抗震设计中的“概念设计”

2022-09-12

一个结构的设计过程应由“计算设计”和“概念设计”两个方面完成。

所谓的“计算设计”就是利用结构力学原理和钢筋混凝土基本假定的模式, 对结构进行简化计算, 其设计中存在的差异, 很难有效的控制结构的抗震性能。

所谓“概念设计”, 就是进行结构抗震设计时, 着眼于结构的总体地震反应, 按照结构的破坏机制和破坏过程, 灵活运用抗震设计准则, 全面地合理解决结构设计中的基本问题, 既注意总体布置的大原则, 又顾及到关键部位的细节, 从根本上提高结构的抗震能力。

良好的“概念设计”是结构抗震性能的决定因素。

下面举例说明概念设计在工程设计当中的重要性。某一车辆段锅炉房, 四台六吨炉, 建筑面积1600m2, 内设锅炉间, 除尘间, 出渣间, 输煤廊, 软水泵间, 热交换问, 除氧问及更衣室等一些附属房间。一层平面布置见附图, 在此建筑结构设计中, 概念设计起了主导作用。

在结构的总体选型上, 根据锅炉房平面布局复杂, 所要求的各房间开间宽, 进深长, 层高高, 所受荷载大的特点, 决定采用抗震性能好, 承受荷载大的现浇钢筋混凝土框架结构。在结构单元的划分上, 划分为一个非规则框架单元和一个三层规则框架单元, 之间设抗震缝。这样就把一个复杂的结构相对简单了, 便于各部分结构单元分别分析计算、构造配筋。在非规则框架单元内, 结构体型不规则, 立面上高低错落比较严重, 这样不利于抗震, 往往会造成比较严重的震害。因此, 这部分框架配筋在计算的基础上须加大, 并且注重构造配筋, 提高其框架的抗震能力。在两框架单元的设计中, 也着重进行了框架薄弱层 (部位) 的变形验算, 以防强度本身虽满足设计地震作用下的要求, 却比相邻部位要弱得多的薄弱部位出现。在框架的设计中, 着重加强了强柱弱梁, 强剪弱弯的概念设计, 形成在梁端出现塑性铰的总体机制。在框架的节点处理上, 也加大了节点核心区的箍筋配置, 并且要求施工中保证核心区混凝土的浇注。可见概念设计是保证建筑物结构设计的重要基础。

总之, 在工程的设计当中, 我们要在充分理解概念设计的基础上运用概念设计。为此我们须着重注意以下几个方面。

1 选择良好的结构布置方案, 使结构刚度分布合理

一个结构的设计过程, 选择结构的布置方案是设计过程首先进行的步骤, 也是头等重要的步骤。一个好的结构抗震体系, 应当是结构受力明确, 传力合理, 结构的刚度、强度在同一楼层和沿房屋高度分布尽量均匀。结构在大震下已无强度安全储备, 结构的变形能力是结构抵抗地震作用的决定因素。因此, 设计者在设计时, 应避免结构的刚度在同一楼层或楼层间有较大突变, 形成薄弱层 (部位) 至使结构在地震作用时, 由于塑性内力重分布导致薄弱层 (部位) 塑性变形集中, 在其它构件承载能力尚未充分发挥之前, 由于薄弱层 (部位) 构件破坏, 导致整个结构破坏。

2 遵守强柱弱梁的原则, 满足“大震不倒”的第三水准设防要求

(1) 在框架结构抗震计算时, 人为地将梁的固端负弯矩进行适当调幅, 以便在地震作用时, 保证梁端塑性铰的出现, 并尽可能早地出现。

(2) 框架梁的下部钢筋。由于上部荷载较大, 以及其固端负弯矩的调幅, 一般来说钢筋很多。如果将梁下部的钢筋全部铆入框架中, 就很难在地震作用下, 使其达到屈服状态。因此需将计算或构造不需要的钢筋截断, 而不将其铆入柱中。

(3) 应加强底层设计的可靠度, 有意识地提高底层柱的抗剪、抗弯能力。

3 延性设计的原则

结构的延性是结构抗震设计中一个很重要的概念。结构的延性一般用延性系数来表示, 它表示结构极限变形与屈服变形的比值。其值越大, 则结构的延性越好, 在地震作用下结构已无强度安全储备, 结构的抗震性能主要决定于结构的变形能力。因此。一个结构的变形能力越大, 在地震作用时, 就能更好地消耗地震能量, 保证结构的可靠度。钢筋混凝土结构是由各种钢筋混凝土构件组成, 组成结构的各构件延性越大, 整个结构的延性就越好。

(1) 框架梁。

(1) 严格控制梁的配筋率。钢筋混凝土的破坏分为受拉钢筋达到屈服状态的延性破坏, 和混凝土先被压碎或剪切破坏等脆性破坏两种形式。设计者应按计算或构造选取适宜的配筋率, 避免出现梁受拉钢筋过多或出现超筋现象, 使结构发生脆性破坏。应选取适宜的梁断面尺寸。严格控制梁截面相对受压区高度。规范规定:对于一级抗震, 相对受压高度不大于0.25, 二三级抗震不大于0.35, 且受拉钢筋最大配筋率不大于2.5%。

(2) 梁受压区适量配置受压钢筋, 可提高梁的延性。

(3) 用高标号混凝土和中低钢筋, 对延性有利。

(4) T形截面梁比矩形截面梁的延性好。因为T形截面梁的受压面积较大, 使梁的屈服首先发生在钢筋上。

(5) 加密箍筋, 可以提高箍筋对混凝土的约束力, 避免梁的纵向受压钢筋产生弯曲, 从而提高梁的延性。同时还可以提高梁的抗剪强度防止剪切脆性破坏的产生。

(2) 框架。

(1) 严格控制柱的轴压比 (该条在后面将阐述, 这里不详述) 。

(2) 尽量避免采用短柱, 因为短柱的破坏是脆性破坏。

(3) 柱应设计成大偏心受拉的延性破坏, 避免出现混凝土被压碎的小偏心脆破坏。

(4) 加密柱箍筋, 采用复合箍, 都可以提高对混凝土的约束力, 防止柱受钢筋被压曲, 从而提高柱的延性。

(5) 采用高标号的混凝土和中低级别的钢筋。