主要任务是灾后防疫和重建。应急物资总需求和各个需求点需求更加明确, 并可以根据前期应急物资的投入情况、救助效果等, 实时计算调整物资需求量。应急物流配送需求增速下降、时间紧迫性稍缓, 需求点需求明确。

三、抗震救灾应急物流配送中心布局动态优化模型

1. 模型假设。

为合理描述问题, 作出如下假设: (1) 所有应急物流配送中心的候选点都经过充分分析和论证, 考虑了应急物资需求点及需求量的分布, 交通较为方便、水电充足、场地满足展开要求。 (2) 当一个应急物资需求点处于多个二级应急物流配送中心服务半径之内、一个二级应急物流配送中心处于多个一级应急物流配送中心服务半径之内时, 服务对象的选择采取就近就便原则;每个二级应急物流配送中心只由1个一级应急物流配送中心提供服务。 (3) 一级应急物流配送中心至二级应急物流配送中心采用同一种交通工具, 二级应急物流配送中心至应急物资需求点采用同一种交通工具, 配送时间均与距离成正比; (4) 抗震救灾物资种类较多, 但物资数量统一按千克计量, 应急配送中心的能力也按千克计量; (5) 对受灾区域进行合理划分, 划分片区的大小取决于研究问题的颗粒度, 应急医疗救援需求点为片区的中心, 即本文中考虑的选址问题是离散性选址问题; (6) 运费是由运输量和路程等因素决定的线性函数。

2. 应急物流配送中心布局优化模型。

从汶川、玉树地震, 到庐山地震, 理性救灾越来越受到关注。为促进科学理性救灾, 防止应急配送力量过度涌入灾区, 给灾区交通、食宿保障等造成过大压力, 在保证所有需求得到有效响应的前提下, 以投入的应急物流配送总能力最小为目标, 构建模型如下:

其中:

R= (Ri|i=1, 2, …m) :需求点的集合;

S= (Sk|k=1, 2, …, p) :二级应急物流配送中心候选点的的集合;

F= (Fj|j=1, 2, …n) :一级应急物流配送中心候选点的集合;

Ni:需求点Ri昼夜需要救灾物资数量, 以千克计;

uj:Fj点昼夜配送能力;

vk:Sk点昼夜配送能力;

Tik:需求点Ri到二级应急物流配送中心候选点Sk的时间;

T’kj:二级应急物流配送中心候选点Sk到一级应急物流配送中心候

T1:需求点Ri到二级应急物流配送中心候选点Sk的允许时间;

T2:二级应急物流配送中心候选点Sk到一级应急物流配送中心候选点Fj的允许时间;

式3.5:投入的应急物流配送总能力最小;

式3.6:需求点Ri到二级应急物流配送中心候选点Sk的时间在允许时间范围内;

式3.7:二级应急物流配送中心候选点Sk到一级应急物流配送中心候选点Fj的时间在允许时间范围内;

式3.8:二级应急物流配送中心候选点Sk的配送能力能够满足服务需求点的能力需求;

式3.9:一级应急物流配送中心候选点Fj的配送能力能够满足服务二级应急物流配送中心的能力需求;

式3.10:需求点Ri只有一个二级应急物流配送中心覆盖;

式3.11:二级应急物流配送中心Sk只有一个一级应急物流配送中心覆盖;

各需求点Ri昼夜需要救灾物资数量 (Ni) 是随时间变化的函数, 抗震救灾初期会急剧上升, 中期比较平稳并维持在较高的水平, 后期会缓慢下降。在抗震救灾的不同时间段, 可以根据根据灾情实时分布情况和Ni值动态调整应急物流配送中心的规模和布局。

四、基于粒子群算法的问题求解

1. 粒子群算法。

抗震救灾应急物流配送中心动态布局问题是NP完全问题, 可以用整数线性规划、图理论、状态空间搜索和基于概率的方法如遗传算法、模拟退火、粒子群算法等来求解。粒子群算法 (particle swarm optimization, PSO) 是Jame Kennedy和Russell Eberhart于1995年共同提出的基于群智能的随机优化算法, 在解决大规模复杂优化问题、动态目标寻优、空间函数寻优等方面有着收敛速度快、鲁棒性好、解质量高等优点, 近年来在多个优化领域得到了广泛的应用。标准PSO算法的研究主要针对连续型的优化问题, 即描述粒子状态及其运动规律的量都是连续的。为解决组合优化问题, 需要将粒子群算法中粒子的位置进行整数规格化。本研究利用随机取整法对粒子群算法中的迭代公式进行调整, 使得每个粒子均为离散型变量, 从而构建适应于离散优化问题的粒子群算法。

2. 编码设计和适应值函数。

优化问题的粒子群算法。。模型中有6个决策变量xj、yk、uj、vkdik、bkj, 在模型假设中, 服务对象的选择遵循最短路原则, 且每个需求点只由1个二级应急物流配送中心提供服务, 每个二级应急物流配送中心只由1个一级应急物流配送中心提供服务, 即:如果xj、yk确定, 则dik、bkj可以根据路程最短的原则确定, uj、vk分别根据服务的需求点需求、二级应急物流配送中心能力确定。因此, 设计粒子群算法求解过程时, 只对应急配送中心候选点进行编码。根据变量特性, 采用二进制对一级应急物流配送中心候选点、二级应急物流配送中心候选点分别进行编码若一级、二级应急物流配送中心候选点分别有P个、N个, 则一级、二级应急物流配送中心候选点编码长度分别为P、N。编码方案如图所示。

对于每个可行解Z (p, n) (p∈[1, 2P], n∈[1, 2n]) , 构造i×4阶矩阵A[j, k, i, Ri], 其中i表示应急物资需求点编码、Ri表示应急物资需求点i处的需求量, k表示根据路程最短原则计算出的、服务于应急物资需求点i的二级应急物流配送中心的编码, j表示根据路程最短原则计算出的、服务于二级应急物流配送中心k的一级应急物流配送中心的编码。根据矩阵A, 可以计算出二级应急物流配送中心k服务的应急物资需求点个数Ni, 二级应急物流配送中心k的总配送能力Rk;一级应急物流配送中心j服务的二级应急物流配送中心个数Pj, 一级应急物流配送中心j的总配送能力Rj, 根据分析构造适应值函数如下:

3. 计算步骤。利用GIS的空间数据支持、空间分析功能, 构造基于GIS的应急物流配送中心动态布局问题的粒子群算法, 计算步骤如下:

第一步, 根据一级应急物流配送中心、二级应急物流配送中心和应急物资需求点的GIS空间数据, 运用最短路算法和车辆平均运行速度, 计算出每个Tik值和T’kj值。

第二步, 对于每个应急物资需求点i, 检查所有的Tik值, 如果, 则说明所有的二级应急物流配送中心都不能满足i点配送时限的要求, 需要在i点附近增加二级应急物流配送中心候选点, 增加候选点后, 进入第一步。

第三步, 对于每个二级应急物流配送中心候选点k, 检查所有的T’kj值, 如果 , 则说明所有的一级应急物流配送中心候选点都不能满足二级应急物流配送中心候选点j配送时限的要求, 需要在j点附近增加一级应急物流配送中心候选点, 增加候选点后, 进入第一步。

第四步, 初始化各粒子的位置和初速度, 以及其它初始值。

第五步, 将各粒子的位置参数整数化, 以小数位为概率, 随机取整。

第六步, 计算各粒子的目标函数值。

第七步, 比较粒子目标函数值, 计算各粒子的历史以来最佳位置和所有粒子历史以来的最佳位置。

第八步, 如果计算结果已经达到运算精度要求, 就停止计算;否则, 进入下一步。

第九步, 计算各粒子下一次的速度和下一次飞行位置的参数值, 转至第五步。

第十步, 得到最优解Z (p, n) (p∈[1, 2P], n∈[1, 2n]) , 同时得到最优矩阵A[j, k, i, Ri]。从最优解Z可以得到两级应急物流配送中心建设的位置, 从最优矩阵A可以计算出各配送中心服务对象和应具备的物资配送能力, 达到选优目的。

五、结束语