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建筑防震设计

/shock-proof design/
条目作者李娜

李娜

最后更新 2022-12-23
浏览 149
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在建筑设计中为避免或减轻地震对建筑物的损害所采取的一系列工程技术性防御措施。

英文名称
shock-proof design
所属学科
人居环境科学-建筑学

防震设计主要是抗震设计。抗震设计是以“抗”为主,是利用结构构件本身的强度、刚度、延性来抵抗地震作用,通过结构构件自身的塑性变形(塑性铰)吸收和耗散地震能量,防止建筑物倒塌。还有一种是以“减”为主,又称减震设计,是在结构承力构件中布置消能部件,其作用一是通过消能部件的塑性变形增加阻尼,吸收及耗减地震能量,防止主体结构破坏,达到降低结构地震作用的目的;二是起到结构中的“保险丝”作用,牺牲自身保护主体结构,震后只需更换损坏的部件,不影响房屋继续使用。消能器分为速度型和位移型、主动型和被动型。消能器有黏弹性消能器、黏滞消能器、金属屈服型消能器、电流变消能器、磁流变消能器等。在一个结构中减震和抗震可以同时使用,也可以单独应用。

抗震设防水准是基于地震的不确定性(随机性、复杂性、偶联性),在抗震设计中通常以地震重现期作为设防水准的依据。地震重现期也称回归期,用于说明地震发生的概率,回归期越长,地震发生的概率越低。设防水准以50年基准期内发生地震概率为63.5%、10%、2%,分为多遇地震(小震)、基本设防烈度地震(中震)、罕遇地震(大震)3个水准,对应重现期为50.8年、475年、2475年。各国规范对设防水准规定不太一样,中国抗震规范、规定上述3个水准。日本的建筑标准法规BSL规定了两个水准,第一水准为中等强度地震(重现期475年),第二水准为强烈地震(重现期2500年),相当于中国规范的中、大震水准。美国UBC94,新西兰NZS4203,欧洲Eurocodes8均采用单一的设防水准(重现期475年),相当于中国规范中震水准。

抗震设防目标是建筑结构抗御地震破坏的准则和技术目标。它是在综合考虑地震环境、建设工程的重要程度、允许的风险水平及要达到的安全目标和国家经济承受能力等因素的基础上确定的。中国的抗震设防目标,简单地说就是小震不坏,中震可修,大震不倒。小震不坏指在多遇小震作用下,结构处于弹性阶段,不破坏。中震可修指在基本设防烈度地震作用下,结构进入弹塑性阶段,出现少量损坏,一般维修后可继续使用。大震不倒指在罕遇大震作用下,允许结构构件严重破坏,但结构主体完整,裂而不倒。

抗震概念设计是根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想。工程师运用结构破坏理论的概念、力学概念及由震害总结出的经验,在方案设计阶段,预先对建筑进行分析判断并提出的抗震概念设计方案。概念设计是结构抗震设计的重要内容,是工程师对结构抗震的总体部署思路,包括结构选型、构件布置、关键部位细部构造等。抗震概念设计总体原则应符合下列要求:①建筑场地应选择在对抗震有利的地段。避开主地震带,对抗震不利的地基要采取措施进行加固处理。②选择技术先进、经济合理的抗震结构体系。力求建筑体型规则,质量及刚度分布均匀,宜有多道抗震防线,避免因部分结构破坏导致整个体系丧失抗震能力和承重能力。③加强结构整体性并使结构构件和连接部分具有一定的延性。④对于地震时易脱落的建筑装饰物、女儿墙及挑檐等构件,要加强其与结构之间的锚拉措施。⑤设计中提出的材料强度及施工措施等要保证施工质量的要求。

抗震结构设计方法包括承载力设计和延性设计两部分。承载力设计是按照预定的设防目标选取地震参数,对概念设计方案进行力学计算分析,通过分析验证结构方案,调整结构的抗侧力构件刚度和强度,以期满足安全需求。延性设计简单地说就是抗震措施,是依据建筑抗震概念设计原则和震害总结出的经验,对结构和非结构构件采取的一些细部调整,也是对结构计算的补充和针对性的加强措施,是保证结构主要受力构件在遭遇中、大震时,承载能力有一定的赘余度。譬如,框架结构中的“强柱弱梁”“强剪弱弯”“强节点弱杆件”理念,就是从抗震设计角度提出的抗震措施。通过调整构件内力,控制结构塑性铰出现的位置,形成良好的屈服机制,用以提高结构的延性,防止在遭遇强烈地震时,不因部分构件破坏引起倒塌,实现大震不倒的目的。再譬如,砌体结构中的“圈梁”“构造柱”设置。砌体结构本身是脆性材料,延性差,人工砌筑房屋整体性差,历次震害砌体结构倒塌,大多是由于承重墙开裂后散落,墙体丧失竖向承载能力的结果。为增强砌体结构整体性,加强砌体结构延性,采用设置“圈梁”“构造柱”措施,在墙体周边设置构造柱同各楼层圈梁结合,给墙体以约束,形成捆绑作用。约束后墙体裂而不散,以保证结构在强烈地震后仍保持整体,并能继续承受竖向荷载,房屋不致倒塌。这种套箍作用在地震中已经被验证。

随着技术的发展,出现了一种新形式的防震体系基础隔震体系。即以“隔”为主,通过在建筑物基础与上部结构层之间设置由建筑隔震器组成的建筑隔震层,隔离地震能量向上部结构的传递,隔震层的平动变形吸收及消耗地震能量,减少输入上部结构的地震能量,降低上部结构的地震作用,达到预期的建筑抗震作用。建筑隔震设计一般可使结构的水平地震作用降低60%左右,减轻结构构件和非结构构件的地震损坏,提高建筑物及其内部设施、人员在地震时的安全性,维持震后建筑物继续使用的能力。隔震器具有能支撑建筑物本体重量,还能在水平方向自由变形的能力,建筑隔震器类型有橡胶隔震支座、弹性花瓣隔震支座、摩擦摆隔震支座、弹簧隔震支座等。隔振设计在日本应用较多,在中国也有应用实例,主要应用在高烈度区和一些地震不能中断的城市生命线工程中。

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