谈建筑结构抗震设计及加固的研究-建筑设计论文发表

谈建筑结构抗震设计及加固的研究
武刚
摘要:目前，5.12汶川大地震的灾后重建工作已经紧张展开。由此得出的抗震设计和加固的研究也在紧锣密布地开展。做好建筑结构的合理布置和采取必要的抗震构造措施，是做好抗震设计的非常必要的前提条件。结构的合理化，必要的抗震技术和构造措施，是使我们减轻震害的最根本最有效的措施。
关键词：抗震；结构设计；加固
一、建筑结构性能抗震设计
（一）基于性能的抗震设计含义
　　基于结构性能的抗震设计理论是以结构抗震性能分析为基础,根据设防水准的不同,将结构的抗震性能划分为不同的等级,设计者可根据业主的要求,采用合理的抗震性能目标和合理的结构措施进行抗震设计。除了抗震设计方法,基于性能的抗震设计理论还包括目标性能的确定,它是整个设计的基础和关键,主要包括以下三个方面:
1.地震设防水准
在设计基准期内,定义一组参照的地震风险和相应的设计水平,是基于性能设计理论的一个重要目标。基于性能的设计理论应追求能控制结构可能发生的所有地震波谱的破坏水准,为此,需要根据不同重现期选择所有可能发生的对应于不同等级的地震动参数的波谱,这些具体的地震动参数称为地震设防水准,分为常遇、偶遇、罕遇和稀遇地震,并给出了其重现期和超越概率。
2.结构的性能水平及其量化指标
结构的抗震性能水平表示结构在特定的某一地震水准下一种有限程度的破坏,包括结构和非结构构件破坏以及因它们破坏引起的后果,主要用结构易损性、结构功能性和人员安全性来表达。按照不同的地震动水平,结构的性能水准可分为四级,即功能完好、功能连续、控制破坏与损失、保证安全。其中,简化的三级性能水准,即可继续使用、修复后可再使用、保证安全。
3.抗震设计的目标性能
结构的抗震设计的目标性能是针对某一地震设防水准而期望达到的抗震性能等级,抗震设计目标性能的建立需要综合考虑场地特征、结构功能与重要性、投资与效益、震后损失与恢复重建、潜在的历史或文化价值、社会效益及业主的承受能力等诸多因素。我国抗震规范的目标性能实际是:小震不坏,中震可修,大震不倒。
（二）抗震设计的常见问题
1.建筑体形
由于建筑地形的限制,或为了形成街景,业主常要求设计单位在建筑体形上赋予变化,以求美化。主要表现在:a.建筑平面因地势需要设计转折;b.结构平面凹凸不规则,有的凸出或凹进的尺寸大于相应尺寸的30%;c.上部砌体总层数不一致,有的层面差达到两层甚至以上;d.楼板局部不连续或刚度突变,出现楼板错层,或楼板开洞率太大,有效楼板面积不足结构典型平面的50%;e.为了满足下部大空间的利用,下部框架投影面积大大超过上部砖房面积,质量出现较大偏心,使结构出现较大的不规则扭转;f.楼层之间大刚度和承载力变化明显,变化率超过20%～30%以上。
2.框架结构
框架的设计问题出现的形式多样:a.框架柱网不规则,开间不均匀;b.底部框架梁跨度太大,曾出现9m的跨度,必然导致“强梁弱柱”;c.框架梁柱截面偏小,表现为“剪压比”和“轴压比”超标;d.梁、柱的纵向配筋率和体积配筋率小于抗震要求;e.起转换作用的楼面的次梁设置不合理,有的偏少,有的不便于施工。
3.抗震墙
底框结构没有按要求设置抗震墙，追求经济效益,减少抗震墙数量；强调空间功能分布,抗震墙分布不对称、不均匀；有的工程抗震墙布置过多,使薄弱层上移,由于多层砌体房屋结构变形、耗能能力差,地震时破坏往往更加严重；剪力墙没有注明抗震等级。
二、抗震概念设计的重要性
大量的震害表明,结构抗震性能的决定因素是良好的“概念设计”。概念设计的目的就在于合理地选择结构形式,并通过构造措施来满足“大震不倒”的要求。设计师在提高抗震设计意识和水平的同时,建筑方案的选择不受业主的干扰,避免建筑的形状、尺寸、布局等表现出明显的抗震缺陷;结构方案更不能受业主的经济观念和使用功能的影响,降低下部结构的延性,使抗震墙的数量、形式、布置严重不合理,包括构件的构造措施不力等。
三、我国建筑抗震加固发展的过程
抗震鉴定的结论是抗震加固的目标和依据，抗震加固是抗震鉴定延续。回顾过去.我国建筑结构的抗震鉴定及加固经历了试点起步、蓬勃发展到综合开发的三个阶段。
第一阶段，大致由1966年邢台地震开始到1976年唐山地震，是抗震鉴定及加固的试点起步阶段。这个阶段的主要特点是：探索抗震鉴定及加固的基本技术和管理方法，在实践中证明了抗震鉴定及加固的必要性和有效性。
第二阶段，自1976年唐山大地震后至1989年基于概率可靠度理论的国家标准《建筑抗震设计规范》(GBJ 111.89)正式发布，是抗震鉴定及加固蓬勃发展阶段。这个阶段的这种主要特点是：建立了抗震鉴定及加同的基本管理体制，制定了主要着眼于安全的《工业与民用建筑抗震鉴定标准》(TJ 23-77)，在国家计划的统一安排下，7度及以上抗震设防地区完成了一批现有建筑的鉴定和加固，使我国城市现有建筑的抗震能力得到了明显提高。在这个阶段.抗震加固提出了提高强度、提高变形能力和加强整体性的三种同标，以外加圈梁、构造柱、夹板墙和钢构套为基本手段，形成了增强自身法、外加构件法和替换法等基本加固力法。
第三阶段，大致由《建筑抗震设计规范》(GBJlI-89)开始执行起，是抗震鉴定及加固综合发展阶段。这个阶段的特点是：抗震鉴定及加固的要求扩大到6度设防区，制定了与GBI11.89设计规范配套的鉴定及加固的技术标准，强调建筑结构抗震能力的综合分析开发，随着经济体制的改革，抗震鉴定、加固与建筑功能改造紧密地结合在一起，抗震加固，不仅要考虑安全，还要考虑扩大使用面积，改善使用功能，并保持建筑造型的美观。此阶段不断有新技术、新材料应用于结构抗震加固中，如碳纤维片加固技术、钢筋化学锚固技术、隔震和消能减震技术等。
四、建筑结构加固改造技术
新的加固材料的研制是推动加固技术发展的动力。以往的经验告诉我们,检测鉴定技术的发展依赖于检验测试仪器的发展,加固技术的发展依赖于新材料的发展。由轻质、高强、抗腐蚀、耐高温的新材料构成的效果好、易施工的加固方法可推动加固材料的发展。加固改造理论的提高是该项技术发展的另一个方面。目前的加固基本上是针对构造和承载能力不足的构件,缺乏从结构总体上的把握与判别。在结构设计领域则有相应的理论,如建筑抗震设计中的概念设计,混凝土结构设计中的强柱弱梁强节点等。目前的加固有时会适得其反。例如:对多层砖混结构的某一层墙体做夹板墙加固,使得该层墙体的钢度大幅度增加,形成与相临楼层的钢度差,对结构的抗震不利。此外还有加固后构件的承载能力提高,防火等级大幅度下降等问题。这些问题需要从总体上把握,靠加固理论的提高来解决。加固改造技术的提高还体现在施工技术改善和提高及施工机具上,而在这方面的研究一直相对较少。
综上所述，在合理确定结构型式和体系后,结构的布置就成为建筑抗震的重要问题,抗震不利的结构布置会导致严重震害。所以一定要做好结构方案，做好抗震设计。