《建筑索结构设计计算与实例精选》

2024-04-20

《建筑索结构设计计算与实例精选》（精选6篇）

篇1：《建筑索结构设计计算与实例精选》

《建筑索结构设计计算与实例精选》张其林编著前言

近几十年来，建筑索结构在我国得到了十分快速的应用和发展，在这一领域的发展过程中，工程实践远远领先于设计计算理论的研究，也极大地推动了我国设计计算理论的发展，近几年来，围绕建筑索结构已发表了许多研究论文和若干部专著，然而，令人遗憾的是，迄今为止，我们已经建成的建筑索结构的体系均非我们首创

上海市工程建设规范《建筑结构用索应用技术规程》

通用有限单元软件具有强大的一般结构问题的计算与分析功能，但往往不能模拟建筑所结构的实际成型过程和工作机理

第一章索的构成和力学性能

建筑索结构中的“索”可泛指只能受拉的钢拉杆和钢索。

钢拉杆由杆身、锚头、调节套筒组成。

钢索由索体、护层和锚具组成。

第二章索的计算模型

对于较细较短的索，索的自重对索自身及索结构的工作性能影响不大，可采用两节点的只拉不压的线单元模拟索的工作，将索的自重等效作用到两端节点处；

对于较粗或较长的索，索的自重可能对索自身或结构的工作性能影响较大，宜采用能够考虑索跨中自重的力学模型，可以采用多个只拉不压的两节点索单元或采用悬链线单元。

第三章索结构计算中的基本定义

主动索：施工过程中通过主动张拉，控制张拉端索力的建筑用索。

被动索：施工过程中事先下料，索力的导入是由于主动索的张拉生成的建筑用索。建筑索结构的三个状态

（1）搭设支承体系，安装钢结构构件和被动索→零状态；

（2）张拉主动索，撤除支承体系，形成自平衡的预张力结构体系→初始状态

（3）荷载作用下→工作状态

结构的初始状态直接影响了结构工作状态的性能，也直接决定了结构的零状态。找形分析是指寻找并确定在主动索预张力作用下结构的初始状态几何及其对应的内力。

结构施工过程跟踪分析是指对这一过程及其安全性所进行的数值模拟和分析。结构自重效应的考虑：

1）结构初始状态是主动索预张力效应和结构自重效应共同作用下的平衡状态，找形分析时应该同时考虑自重作用。

2）只将给定主动索力对应的平衡状态作为初始状态，结构自重在找形分析时可不考虑，但应作为恒载的一部分在计算工作状态时考虑。

篇2：空心无梁楼盖设计与计算工程实例

1 工程概况

某大型的现代住宅小区, 中心为中央花园, 一期由7幢地下1层, 地上10层～12层小高层住宅楼组成, 地下室为大型地下车库, 其上方为小区绿化景观, 覆土80cm, 顶板采用有粘结预应力无梁楼盖设计。其中地下室A区建筑面积5 800 m2, 顶板标2.000m, 底板面标高5.700 m, 结构设计采用8 m×8 m柱网板柱结构, 楼盖采用预应力现浇空心无梁楼盖。考虑消防车及施工荷载, 设计板厚选450 mm, 内置直径300 mm筒芯。工程设计使用年限50年;预应力板裂缝控制等级为三级;最大裂缝宽度限值0.2 mm。

2 现浇混凝土空心楼盖结构设计与计算

对于柱支撑板在竖向均布荷载作用下, 可以采用直接设计法、拟梁法及等代框架法进行内力分析。本工程采用等代框架法进行内力分析, 纵向柱间设置1200 mm宽暗梁, 横向柱间设置1100 mm宽暗梁。

2.1 筒芯布置

根据CECS175规范要求, 筒芯布置应满足以下要求:1) 现浇混凝土空心楼板的体积空心率不宜小于25%, 也不宜大于50%;2) 筒芯顺筒肋宽与筒芯外径的比值不宜小于0.2;顺筒肋宽尺寸。钢筋混凝土楼板不应小于50 mm, 预应力混凝土楼板不应小于60 mm;3) 当筒芯沿顺筒方向间断布置时横筒肋宽不应小于50 mm;4) 板顶厚度和板底厚度宜相等, 且不应小于40mm。该工程根据实际情况大部分采用了直径300 mm, 长度1000 mm的筒芯, 局部少部分采用了直径为250 mm的筒芯, 根据具体尺寸并考虑预应力配筋的要求采取了筒芯布置方式, 体积空心率32%。

2.2 等代框架梁截面特性

根据柱距、暗梁尺寸及筒芯布置分别计算顺筒方向和横筒方向的截面特性。图1, 图2分别给出了顺筒方向和横简方向的截面示意图, 计算中符号定义同CECS175。

顺筒方向:

横筒方向:

等代框架梁应考虑柱上托板的影响, 计算等代梁的抗弯刚度和固端弯矩调整系数。

2.3 等代框架柱的转动刚度

根据CECS175中4.6.计算, 计算简图见图3。

柱的等代计算长度为:

2.4 荷载、内力及其组合

在设计中考虑以下荷载和作用:1) 楼盖上部永久荷载28.k N/m2, 楼板自重由程序自动计算;2) 均布荷载5 kN/m2;3) 人防荷载:等效静荷载60 kN/m2。采用pkpnrsatwe进行整体的内力分析, 用PREC软件计算预应力效应, 后利用其内力和变形结果, 根据现行设计规范进行设计计算。当采用人防荷载内力时, 考虑材料调整:钢筋强度综合调整系数1.7;混凝土强度综合调整系数1.5。

承载力极限状态设计时采用以下组合:1) 1.35×恒载内力+1.4×活载内力+预应力次内力;2) 1.2×恒载内力+1.0×人防内力+预应力次内力。正常使用极限状态设计采用以下组合:1) 1.0×恒载内力+1.0×活载内力+预应力次内力;2) 1.0×恒载内力+准永久值系数×活载内力+预应力次内力。

2.5 配筋设计

设计中采用强度等级为C40的混凝土;预应力筋fptk=1 860MPa;fpy=1 320 MPa的低松弛钢绞线, 张拉控制应力σcom=0.72fptk=1 339 MPa。非预应力钢筋采用HRB335级别。

楼盖中采用有粘结预应力筋, 张拉端与固定端扁锚锚具分别采用扁锚B15系列锚具, 预应力筋采用光滑连接的四段抛物线线形, 纵向集中布置在暗梁中, 横向均匀布置, 布置时考虑筒芯布置的影响, 在顺筒方向肋中隔肋布置, 并保证有两束预应力筋穿柱。

普通钢筋设计时, 将楼盖划分为柱上板带 (包括暗梁) 和跨中板带, 将等代框架梁的内力设计值按比例分配至柱上板带 (其中暗梁承受柱上板带弯矩设计值的50%) , 每个跨中板带承受两个半个跨中板带分配来的内力设计值之和。普通钢筋设计时考虑以下控制参数:

(1) 支座预应力度限值:0.75;

(2) 界限相对受压区高度:0.35;

(3) 最大综合配筋率:2.5%;

(4) 板端最小受拉钢筋配筋率:0.00075;

(5) 跨中的小受拉钢筋配筋率:0.0025。配置时考虑筒芯布置的影响, 在横筒方向和顺筒方向肋中配置构造箍筋。顺筒方向和横筒方向钢筋布置见图4, 图5。

2.6 后浇带设计

设计中考虑有粘结预应力钢筋分段张拉在轴8, 9之间和轴14, 15之间分别设置宽2 000 mm的后浇带。后浇带中预应力筋与其他处错开搁置, 并且分端张拉, 在相邻两跨分别设置预留张拉槽, 为保证开槽不与筒芯布置冲突, 将开槽位置筒芯改为直径250 mm, 上部混凝土厚125 mm, 下部混凝土厚75 mm。

3 结语

综上所述, 现浇空心楼盖的应用在保证结构刚度的同时有效地减轻了结构的自重, 预应力的应用使得超长结构的裂缝问题得到了非常有效地控制, 板柱结构使得结构间得到了有效地利用。预应力现浇空心无梁楼盖设计中涉及了预应力、板柱结构及现浇空心楼盖等内容, 设计人在设计过程中应该充分考虑到这些内容在同一项目中的作用, 在筒芯布置、预应力筋及普通钢筋的布置过程中要多方协调。现浇混凝土空心无梁楼盖技术是我国建筑结构领域的一项重大创新, 具有巨大的社会经济价值。该技术自问世的短短几年来, 已成功地应用于各类建筑工程, 实例工程遍布全国, 市场潜力巨大, 推广应用前景广阔。

摘要：目前, 空心无梁楼盖技术在国内推广很快, 但是, 由于相关人员对空心楼盖的内部结构设计还不够了解。文章在此背景下, 主要揭示了内部结构设计, 并给出计算过程。

关键词：空心无梁楼盖,顺筒,横筒

参考文献

[1]孙文奇.薄壁芯管现浇混凝土空心楼盖施工工法[J].科技创新导报, 2009, (9) .

[2]连钰荣, 丁鹏腾.薄壁箱现浇混凝土空心楼盖的施工质量控制[J].浙江建筑, 2009, (3) .

[3]陈静茹.现浇钢筋混凝土空心板无梁楼盖体系的分析研究[D].武汉理工大学, 2002.

[4]冯云.高层建筑厚板结构转换层的内力分析[D].西南交通大学, 2002.

篇3：《建筑索结构设计计算与实例精选》

关键词:结构计算电子表格Excel

中图分类号:TU31文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)03(a)-0023-02

在建筑结构设计中,结构计算是必不可少的一个重要环节,结构计算书也是结构设计的重要文件,例如在施工图审查时结构专业必须提供相应的结构计算书。虽然结构整体受力分析目前都已采用专业软件来完成,但是局部构件的受力计算、构件截面设计、其他相关的复核及计算采用手工计算还是必不可少的。

结构专业的设计规范很多,计算公式也很多,并且有些公式相当繁琐,采用纯粹的手工计算可能是相当费时的,并且也很容易出错。Excel软件是数据处理与计算的工具,其在数值分析及图表上的强大功能越来越多地应用到土木工程及相关工程领域中。运用Excel进行参数化的计算,能有效提高设计者的工作效率。

1 EXCEL简介

Excel是微软公司的办公软件Microsoft Office的组件之一,直观的界面、出色的计算功能和图表工具,使Excel成为最流行的微机数据处理软件。

下面介绍一下Excel软件中的常用概念。

Excel中的函数是预先编写的公式,可以对一个或多个值执行运算,并返回一个或多个值。函数可以简化和缩短工作表中的公式,尤其在用公式执行很长或复杂的计算时。Excel中常用的函数有:if,and,or,vlookup以及常用的数学和三角函数等。

运算符是一个标记或符号,指定表达式内执行的计算的类型。有数学、比较、逻辑和引用运算符等。

常量是不进行计算的值,因此也不会发生变化。例如,数字 210 以及文本“每季度收入”都是常量。表达式以及表达式产生的值都不是常量。

公式是Excel工作表中进行数值计算的等式。公式输入是以“=”开始的。简单的公式有加、减、乘、除等计算。例如:=2*6-4;=A9+B15;=C4/B6。

复杂一些的公式可能包含函数、引用、运算符和常量。

下面以一个简单的计算来说明公式的结构:

“=AVERAGE(A4: D19)*E8+56”

这个公式计算的是“A4: D19”单元格区域的平均值乘以“E8”单元格代表的数值再加上56的结果。

函数:“AVERAGE()”为计算平均值的函数;

引用:“A4: D19”、“E8”为单元格引用;

运算符:“*”、“+”为运算符;

常量:此例中“56”为常量。

2 实例分析

下面通过单筋截面梁配筋计算的实例来分析Excel的具体应用方法。本实例的计算公式为混凝土结构设计规范中的公式。Excel的表格设计如表1:

表中灰色单元格为用户直接输入的数据,其他数据单元格为Excel通过用户输入的公式自动计算的结果,用户通过修改灰色单元格的数据,程序会自动更新相应的其他数据。表中部分数据单元格的公式如下:

单元格C8 的公式为“=IF(E4="C40",19.1,IF(E4="C35",16.7,IF(E4="C30",14.3)))”;

单元格C12的公式为“=C11*10^6/(C9*C8*C4*E9^2)”;

单元格C13的公式为“=(1+SQRT(1-2*C12))/2”;

单元格C14的公式为“=C11*10^6/(C13*E5*E9)”;

单元格C17的公式为“=PI()*(C15/2)^2*C16”;

单元格E16的公式为“=IF(E11>E15,"不满足","满足")”;

单元格E20的公式为“=IF(E19<0.01,0.01,E19)”;

单元格E23的公式为“=C6*E21*C20*(1.9*MIN(MAX(20,E22),65)+0.08*C22/E20)/E7”。

本例题的Excel表格再经完善,可作为单筋截面梁配筋计算的结构设计计算书。有了像这样的电子表格,结构设计者就不用每次重复手写同样格式的计算书了,并且也能保证计算的数据准确无误。

3 结语

通过对Excel软件的介绍及以上实例的分析,我们发现Excel软件是简单实用的工程计算工具。它不需要结构设计者具有专业的软件编程知识,只要对Excel的基本原理有所了解,能把具体的结构计算公式转化为Excel中的公式,能把传统手写结构计算书的格式转化为电子表格的格式,就能设计出各类的Excel电子表格结构计算书。如果读者能在实际工作中能经常使用Excel作为自己的计算工具,那么它必将有效地提高你的工作效率。

参考文献

[1] 王诚君,中文Excel 2003应用教程,清华大学出版社,2005.

篇4：《建筑索结构设计计算与实例精选》

近几年来随着我国高层建筑迅速发展, 其结构体系及建筑平面布置与竖向体形也越来越复杂, 再加上去年四川汶川地震的发生, 给高层建筑结构的抗震分析和设计提出了更高的要求。作为工程抗震设计的依据, 高层建筑的抗震分析与研究处于非常重要的地位。为保证高层结构的抗震安全, 达到安全和经济的统一, 发展一些抗震设计思想与方法, 有必要对高层建筑结构抗震设计思想与方法进行探讨, 提出新的思路。

2 高层建筑抗震设计思想

国内外对建筑抗震进行了大量的研究, 抗震设计理念也有多种, 但是现在比较常用的主要有:概念设计和基于位移的抗震设计。

2.1 概念设计

概念设计是相对于数值设计而言着眼于结构的总体地震反应, 可以理解为运用人的思维和判断能力, 从宏观上决定结构设计中的基本问题。抗震概念设计是根据地震震害和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想, 进行建筑结构总体布置并确定基本抗震措施的。

高层建筑形状力求规则和简单、建筑结构尽量对称、设置防震缝及尽可能满足建筑竖向均匀性。前三种易于理解, 以下就着重介绍建筑竖向均匀性问题。

均匀性问题存在于建筑的竖向布置中, 无论是几何图形还是楼层刚度变化, 其规则匀称应该是立面设计中优先考虑的。不均匀布置会产生了刚度、强度的突变, 引起竖向的应力集中或变形集中, 以致在中小型地震中损坏, 在大震时倒塌。但是, 要使结构做到完全均匀性, 在实际设计中也有一定的困难。结合工程实际, 其均匀性问题主要表现如下:

(1) 填充墙设置的影响。

框架内的填充墙若设置不当, 地震时往往会改变结构的受力状态而产生不利影响。例如, 由于填充墙设置不当, 可使框架柱形成短柱而造成破坏。为此, 应把墙同柱分开或采用轻质墙以使框架柱连续。

(2) 抗震墙不连续。

由于建筑上的需要, 可能出现上下不连续的抗震墙, 这就产生了不均匀性。为此, 应考虑限制上下层的刚度以及连续抗震墙的间距。

(3) 同一层间的柱子刚度不同。

建筑上由于空间需要或由于艺术构思, 使得同一层间柱子的刚度差异较大, 通常在刚性较大的柱子上产生较大的内力。为此, 宜从抗震的角度重新安排结构系统, 以使刚度尽量均衡。

(4) 柔性层框架。

建筑上往往因底层需要开敞或任意层需要大的空间, 使结构处于上下不连续状况, 产生竖向刚度突变, 特别是柔性底层建筑, 在历次大地震中, 震害都很普遍甚至完全倒塌。分析研究表明, 这类构件的应力和变形集中是非常严重的, 所以在抗震设计时应力求避免, 底层应尽可能配置具有相当强韧性的构件以承受大的侧移。

竖向收进问题。竖向收进是常见的建筑处理方式, 结构上产生的问题是在凹角处应力集中。由于房屋的不同部分其振动特征不同, 所以在收进处的横隔 (楼盖或屋面板) 产生应力突变, 为此在抗震设计时, 可考虑几种处理方法:限制收进尺寸;当设置防震缝有利时, 可设缝把复杂的体型划分成若干简单、规则的独立单元, 分割后的建筑体型应是均衡的, 不致过分细高;不设缝时应进行较细致的空间动力分析;对刚度突变的构件采取加强措施。

2.2 基于位移的抗震设计

基于位移的抗震设计是一种以变形位移、层间侧移角为性能指标, 进行结构及构件的设计。在这种方法中, 位移是已知的给定输入量, 而强度和刚度则是设计的输出结果。基于位移的抗震设计方法目前大致有:

2.2.1 按延性系数设计方法

延性系数法是利用的延性和要求的延性对应结构或构件的需求延性, 即目标延性的计算方法, 将延性需求和可利用的延性作对比, 以评价结构的抗震性能并用于考虑扭转影响的延性结构基于位移的设计。衡量延性的量化设计指标最常用的是曲率延性系数和位移延性系数、二者的定义为截面构件屈服后的曲率位移与屈服曲率位移之比。设计中一般关心的是最大曲率位移延性系数, 用公式表示如下:

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式中, ΦH和ΦY分别表示塑性铰区截面的极限曲率和屈服曲率;ΔH和ΔY分别表示延性构件的极限位移和屈服位移。按延性系数设计的方法实际上是通过建立构件的位移延性系数或截面曲率延性系数与塑性铰区混凝土极限压应变的关系, 由约束箍筋来保证核心混凝土能够达到所要求的极限压应变, 从而使得构件具有要求的延性系数。

2.2.2 能力谱法

能力谱设计方法的基本思想是对己设计好的结构进行静力弹塑性分析, 将分析的结果基底剪力一顶点位移关系曲线转化成一条能力谱曲线 (加速度Sa与位移Sd关系曲线) , 同时将设计地震反应谱曲线转化成一条需求谱曲线。将这两条曲线放人同一坐标系中, 若两曲线相交, 可以求得交点 (性能点) 的位移, 此位移称为结构的目标位移。同时根据图示的方法可以直观的评价结构在给定地震作用下的性能。能力谱法计算步骤如下:

(1) 按规范进行结构承载力设计;

(2) 用静力弹塑性分析方法计算结构的基底剪力VB与顶点位移Un;

(3) 建立能力谱曲线。

对于高度不是很高、地震反应以第一振型为主的建筑结构, 可以用等效单自由度体系代替原多自由度体系分析结构。

(4) 建立需求谱曲线, 提高结构和构件的延性水平, 结构的延性一般用结构顶点的延性系数表示:

undefined

式中: Δuq—结构顶点屈服位移;

μ—结构顶点延性系数;

Δux—结构顶点弹塑性位移限制。

一般认为, 在抗震结构中结构顶点延性系数应不小于3～4。结构的顶点位移是由楼层的层间位移累积产生的, 而层间位移又是由结构构件的变形形成的。因此, 要求结构具有一定的延性就必须保证结构构件有足够大的延性, 主要抗侧力的钢筋混凝土构件的极限破坏应以构件弯曲时主筋受拉屈服破坏为主, 应避免变形性能差的混凝土首先压溃或剪切破坏, 以及钢筋锚固失效和粘结破坏。

随着经济的发展高层与超高层建筑日益增多, 特别是超限高层建筑结构的不断涌现, 结构体型复杂化, 震害对这些建筑的威胁越来越严重, 对高层建筑的抗震分析也越来越成为目前国内外的科研热点问题, 研究者也已经做出了很多成果, 然而诸如动力时程分析方法、弹塑性分析方法, 能力谱方法等弹塑性分析方法, 在其原理、假定或是应用方面都或多或少的存在着不足。具体到工程实例还要从实际出发, 制定相应的方案。以下以工程实例做扼要说明。

3 工程分析

益阳某商住楼工程为地上29层, 地下3层, 总建筑面积约6万m2, 其中地下3层为车库和设备用房:1层～3层为商场, 4层～5层为办公用房, 6层为设备转换层与空中花园。7层～29层为住宅。利用7层楼盖作为结构转换层。地面以上建筑总高度为95.4 m。该工程主体采用钢筋混凝土框架剪力墙, 柱截面为800×1200、900×1 200, 墙厚200 mm～400 mm, 板厚为裙楼110 mm、住宅100 mm、天面120 mm、转换层180 mm, 梁截面为200×400～250×600。转换层框支梁为400×1 400～500×1 600。本工程抗震设防烈度为7度, 设计地震分组属第一组, 建筑设防类别为丙类, 场地类别为Ⅱ类;抗震等级分别为:底部加强部位 (1层～8层) 剪力墙为一级, 8层以上为二级 (无翼缘或端柱的一字型短肢剪力墙为一级) , 框支框架为特一级, 6层以下普通框架为一级。根据规范本工程平面和竖向规则性指标中有四项超出规范要求, 即:

(1) 扭转不规则:

在考虑偶然偏心影响的地震作用下, 复杂高层建筑楼层竖向构件的最大水平位移不宜大于该楼层平均值的1.2倍, 且不应大于该楼层平均值的1.4倍。本工程的该项比值最大值为1.31>1.2, 属于I类扭转不规则。

(2) 凹凸不规则:

本T程塔楼结构平面最大凸出尺寸为l=17.25 m, Bmax=41.30 m, 两者之比为41.8%, 超出规范35%的限值。

(3) 楼板局部不连续:

塔楼部分楼层电梯间局部楼板最小净宽3.0 m。小于规范规定的“在扣除凹入或开洞后, 楼板在任一方向最小净宽不宜小于5 m”的要求。

(4) 竖向抗侧力构件不连续。

塔楼剪力墙通过转换梁向框支柱传递, 属Ⅱ类竖向抗侧力构件不连续。

为此, 在进行抗震设计时, 考虑到本工程在平面和竖向规则性方面个别项未能满足相关规范, 关于建筑结构规则性的要求的情况下, 根据转换层位于第6层。故在抗震构造方面有针对性地采取了如下措施:

1) 将框支柱、剪力墙的底部加强部位抗震等级提高一级。

2) 适当提高剪力墙底部加强部位水平及竖向筋的配筋率至0.5%。

3) 转换层板厚度增大至180 mm, 根据罕遇地震的板平均弹性拉应力配置板钢筋, 双层双向贯通布置, 并加强边梁的配筋及构造。

4) 塔楼楼梯间及周边楼板厚度增大至150 mm。并于适当位置设置拉梁或拉板, 加强塔楼楼梯间及周边板的配筋, 双层双向贯通布置, 并加强边梁的配筋及构造。

5) 适当提高框支柱的配筋率及配箍率, 并于轴压比较大的柱中设置芯柱。

6) 剪力墙底部加强部位。在核心筒周边设置边框架, 每两层设置1道配筋加强带 (暗梁) , 以提高剪力墙底部加强部位的延性。

4 结语

高层建筑结构抗震问题在设计中越来越受到重视, 随着结构的复杂化、功能的多样化和新型结构材料的不断出现, 传统的抗震数值计算模型在复杂高层建筑结构中存在很大的局限性, 高层建筑结构抗震设计也面临许多新的课题, 这些都需要建筑结构设计方面的技术人员去研究。综上所述, 在工作实践中还应该注意以下几条原则:

(1) 结构抗震设计方案要根据建筑使用功能、房屋高度、地理环境、施工技术条件和材料供应情况、有无抗震设防来选择合理的结构类型。

(2) 注意风荷载、地震作用及竖向荷载的传递途径。

(3) 把握结构破坏的机制和过程, 以加强结构的关键部位和薄弱环节。

(4) 把握建筑结构的整体性、承载力和刚度在平面内及沿高度均匀分布, 避免突变和应力集中。

(5) 注意非结构件对主体结构抗震产生的有利和不利影响, 要协调布置, 并保证与主体结构连接构造的可靠等。

摘要：复杂高层建筑结构的抗震设计是结构总体设计的重要部分, 要保证其安全性与经济性就必须采用先进的结构分析与设计方法。本文结合工作实践, 阐述了高层建筑结构抗震设计思想及其相应的方法, 在现代高层建筑各不相同的基础上, 通过工程实例, 说明了在高层建筑结构抗震设计中要“具体问题具体分析”。

关键词：高层建筑,抗震,设计思想,实例分析

参考文献

[1]中华人民共和国建设部.一级注册结构工程师必备规范汇编[M].北京:中国建筑工业出版社, 2004.

[2]谢礼立, 马玉宏.基于抗震性态的设防标准研究[J].地震学报, 2002, (2)

篇5：《建筑索结构设计计算与实例精选》

笔者对汶川和玉树地震中大量受损建筑物的震害特征进行了分析, 总结归纳了不同结构类型建筑物的破坏形态和倒塌模式, 结合俄罗斯紧急状态部179救援训练基地设施情况, 从实战救援的角度, 提出了地震及建筑倒塌废墟搜救的功能设计思路和实战需求。

1常见建筑物结构类型与震害特征

不同类型的建筑结构在不同的烈度区域受到的地震破坏程度不同, 其震害表现也较为多样。一方面缘于建筑物在强震作用下经历了复杂的受力过程;另一方面, 缘于建筑物本身的结构类型、建筑质量、使用期限、抗震设防能力等情况的差异。整体倒塌或部分倒塌的建筑废墟往往是救援队伍利用搜救犬和生命探测设备进行人员搜寻的重要区域对象, 而倒塌建筑的构件和建筑内的障碍物则是救援队伍利用装备开展破拆、顶撑、起吊等作业的主要单体对象。掌握不同结构建筑的倒塌特征和构件的损毁特点, 对于进行人员生命迹象搜索、被困人员定位、现场安全评估以及构建救生通道具有十分重要的作用。笔者重点对汶川和玉树地震中砖 (土) 木结构、砖混结构、框架结构和轻钢结构等四类建筑的震害特征进行分析, 归纳上述四类建筑的主要损毁构件及其特点, 以此为构建模拟训练设施提供设计思路和技术支撑。

1.1 砖 (土) 木结构

砖 (土) 木结构建筑主要包括砖木结构、土木结构等建筑, 多为农村自建房屋, 一般为单层建筑, 结构形式比较多样, 未经抗震设防, 抗震能力较弱。该类建筑在汶川、玉树地震重灾区震害十分严重, 倒塌现象普遍, 如图1、2所示。

砖 (木) 结构建筑主要受损位置为墙体和屋顶。常见的损毁构件是横墙、纵墙、挑檐、梁与檩等。主要震害表现为:墙体产生交叉裂缝, 门窗过梁上部砌体开裂, 窗间墙折断;纵墙和横墙连接部位开裂、倒塌, 造成屋架塌落;檩条从墙体拔出, 造成屋顶倾斜、塌落;屋顶过重, 屋顶与墙体连结处折断, 梁与檩滑脱, 屋顶塌落、梭瓦。

1.2 砖混结构

砖混结构建筑物在我国较为普遍, 多为城镇的住宅楼、教学楼、办公楼以及小型厂房等建筑。在砖混结构中, 以大开间、大开窗、外走廊等建筑形式的震害最为严重, 这些结构形式的建筑在重灾区普遍发生了严重破坏或整体倒塌, 如图3、4所示。

砖混结构建筑的主要受损位置为墙体及墙体与其他构件的连接部位。常见的损毁构件是横墙、纵墙、楼板、楼梯和屋顶等。主要震害表现为:横墙、纵墙出现斜向或交叉“X”裂缝、倒塌;外墙出现严重酥裂、外鼓、倒塌;楼梯间、楼板和墙体之间出现裂缝、塌落;出现局部倒塌或整体倒塌的情况。

1.3 框架结构

框架结构建筑形式多样, 主要包括框架-砌体混合结构、框架-剪力墙结构等建筑。由于框架结构本身具有较好的抗震性, 因此, 大多数框架结构的主体结构震害较轻, 一般在低烈度区内受到的破坏较小, 在烈度X度区以下也很少见到框架结构倒塌的情况。但在重灾区的极震区, 如汶川8.0级特大地震中, 北川县城等XI度高烈度区框架结构严重破坏和倒塌比例较高, 如图5、6所示。

框架结构建筑的主要受损位置为门窗洞口斜角, 填充墙与框架之间, 柱头、柱脚、梁柱交接处, 楼板间、楼梯间等。常见的损毁构件是填充墙、梁、柱、楼板、楼梯横梁等。主要震害表现为:门窗洞口斜角部砌体粉碎;填充墙与框架之间墙体裂缝、倒塌;框架弯曲变形、剪切裂缝;梁、柱混凝土破碎、掉块, 钢筋外露、压曲;梁、柱破坏严重、倾斜、酥裂、倒塌;楼梯与主框架因变形不协调在连接部位裂开、拉断;在强震区因地基失效或设计施工中明显差错, 导致框架房屋倒塌。

1.4 轻钢结构

轻钢结构建筑自重较轻且强度较大, 抗震能力相对较强, 震害较轻。该类建筑多为仓储用房、大跨度厂房以及体育馆等建筑。在汶川地震中, 由于灾区的不少厂房及仓储用房的跨度较大、屋架较重、柱间连接较弱, 加上年久失修等原因, 所以垮塌也相对较多, 如图7所示。

轻钢结构主要受损构件为主体支座、柱间支撑连接节点和钢梁。震害主要表现为:柱间支撑连接被拉断, 屋架或组合楼板变形坍塌;节点连接破坏, 钢梁、柱扭曲变形倒塌;地脚螺栓拔出破坏;围护墙倒塌破碎等。

此外, 城市供气、供水、供油、供电等生命线工程以及石油化工企业中输送危险物料管道、装置在震后也极易造成损坏, 甚至导致火灾、爆炸、危险化学品泄漏等次生灾害发生。如:1923年日本关东地震和1995年阪神大地

震就是地震导致的火灾发生。由于该类场所和设施不具有建筑结构的共有特性, 所以笔者未进行分析和讨论。建议该类场所和设施的人员搜救模拟训练设施建设可参照管道及狭小空间训练设施建设模式, 次生灾害的模拟训练设施建设可参照火灾扑救、排爆、危险化学品堵漏、潜水等专业性训练设施建设模式, 如火幕墙训练设施、危险化学品堵漏训练设施、烟热训练室、潜水训练池等。

2模拟训练设施设计原则与实战需求

2.1 设计原则

根据震后不同结构建筑的倒塌特征和构件的损毁特点, 设计震后建筑倒塌的废墟形态和被困人员的生存空间, 还原地震灾害模拟救援现场环境, 是地震及建筑物倒塌模拟训练设施建设的最终目标。

地震及建筑物倒塌模拟训练设施可根据不同结构建筑分类建设砖 (土) 木结构、砖混结构、框架结构和轻钢结构等一定数量和规模的建筑废墟, 根据实战训练科目要求设置钢筋混凝土、梁、架、柱、楼板、砖石等一定数量和种类的障碍物, 以及监控摄像头、观测孔和报警装置等确保训练安全的控制设施。

一般建筑倒塌事故模拟训练场所的面积不应小于300 m2, 建筑残垣不宜低于3层普通建筑物, 具备层叠式倒塌、倾斜倒塌、“A”形倒塌、“V”形倒塌、90°倒塌等局部倒塌或完全倒塌模式, 并且在非承重部位设置楼板、柱、梁、墙体等各种类型的障碍物, 在人员被困空间填充废旧家具、家电、管道、灯具等室内常见物品, 形成各种受损建筑构件及室内障碍物杂乱、缠绕和相互挤压的形式, 以增加搜救和破拆难度。此外, 训练场前沿应设置足够宽度的消防车道或空地, 以停靠重型抢险救援车辆以及举高车辆。建设中还应结合本地需求, 统筹考虑建设规模、经济性、复杂性、逼真度、层次感, 既可以设计成区域性的综合性训练场区, 也可以建设为具有特定功能的单个训练设施;既可以是地上单层建筑废墟或多层建筑废墟, 也可以是地下、水窖以及石油化工厂区等特殊场所废墟。

地震及建筑物倒塌模拟训练设施建设的前提是安全性, 关键是仿真, 灵魂是便于训练, 只有将三者紧密结合, 才能设计真实、完美的模拟训练设施, 真正体现从难、从严和科学施救的内涵。同时, 设计和建设中还要确保模拟训练设施的可维护性、训练的可重复性。譬如, 在不改变建筑设施结构的前提下, 可以对楼板、钢筋混凝土块、横梁、木柱、铁丝网、门窗等震后建筑物主要易损毁构件重复更换, 并根据不同层次受训人员和不同训练阶段的要求, 随机设置障碍物种类及建筑废墟空间大小, 以调整搜救难度。此外, 模拟训练设施建设还要处理好临时性与永久性的关系 (如临时搭建的构筑物与永久性固定训练设施) 、单一性与多样性的关系 (如专门的搜索训练和搜救一体化综合训练) 、单体设施和区域设施的关系等。

2.2 训练科目需求

地震及建筑倒塌搜救的常见训练科目可分为体能训练、技战术训练和综合实战演练三类。

体能训练包括基础体能训练和专项体能训练。基础体能训练重点是训练消防员的速度、力量、柔韧等基本运动素质, 提高其各个器官的机能, 并使其身体得到均衡发展, 以适应地震灾区现场生存和实战救援等多方面需要;专项体能训练重在提高消防官兵在地震救援现场某一特定的运动技能, 如攀岩训练、高空绳索救援训练等。

技战术训练主要是针对地震及建筑倒塌废墟中人员搜救的相关技术、战术训练。包括人工搜索训练、仪器搜索训练、搜救犬搜索训练等, 以及建筑废墟安全性评估训练、楼板或墙体等障碍物的顶撑、开凿、切割训练, 烟雾或火灾环境下救援训练, 有毒有害环境下救援训练, 夜间照明状态下救援训练, 管道、坑道以及狭小空间的救援训练, 废墟上行走及伤病员输送训练, 大型救援和清障车辆操作及应用训练, 等等。

综合实战演练是模拟特大地震发生后, 建筑倒塌、火灾、爆炸、危险化学品泄漏、交通事故、空难、水难等多种灾害交叉发生情况下, 需要多种力量联动作战、协同救援等综合性的演练, 是对地震搜救中救援人员的体能训练、技战术训练等受训内容的综合反映。

3地震及建筑倒塌模拟训练设施建设实例分析

目前, 美国、俄罗斯、日本、瑞士、德国、法国、韩国、新加坡等国家建立了具有一定规模的地震救援训练基地。我国地震系统也在北京建立了国家地震救援训练基地。

2009年3月和5月, 笔者曾先后两次赴俄罗斯参加上海合作组织救灾部门专家会议和“2009 上合组织-博戈罗茨克”联合救灾演习, 实地考察了俄罗斯紧急状态部179救援训练基地。该基地建有空难救援、水难救援、列车事故救援、高层建筑火灾扑救、石油化工火灾扑救、森林火灾扑救、地震及建筑倒塌废墟搜救等多种灾害事故的模拟训练设施, 是目前世界上规模较大、训练设施种类较齐全的基地。其中, 仅地震及建筑倒塌废墟模拟训练设施就有近20座, 笔者仅对具有代表性的搜救综合训练场 (1号训练场) 、搜救单项训练设施 (4号训练场) 、石化场所建筑倒塌综合训练楼进行重点分析。

3.1 搜救综合训练场 (1号训练场)

搜救综合训练场由钢筋混凝土梁、柱、楼板、砖石等搭建而成, 模拟钢砼多层建筑倒塌、房梁楼梯断裂、墙体开裂等各种整体、局部破坏形式和因建筑倒塌造成的人员被困、埋压现场。该设施建有四层, 其中地下一层为管道及狭小空间搜救区域, 地上三层为废墟搜救及高空救生训练区。可以开展人工搜索训练、仪器搜索训练、搜救

犬搜索训练等各种搜索训练, 以及障碍物开凿、切割训练等, 见图8所示。

笔者重点分析地下一层管道及狭小空间搜救区域。该区域长24 m, 宽19 m, 高1.8 m, 建筑面积为456 m2, 划分为4个作业区域, 通过灵活设置障碍物形状、改变破拆点位置, 形成192个受限作业空间, 见图9所示。每个受限作业空间尺寸长1.5 m, 宽1.5 m, 高度0.7～1.8 m不等。受限作业空间通过大型和小型障碍物相连, 构成整个训练场, 类似于充满障碍物的迷宫隧道。在受限作业空间中分别设置通道、死胡同和待救人员等类型。其总体结构, 如图10、11所示。

障碍物设置采用“抽屉原理” (形状类似于“小铡刀”) , 将相互连通的区域分割开, 见图12、13。根据障碍物尺寸分为大、小两种规格。大型障碍物尺寸为180 cm×85 cm, 只能在规定范围内开展破拆作业;小型障碍物尺寸为80 cm×85 cm, 在滑槽范围内的区域都可以破拆。

在大型障碍物上设有圆形和方型两种可供破拆区域, 破拆区域的位置通常分为上、中、下三种, 在障碍物上只能在规定的区域内破拆, 如图14所示。在训练设施入口处通常设置大型障碍物, 在大型障碍物的后面通常救援空间较大。

小型障碍物通常设置比较低, 破拆区域相对较大, 在滑槽范围内的区域都可以破拆, 通常采用钢筋栅格、木条、水泥板、钢筋木板合成体等为障碍物, 如图15所示。在障碍物后面通常采用与滑槽尺寸相当的通道与之相连。该区域采用6种类型障碍物, 分别为水泥板、圆木、钢筋、砖墙、钢制旋转门和油桶。

3.2 搜救单项训练设施 (4号训练场)

4号训练场是单体建筑废墟模拟训练设施, 属半地下水窖式建筑废墟, 可以开展建筑构件开凿、顶撑、切割等基本训练, 是我国消防应急救援队赴俄参加实战训练时现场行动协调中心 (OSOCC) 指定的搜救场所设置, 见图16～18所示。废墟长12 m, 宽7 m, 高3 m。设置有圆木 (直径约120 mm) 、钢筋网 (直径约20 mm) 、钢筋混凝土板 (厚度约50 mm) 、砖墙等四道障碍板 (结构和设置原理同上) , 每个障碍板尺寸为180 cm×220 cm, 并在相应作业区埋压了三名被困人员和两名遇难人员尸体。与其他单体建筑废墟不同的是, 该建筑废墟前面设有一个12 m2左右的水塘, 水深1.0～1.6 m不等, 要进入废墟内部搜救人员, 首先要通过该水塘。

3.3 石化场所建筑倒塌综合训练楼

石化场所建筑倒塌综合训练楼为三层建筑废墟, 三层楼顶设置高空绳索救援装置。根据石化企业的特点, 一层废墟裙楼设置了大量的管道、竖井、反应釜、压力容器等模拟训练装置, 可以开展仪器搜索、搜救犬搜索、管道及狭小空间救援、墙体和楼板开凿、高空救援 (索降、高空输送伤员) 、竖井救援、楼板牵拉固定、地震次生灾害处置 (如危险化学品泄漏、火灾、爆炸) 等多科目的训练, 如图19～23所示。

4结束语

地震是破坏力极强的自然灾害, 给人类社会带来巨大的灾难。在应对地震灾害方面, 主要有地震预报、结构抗震和震后救援三个方面。目前, 世界上地震预报总体上水平不是很高。在结构抗震方面, 不能一味追求提高建筑物的抗震设防标准。但可以通过加强地震应急救援工作, 及时救助被困人员和伤员, 最大限度地减轻地震灾害造成的人员伤亡和财产损失。经过训练的专业救援人员在地震现场的搜救效率比未经过训练的人员要高很多。因此, 必须要加强地震及建筑倒塌模拟训练设施建设, 广泛开展专业化搜救训练, 一旦发生地震灾害, 能够确保顺利完成应急救援任务。

摘要：分析汶川和玉树地震中受损建筑物的震害特征, 从实战救援的角度总结归纳砖 (土) 木结构、砖混结构、框架结构和轻钢结构等四类不同结构类型建筑物的破坏形态和倒塌模式。介绍模拟训练设施设计原则与实战需求。对俄罗斯紧急状态部179救援训练基地的搜救综合训练场、搜救单项训练设施 (4号训练场) 、石化场所建筑倒塌综合训练楼进行重点分析。

关键词：地震,建筑倒塌,搜救,模拟训练设施

参考文献

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[3]李红培, 孙鸿玲, 张鹏.汶川地震房屋建筑破坏分析与建筑抗震问题探讨[J].四川大学学报 (工程科学版) , 2009, 41 (5) :130-134.

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篇6：空间结构斜拉索计算方法的研究

索[1]是钢拉杆和斜拉索的统称,是一种柔性结构,是斜拉构件中主要构件,起着改善受力状态、调整内力分布和控制结构位移等重要作用。斜拉索不可受压,否则失稳失效,尤其在遇到动荷载的时候,容易失稳。

2 斜拉索抛物线理论[2]

斜拉索在自重的影响下,变形成为悬链线而不是直线,这种现象称为垂度效应,此时斜拉索变形和斜拉力不成正比,是属于几何非线性效应,且垂度大小与拉索的拉力、索的长度和自重有关。

“抛物线”理论研究就垂度效应做了详细的研究,其对索的假定如下:

(1)索是理想柔性的,只能承受拉力,不能承受压力和弯矩;

(2)索是线弹性材料,符合虎克定理;

(3)索是小应变。

假定一根悬索承受两个方向任意分布荷载,设为qy(x)和qx(x),建立坐标系,索曲线形状可由y=y(x)来表示。T、H、V分别是索的切向拉力、水平分量、竖直分量,设索与水平方向夹角为θ,则V=Tsinθ,H=Tcosθ,V=Htanθ=Hdy/dx;取索中一小段单元为任意微分单元,计算得静力平衡方程可得抛物线方程是:

式中:h——支座处高度;l——索跨度。

从(1)可看出,当索长不同时,在均布荷载q作用下将形成具有不同垂度的抛物线,具有不同的H值,若是H能确定,则抛物线就确定下来。

3 斜拉索的悬链线理论[3]

当自重竖向荷载沿索长均匀分布时,则自重竖向荷载为常数设为q0,根据上节推导,由于水平荷载不变,得悬链线平衡方程:

4 参数的对比分析

斜拉索的非线性主要是垂度效应引起的,而垂度效应受到索拉力、自重和索长度影响,因此需要分析索拉力——垂度、位移——垂度之间的关系。

(1)拉力——垂度的关系

索拉力表达式为:T=H姨1+(dy/dx)2,最大垂度则由tanθ=dy/dx=h/l算出,可知最大垂度时,索拉力为

由上述两个公式可看出,在h不变,l增加时,索最大垂度处的索拉力与水平分量的比值逐渐减小;但若索拉力不变,则水平拉力增大,竖向分力减小,说明屋盖梁受到的水平压力增加,拉索承受竖向荷载的能力减弱,那么斜拉索对梁产生的位移贡献减弱;可知拉力不变时,索长度的水平分量越大,索的竖向作用越小。

(2)位移——垂度的关系

(3)将抛物线理论和不考虑自重影响的悬链线理论对比可发现,当dy/dx≈0时,则得到(2),即抛物线方程转为悬链线方程。

参考文献