抗震设计方案（精选8篇）
抗震设计方案 篇1
1 引言
建筑抗震设计根据《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) 要求是以“小震不坏、中震可修、大震不倒”三水准为目标, 传统的抗震策略是被动地依靠结构自身的抵抗能力, 必须以加大杆件截面、消耗更多材料、牺牲空间为代价。采用隔震设计是一条合理有效的抗震优化设计途径。隔震设计是在建筑上部结构与下部结构或基础之间设置由橡胶隔震支座和阻尼装置等部件组成的具有整体复位功能的隔震层, 以延长整个结构体系的自振周期, 减少输入上部结构的水平地震力, 达到预期防震要求[1]。
2 工程概况
江苏省宿迁市新区国土大厦为地上13层、地下1层的小高层建筑, 长48.5m, 宽19m, 总高度54.7m。其结构形式为框架-剪力墙结构, 一般柱网尺寸8.5m×8.5m。根据《建筑抗震设计规范》 (GB50011-2010) 规定, 宿迁市抗震设防烈度为8度, 设计基本地震加速度值为0.30g, 设计地震第一组, 建筑物抗震设防类别:丙类。本建筑场地土为III类, 场地特征周期值为0.45s。根据《建筑结构荷载规范》 (GB50009-2012) 规定, 基本风压:ω0=0.45k N/m2, 地面粗糙度类别C类, 基本雪压:S0=0.40k N/m2。主要设计使用荷载为:大会议室、大办公室 (分隔自定) 3.0 k N/m2;各类档案室、档案库房5.0 k N/m2;普通楼梯、走廊、厕所等2.5k N/m2;疏散楼梯、走廊3.5 k N/m2;自由布置隔墙1.0 k N/m2;上人平屋面2.0 k N/m2;不上人平屋面0.5 k N/m2等[2]。
由于本建筑物所在的宿迁市为抗震设防高烈度区, 故对本建筑的结构方案抗震设计思路, 一是采用传统的抗震设计方法, 另一种则是采用隔震技术。现将两种方案均进行深化设计以比较在这个工程中哪个更适用更合理。
3 结构方案比较
3.1 传统抗震设计方法
由于建筑设计使用要求, 本工程剪力墙布置颇受限制, 经与设计人员协商并采用PKPM程序计算后上部结构平面布置如图1所示, 主要截面尺寸如表1所示。
其主要电算后结果数据有:结构的总质量为23977.584t;X方向最大值层间位移角:1/872;Y方向最大值层间位移角:1/816;X向最大层间位移与平均层间位移的比值为1.06;Y向最大层间位移与平均层间位移的比值为1.49;结构自振周期为0.9878;X向地震作用下结构的底层剪力为27928.25k N;Y向地震作用下结构的底层剪力为28622.36k N。
因为地震作用力太大, 部分框架主梁采用普通钢筋混凝土梁超筋, 改为型钢混凝土梁 (图1中截面尺寸加标“*”的) 。型钢混凝土梁截面尺寸 (单位:mm) 如表2所示。
3.2 隔震设计方案
建立包含隔震层的隔震结构模型, 用ETABS有限元软件来实现。它具有很高的计算可靠度, 采用空间杆系计算梁柱构件, 把无洞或小洞剪力墙简化为一个膜单元加边梁加边柱单元, 膜单元只承受平面内荷载, 边柱作用等效为剪力墙平面外刚度。ETABS除一般高层计算功能外, 还可计算隔震支座、滑板支座、阻尼器、间隙、弹簧、斜板、变截面梁等特殊构件。
首先建立本建筑结构非隔震的有限元模型, 梁、柱构件均采用空间梁柱单元, 抗震墙采用壳体单元。为了验证所建模型的准确性, 并检验结构抗震性能, 采用EATBS软件计算了非隔震结构规范设计反应谱抗震设防烈度7.5度多遇地震下的动力响应, 并将结果与SATWE程序计算结果进行了对比, 各楼层的集中质量对比误差均小于3%, 因此该非隔震结构有限元模型准确反应实际结构的质量和刚度分布, 可以作为非隔震结构的动力响应计算的基准模型, 也可以作为后续隔震分析的初始模型。在非隔震结构有限元分析模型的基础上, 可以建立隔震结构的三维有限元分析模型。
本工程的隔震层设在地下室柱顶与上部结构之间, 隔震层顶部为现浇钢筋混凝土梁板结构。由上部结构计算出的各柱墙底最大轴力设计值, 再加上首层梁板结构分配给各隔震支座的轴向力设计值, 得出各隔震支座轴向力设计值。根据规范《建筑抗震设计规范》 (GB50011—2010) 对橡胶隔震支座平均压应力限值的规定, 选用橡胶隔震支座的型号和数量, 通过大量计算分析, 最终确定在原结构地下室顶面分别设置8个φ900 mm的铅芯型橡胶支座 (产品型号为LRB900) , 12个φ1100mm的铅芯型橡胶支座 (产品型号为LRB1100) , 9个φ900mm的天然橡胶支座 (产品型号为RB900) , 5个φ1200mm的天然橡胶支座 (产品型号为RB1200) [3], 控制各隔震支座的长期面压在10MPa以内。隔震支座配置图如图2所示。隔震支座安装构造如图3所示。
注:尺寸参数A, B, W, H1, H2根据隔震垫尺寸确定。
利用ETABS非线性有限元软件对非隔震的原结构和隔震结构进行了整体非线性时程分析, 计算出了非隔震结构和隔震结构在抗震设防烈度8度多遇地震 (amax=110cm/s2) 作用下的最大层间剪力, 经比较隔震结构和非隔震结构在多遇地震作用下的X向楼层地震剪力隔震/非隔震最大值为0.337, Y向楼层地震剪力隔震/非隔震最大值为0.350。由此可见, 隔震体系的地震响应大为减小, 结构隔震后与隔震前的层间剪力最大比值为0.35, 根据《建筑抗震设计规范》 (GB50011-2010) 第12.2.5条相关规定, 取隔震结构的水平减振系数为0.50, 对于隔震体系的上部结构在多遇地震下可以按照抗震设防烈度7度多遇地震 (amax=55cm/s2) 进行设计。
隔震后上部结构采用PKPM程序按抗震设防烈度7度 (0.15g) 计算后结构平面布置见图4, 主要断面尺寸见表3。
其主要电算后结果数据有:结构的总质量为19 001.008t;X方向最大值层间位移角:1/1493;Y方向最大值层间位移角:1/1126;X向最大层间位移与平均层间位移的最大比值为1.06;Y向最大层间位移与平均层间位移的最大比值为1.20;结构自振周期为1.4326;X向地震作用下结构的底层剪力为9 223.34k N;Y向地震作用下结构的底层剪力为7789.07k N;风荷载产生的水平力为1115.1k N。
3.3 两个方案的对比
1) 按两种方案设计计算下上部结构的混凝土方量比较见表4。由此可见, 用隔震设计后, 上部结构的混凝土用量将大为减少, 考虑到隔震设计后地震作用减少, 钢筋混凝土构件的含钢量也减少。而且在传统抗震设计中, 尚使用了型钢混凝土梁, 型钢梁含钢量约120t, 按钢材7000元/t计算, 为84万元。
本工程采用PHC管桩, 桩长24m, 单桩承载力特征值为1 100k N, 由于隔震设计下结构自重减少了4 976t, 故至少节约管桩45根;还可以减少基础混凝土方量, 故采用隔震方案在基础造价上有更多的经济优势。
综合对比传统抗震设计, 隔震设计在土建成本方面已具有一定优势。
2) 从使用上看, 由于采用隔震后, 柱墙截面尺寸均有不同程度的减小, 两种方案下扣除钢筋混凝土柱墙面积后的各层可使用面积如表5所示。
m2
由表5可见, 采用隔震方案后, 建筑使用面积净增加了280m2之多。
同时由于上下层柱墙断面尺寸差异变小, 建筑设计时也更易于布置楼电梯间, 可以做到充分利用建筑面积合理布置。
由于隔震后钢筋混凝土墙体减少了, 更易于建筑设计布置大空间的办公室、会议室等, 更满足了业主的需要。
4 结论
本工程所在地江苏省宿迁为高烈度抗震设计城市, 采用了隔震技术后, 因水平刚度较小, 可以显著延长结构自振周期, 使建筑物因地震而产生的加速度响应可大大减小, 隔震系统同时也能利用隔震支座的非线性变形吸收地震能量, 提高系统的阻尼比, 因此可降低地震对建筑物的作用力, 隔震结构所承受的地震剪力远小于非隔震结构。
作为高烈度区的小高层建筑, 若采用传统抗震设计, 为了抵抗大地震对建筑物的较大作用力, 被迫将结构构件的截面尺寸做的比较大, 从经济以及使用的角度来看, 都不是很合适。而且结构构件截面、配筋增大后, 结构自重、刚度将大幅度增加, 结构在地震中吸收的地震能量也将大幅度提高。这些地震能量主要由结构构件的弹塑性变形来耗散, 将导致结构在大地震中严重损坏。自重的增加加大了建筑基础的造价, 而构件截面的增大也限制的建筑师对建筑使用功能的灵活划分。本工程由于平面布置需要的关系, 剪力墙布置的比较分散, 导致局部框架梁需做成型钢梁, 更是增加了造价。
传统抗震技术只要求保护结构在设防烈度内可修、不倒, 未保护非结构构件及装修, 未保护内部设备、仪器。由于橡胶支座的刚度及阻尼性能较稳定, 理论计算值、实际测试值与现场使用情况比较吻合, 可以通过设计计算, 较准确地控制地震时结构的地震反应。目前, 我国建造的橡胶支座隔震房屋, 其地震反应能控制在传统抗震房屋地震反应的1/4~1/12之内, 可以实现大地震时结构不坏不倒, 同时也保护室内的仪器设备, 使用功能不中断;而且大地震时结构基本保持弹性, 也可以保护非结构构件不受破坏。
鉴于上述原因, 本工程采用隔震技术较为合理。
参考文献
[1]GB50011—2010建筑抗震设计规范[S].
[2]GB50009—2012建筑结构荷载规范[S].
[3]程懋堃.高层建筑结构构造资料集[M].北京:中国建筑工业出版社, 2005.
抗震设计方案 篇2
1 建筑结构抗震设计规范
2010年建设部颁布实施的《建筑抗震设计规范》对近年来国内外大地震的经验教训进行了总结, 调整了建筑抗震设防分类及灾区设防烈度, 并增加了有关山区场地、砌体结构楼梯间、框架结构填充墙设置、抗震结构施工要求的强制性条文。规范中关于混凝土结构的新规定包括适用高度及抗震等级、框架结构抗震设计、抗震墙结构抗震设计、框架墙体组成结构抗震设计、预应力砼结构抗震设计等主要内容, 在建筑抗震结构设计中可作为参考标准。我国将抗震设防分为甲、乙、丙、丁四类, 根据不同频度和强度的地震, 应按照《建筑工程抗震设防分类标准》对建筑物确定抗震设防类别及标准。
2 建筑结构抗震设计原则和要求
建筑结构抗震设计的一般原则包括强柱弱梁、强剪弱弯、强点弱件等以确保结构的整体性、连续性和可靠性, 提高建筑的抗震能力。强烈的地震除了主震外, 还有多次余震, 余震的威力相对于主震有过之而无不及, 因此要设多道抗震防线, 建立具有抗水平力和多道支撑的结构体系, 以免单一的抗震防线因余震造成建筑倒塌。
3 建筑结构抗震设计的解决方案
3.1 建筑抗震总体设计
建筑抗震概念设计是在工程经验和地震灾害等形成的设计思路和设计原则基础上, 进行建筑总体布局及确定细部构造的过程: (1) 要选择坚硬场地, 综合评价各地段, 避开不利地段, 无法避开的要积极采取有效措施; (2) 形体均匀规整, 尽量控制建筑物高度, 严格限制高宽比; (3) 抗震结构体系的选取, 结构布置上要有多道抗震防线, 使结构在两个主轴方向的动力特性相近, 同时具有良好的变形能力、耗能能力、抗震承载能力。
3.2 建筑结构抗震计算
目前常用的抗震分析方法有如下两种: (1) 非线性时程分析法。又称非线性动力反应分析, 针对的是结构非线性反应, 通过一系列数值方法和求解动力方程得到结构各个时刻的反应量。主要用来考察地震作用下普遍的反应规律, 校核分析设计好的结构, 并评估其抗震性能。 (2) 非线性静力分析法。是基于性能评估现有结构和设计新结构的一种方法。
3.3 建筑结构抗震布局
建筑结构抗震的平面和立面布置宜规则、均匀, 质量中心与刚度中心基本一致, 剪力墙等布置要均匀, 采用规则的建筑结构设计, 尽量避免楼盖错层。 (1) 均匀的平面布置。在水平地震作用下, 对称结构只会发生平移振动, 各构件获得相等的侧移量, 且受力均匀。 (2) 均匀的竖向布置。竖向均匀布置结构可最大限度使竖向强度、刚度均匀变化, 避免出现薄弱层。抗震设防结构要使两主轴方向的动力特性相近, 结构刚度中心与质量中心重合, 框架-剪力墙及剪力墙结构中剪力墙宜分散布置。 (3) 不规则结构计算及抗震措施:对于平面不规则而竖向规则的结构, 应采用空间计算模型;平面规则而竖向不规则的结构, 除了采用空间计算模型, 其薄弱处的地震剪力系数应乘以1.15, 并进行弹塑性变形验算;平面不规则且竖向不规则的结构应同时符合上述要求。
4 结语
地震具有随机性、不确定性及复杂性, 相应的建筑抗震是一项系统工程。要加强震区地质及环境的考察分析, 选用适合的抗震结构及结构材料, 采取必要构建措施和抗震技术, 合理确定结构形式和体系, 创新建筑结构技术及抗震设计方案, 以最大限度减少地震的作用力, 从根本上提高结构的抗震能力。
摘要：近几年来汶川、玉树、鲁甸等地发生的地震给我国造成了巨大的生命财产损失, 因此建筑抗震设防尤为重要。本文介绍了建筑抗震结构设计规范、原则及要求, 并提出了抗震结构设计的解决方案, 以裨益于建筑抗震实践。
关键词：建筑结构,抗震设计,规范,原则,要求,方案
参考文献
[1]赵建荣.建筑结构抗震设计若干问题的探究[J].建筑科学, 2012, (6) .
[2]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) .
抗震减灾应急演练方案 篇3
一、指导思想：
为确保学校在发生地震等紧急情况时，全体师生能迅速有效地应急疏散、有秩序地撤离教学楼，最大限度地减少人员伤亡，提高全校师生在密集场所应急避震能力，深化全校师生的防震减灾意识，最大限度地减轻地震灾害造成的损失。
二、演练时间：2012年10月10日14：45
三、演练地点：教学楼楼、操场
四、演练人员：全体师生
五、演练领导小组
总 指 挥：张顺华
副总指挥：王叶雄
工作组及成员：（前面第一人为组长、负责人）
疏散指挥组：张顺华 胡文清 王叶雄 赵华涛 吴军峰 秩序导护组：王叶雄、各班班主任及当堂上课教师
医疗救护组：胡文清 江洪涛 范细贵
后勤保障组：赵华涛 张燕娟 吴香英
广 播 组： 乔成林 学生二名 应 急 组： 吴军峰 邹 昱 汪淑霞
消 防 组： 张学明 郑绍斌 吴 彬
六、楼梯口负责人员安排
人员：行政人员及各班班主任与当节任课老师
七、演练程序：
1．演练包括应急避震和疏散两个内容。当地震发生时，先进行应急避震。当主震结束后，再进行疏散，到预定地点集中，以防余震发生。2.地震发生的口令为：“地震发生”（连播3遍）。代表发生地震，学生进行应急避震。地震发生后，组织疏散的口令为：“紧急疏散”（连播3遍）。代表主震结束，学生进行疏散。
3．应急避震：应急避震时学生应立即就近躲避，身体采用卧倒或蹲下的方式，使身体尽量小，躲到桌下或墙角，以保护身体被砸，但不要靠近窗口。躲避的姿势：将一个胳膊弯起来保护眼睛不让碎玻璃击中，另一只手用力抓紧桌腿。在墙角躲避时，把双手交叉放在脖子后面保护自己，可以拿书包或其他保护物品遮住头部和颈部。卧倒或蹲下时，也可以采用以下姿势：脸朝下，头近墙，两只胳膊在额前相交，右手正握左臂，左手反握右臂，前额枕在臂上，闭上眼睛和嘴，用鼻子呼吸。
4．紧急疏散：安全疏散时，各班任课教师要带好班级学生，按要求、按顺序离开教学楼，一个班接着一个班迅速疏散，按照指定路径集中疏散到操场，班主任要及时清点班级学生人数，对学生进行询问，看是否有受伤的情况，同时医疗组做好准备，做好救护工作。
5．各疏散通道的负责老师听到警报铃声后，立即跑到负责的岗位，在指挥本楼层学生疏散完毕后，检查是否有学生滞留教室，最后迅速撤离教学楼，到篮球场集合。
八、疏散的集中地点
集中地点：学校操场（按升旗仪式队形）；
九、疏散要求与注意事项：
1、听到学校发出的警报声后，全校师生立即快速、安全进行疏散，不能再收拾物品。
2、疏散顺序： 从教室疏散时，各班预先把学生按座位分成前后人数大约一致的两部分，疏散时前半部分走前门，后半部分走后门。听到疏散命令后，全体学生立即起立，按要求依次撤离。
3、注意事项
（1）疏散时，在底楼教室上课的班级迅速撤离从教学楼直达操场（不占用教学楼楼梯、走廊），二楼的学生依次下楼。要求依次快速、安全下楼，不能抢先拥挤，以免发生拥挤踩踏事故。（2）楼层疏导老师要在前一个班撤完后向下一个班下达撤离指令，不出现间隔，并控制合理密度，防止在走廊楼梯口等部位发生拥挤现象。
（3）参加演练同学必须严肃认真对待演练，演练过程保持肃静，按要求列队依次快速下楼，注意不能拥挤，不得嬉笑、喧哗。
十、演练结束
抗震设计方案 篇4
1 桥型设计方案及构造
桥梁设计桥型方案上考虑了3种方案, 现浇刚构、现浇连续梁以及连续梁+刚构组合结构。由于本桥位于9度地震区, 桥型方案的选择主要由抗震能力决定, 设计中分别对以上3种方案进行地震动力分析, 择优选择最佳方案作为施工图变更设计方案。
1.1 方案一:83m+150m+83m连续刚构
上部箱梁为单箱单室预应力混凝土箱梁, 三向预应力混凝土结构。箱梁顶面横坡与路线横坡一致, 箱梁底面水平。箱梁顶宽13.1m, 底宽6.5m, 顶板厚0.28m, 悬臂长3.25m。合拢段处箱梁中心高度为3.0m, 底板厚0.28m;0号块处箱梁中心高为8.5m, 底板厚0.9m;腹板厚0.5m～0.7m。
下部桥墩采用空心薄壁墩, 墩身与上部箱梁固结。由于1#、2#桥墩高差较大 (1#桥墩墩高32m, 2#桥墩墩高64m) , 为使两桥墩墩顶处刚度接近, 根据桥墩高度, 1#桥墩纵桥向宽5m, 壁厚0.70m;2#桥墩纵桥向宽7.0m, 壁厚0.90m;两桥墩横桥向宽度均为8.0m。1#桥墩采用扩大基础, 基底置于完整基岩上;2#桥墩采用8根直径2.2m的群桩基础, 按嵌岩桩设计。由于该桥桥位处地震烈度较高, 经计算分析表明, 在两桥台处设置粘滞性阻尼器可显著降低地震作用, 提高结构抗震性能, 故本次设计中参照原施工图设计, 单幅桥每个桥台处需安装4个阻尼器, 即全桥共计采用4×4=16个阻尼器。阻尼器产品设计参数建议采用C=3000, ξ=0.3, 每只阻尼器的设计最大阻尼力±2500kN。主梁及桥台的构造尺寸按照KZ-2500S×650X型阻尼器预留。在桥台上设置2个单向活动支座 (竖向承载力为4000kN, 纵向活动) 。
1.2 方案二:83m+150m+83m连续梁
上部箱梁构造与连续刚构方案 (方案一) 基本相同。下部桥墩采用空心薄壁墩, 壁厚0.7～1.0m。横桥向墩身等宽宽9.00 m, 纵桥向为变宽, 墩顶宽5.0m, 向下按50:1放坡。1#桥墩采用扩大基础, 基底置于完整基岩上, 2#桥墩采用8根直径2.2m的群桩基础, 按嵌岩桩设计。由于该桥桥位处地震烈度较高, 经计算分析表明, 在两桥台处设置粘滞性阻尼器可显著降低地震作用, 提高结构抗震性能, 故本次设计中参照原施工图设计, 单幅桥每个桥台处需安装4个阻尼器, 即全桥共计采用4×4=16个阻尼器。阻尼器产品设计参数建议采用C=3000, ξ=0.3, 每只阻尼器的设计最大阻尼力±2500kN。主梁及桥台的构造尺寸按照KZ-2500Sx650X型阻尼器预留。在桥墩及桥台上设置抗震型双曲面球形支座。
1.3 方案三:83+150+83m连续+刚构组合结构
方案三是方案一与方案二的综合方案。上部箱梁构造同方案一。由于1#桥墩墩高较小, 2#桥墩墩高大, 1#桥墩墩顶设置支座, 2#桥采用墩梁固结方式。两者均采用空心薄壁墩, 1#桥墩采用扩大基础, 基底置于完整基岩上, 2#桥墩采用8根直径2.2m的群桩基础, 按嵌岩桩设计。
2 桥型方案抗震分析
此次方案设计中分别对前述三种桥型方案进行了抗震分析计算。由于本项目位于9度地震区, 桥抗震设防要求高, 桥型方案是否可行主要受抗震分析结果控制。在满足结构抗震受力的前提下, 选择结构安全、方便施工、节约投资的方案。
2.1 抗震设计标准
结合桥位处地震基本烈度, 考虑桥梁的结构总要性系数, 根据有关规范、标准, 选择合适的抗震设防标准将直接关系到工程的投资;通过合理优化结构, 采取适当的减隔震措施, 本桥的抗震设防标准为“对中、低级的地震 (7度以下) 做到没有重大损失, 在强震 (9度以下) 时不倒塌”。
2.2 抗震分析计算方法的选择
抗震分析计算方法有单振型反应谱法、多振型反应谱法、功率谱法、时程分析法。本桥主跨150m, 墩高32m～64m, 抗震分析采用非线性时程分析法。
2.3 加速度时程的选择
结构的动力反应与结构的自震周期和地震时程输入的频谱成分关系密切, 加速度时程的选择直接关系到抗震设计的合理性和可靠性。BR06特大桥位于9度地震区, 根据《伊朗公路、铁路桥梁抗震设计标准》其设计地震波加速度动峰值为0.35g;参照美国规范及中国规范, 9度地震区设计地震波加速度动峰值为0.40g。故此次抗震分析计算中选用了7条人工合成地震波, 其地震动加速度峰值均在0.40g附近, 将这7条地震波作为BR06特大桥的设计加速度时程, 简称设计地震波。时程分析结果取7组地震波包络值的平均值。在设计地震波作用下, 结构发生弹性变形, 进行结构的极限承载力验算。
伊朗地震局提供三次实测强震记录, 其地震加速度动峰值横波为0.48g～0.796g, 纵波为0.505g～0.816g。其值均远大于9度地震区伊朗规范规定的0.35g和美国规范的0.40g。在如此强的的地震作用下仍建结构进行弹性设计是不合适的, 故将伊朗提供的地震波作为结构的延性设计验算, 结构在此情况下发生塑性变形, 但不会完全破坏, 经过适当维修后, 结构可投入正常使用。取地震局提供的3组地震波对结构作用的最大值 (包络值) 作为结构塑性区转动能力验算。
伊朗地震局提供的实测强震记录有3次记录, 分别为1977年记录的1054-1纵向与横向地震波;1978年记录的1084-1纵向与横向地震波和1990年记录的1362-1纵向与横向地震波。它们的加速度峰值见表1。
从表中显示的峰值加速度来看, 都很高, 大于9°～10°, 而且纵向大于横向。不同的地震波对结构的作用, 除了峰值加速度是一个很重要的因素以外, 地震波的频谱成分也十分重要, 因此, 在后面的计算分析中, 对每一条地震波采用非线性时程分析法进行结构的纵、横向抗震性能分析。
2.4 结构计算模型
抗震分析中分别对方案一 (刚构) 、方案二 (连续梁) 、方案三 (连续+刚构) 等3种桥型方案建立三维梁单元空间模型, 利用空间有限元软件MIDAS7.4进行结构动力特性及抗震性能分析。为方便比较, 3种桥型方案的结构单元划分基本一致, 全桥上部结构共划分为98个单元, 即1～98号单元为上部结构单元, 截面号为1～99;1#桥墩划分为11个单元, 分别为201～211号单元, 截面号位201～212;2#桥墩共划分为91个单元, 分别为301～319号单元, 截面号为301～319。详见《结构离散图》。对于双曲面球形减隔震支座的滞回耗能和自动恢复功能, 活动支座的摩擦耗能以及固定销剪断后的效应进行了模拟, 同时模拟了阻尼器的阻尼耗能作用。1#桥墩基础位于新鲜基岩上, 计算时考虑竖向位移及转角均为0, X、Y方向的转动考虑地基变形作用;2#桥墩采用5.结构动力特性
BR-06 (L/R) 特大桥的设计思想为7度以下作用时, 支座正常工作;7度以上 (含7度) 地震时固定装置剪断后, 能快速恢复, 经过适当维修, 下次地震时, 支座仍可安全、重复使用。经验算, 在7度以下地震作用时, 结构均处于弹性工作状态, 下部结构裂缝均小于0.2mm。当地震作用达到9度时, 下部桥墩结构裂缝大于0.2mm, 但由于地震作用的短暂性, 该裂缝在地震作用结束后可自行恢复。
2.5 结构抗震分析
结构抗震验算分两阶段进行, 第一阶段是对结构进行在设计地震波作用下的抗震验算;当结构满足在设计地震作用下的受力要求时再进行第二阶段的抗震验算, 即结构在更强地震作用 (伊朗地震局提供的地震波) 下的结构延性抗震验算, 否则不再进行第二阶段的验算。通过分别对三种方案的抗震特性值、桥墩控制截面内力标准值 (设计地震波) 、截面顺桥向荷载及荷载组合 (设计地震波) 、顺桥向验算结果、横桥向验算结果 (设计地震波) 、主要截面位移进行抗震分析。由验算结果知:第二种方案是可行的。即采用连续梁方案时, 在设计地震作用下, 1、2号桥墩墩顶、墩底截面顺桥向极限承载力均能满足规范要求;同样在横桥截面极限承载力也能满足规范要求, 墩顶、底处发生局部破坏, 且修复后可正常使用。由于连续梁方案下部桥墩刚度小, 地震等作用产生效应也相对较小, 下部桥墩截面尺寸有调整空间, 故采用连续梁方案可行。
3 结论
BR-06L/R特大桥设计采用错幅布置即满足了被交道净空要求, 同时又有效地减少了开挖石方量;对于处于9度地震区的特大桥结构进行了延性设计验算。
参考文献
[1]姚玲森.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社, 1990.
抗震设计方案 篇5
1 工程概况
某中学学生公寓楼原设计时间为2004年3月,竣工日期2005年11月;砌体结构,基础为人工成孔钢筋混凝土灌注桩基础,地上六层,局部出屋面楼梯间、水箱间七层,各层层高均为3.0m。房屋高度为18.65m,房屋宽度为14.9m,房屋长度为51.2m。室内外高差0.65m。高宽比1.21,横墙最大间距3.9m。纵横墙承重体系,现浇钢筋混凝土楼、屋盖。原设计平面布置如图1所示。原设计执行《分标》08版、《抗规》01版。原设计抗震设防类别为标准设防类(丙类),抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度值为0.20g,设计地震分组为第二组。建筑场地类别为Ⅱ类。该工程加固设计完成于2011年8月,并通过施工图审查。
2 检测、鉴定报告情况
根据该工程《某中学校舍安全工程排查、检测、鉴定报告》,学生公寓楼鉴定结论如下:(1)地基基础:无严重静载缺陷。建筑物地基基础安全等级综合评定为Bu级。(2)主体结构:材料性能设计指标满足原设计要求。构造柱、圈梁设置,满足现行规范的要求;房屋高度、房屋层数不满足现行规范要求;未发现不适于继续承载的位移或变形。(3)围护结构:单层门窗,保温隔热差,且破损。卫生间局部渗漏严重,外观墙皮局部严重脱落。(4)结论及建议:房屋高度、房屋层数不满足规范要求。建筑物安全性评定为Csu级,即安全性不符合鉴定标准相关要求,采取措施。建议对建筑物进行减层或改变用途,但均需进行加固。
3 抗震鉴定验算
3.1 规范鉴定要求
根据《鉴标》要求,2001年以后按当时施行的抗震设计规范系列设计建造的现有建筑,后续使用年限宜为50年。后续使用年限为50年的建筑(简称C类建筑),应按现行国家标准《抗规》10版[5]的要求进行抗震鉴定。
3.2 建筑抗震措施鉴定
加固前根据《抗规》10版要求,检查发现结构体系的合理性、墙体材料的实际强度、房屋整体性连接构造的可靠性、局部易损易倒构件自身及与其主体结构连接构造的可靠性,基本满足规范要求。房屋高度、房屋层数超限,纵墙端部墙垛局部尺寸超限,不满足规范的要求。
3.3 建筑抗震承载力的验算
采用中国建筑科学研究院(以下简称建研院)编制的″砌体结构辅助设计软件QITI",取用《鉴定报告》检测出的材料性能指标,进行墙体抗震承载力的验算,结果见表1。验算表明,楼梯间及纵墙端部个别小墙垛抗力与效之比小于1,抗震承载力不满足。
3.4 综合抗震能力指数的验算
采用采用建研院编制的“砌体结构鉴定加固设计软件JDJG”(版本为2010版)。采用考虑构造整体影响和局部影响的综合抗震能力指数方法,按Ψ1Ψ2=0.8计算,进行综合抗震能力指数的验算,结果见表2。最弱楼层平均抗震能力指数βi、最弱楼层综合抗震能力指数βci均小于1,抗震承载力不满足,按《鉴标》要求,对房屋采取加固或其他相措施。
3.5 鉴定验算结论
按《鉴标》,本工程为C类建筑,现有砌体房屋的高度和层数超过规定的适用范围,原体系已不能满足现行抗震规范要求,应提高对综合抗震能力的要求或提出改变结构体系的要求。符合该工程《鉴定报告》的评价。
4 情况分析和方案选用
4.1 全国部分省份对2001年后建设的学校建筑的抗震鉴定加固意见
《教学楼抗震加固设计参考手册》[7]认为,2001年后建设的学校建筑其存在的主要问题是由于设防类别的调整导致建筑物的抗震性能不能满足现行设计规范的要求。由于设计规范的对象是新建建筑,因此,完全依据设计规范对既有建筑进行抗震鉴定是不符合鉴定工作的基本准则的。江苏省针对该问题讨论后,建议对2001年以后按照《抗规》01版设计,经过施工图审查合格(或抗震设防审查合格),有正规单位设计、施工、监理、竣工资料完整且外观检查无明显异常的校舍,可按后续使用年限40年进行抗震鉴定。但是,楼梯间和单跨框架校舍的抗震措施仍应满足现行《鉴标》[2]和《加规》[3]的要求。《北京地区中小学校舍抗震鉴定与加固技术细则》[9]中亦规定,对2001年以后(按《抗规》01版设计)建造的现有中小学校舍,也可采用综合抗震能力的概念,按下述方法进行抗震鉴定和加固:对多层砌体结构,当抗震措施满足现行《抗规》丙类建筑的抗震措施要求,但不满足乙类建筑设防的相应要求时,如考虑体系影响系数和局部影响系数(Ψ1Ψ2=0.8)的抗震承载力验算可满足现行《抗规》对乙类建筑的要求,也可不加固。
4.2 业主意愿
对于《鉴定报告》的结论,业主不愿减层或改变用途,并希望结合加固改造,后续使用年限为50年。
4.3 加固方案选用
抗震加固设计执行《分标》08版、《抗规》10版。抗震设防类别为重点设防类(乙类),抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度值为0.20g,设计地震分组为第三组。建筑场地类别为Ⅱ类。按《加规》“考虑到现有房屋的层数和高度已经存在,可优先选择给出路的抗震对策”的原则,其它抗震措施基本符合要求的条件下,采用改变结构体系的加固方案。在两个方向双面设置合计厚度不小于140mm的板墙,可视为增设钢筋混凝土墙。
5 加固方案分析
5.1 规范要求
《加规》要求,新增的钢筋混凝土墙体计入竖向压力滞后的影响,并承担结构的全部地震力。加固后的楼层和墙段,进行整体综合抗震能力指数验算。墙体加固后按现行《抗规》选择从属面积较大或竖向应力较小的墙段进行抗震承载力验算。考虑到新增混凝土板墙配筋不能完全满足抗震构造措施的要求,进一步对加固后的结构体系简化为剪力墙结构,按《抗规》10版,应用抗震性能化设计方法,进行设防地震和罕遇地震作用下的验算复核。
5.2 新增混凝土墙与原结构协调变形共同工作
资料(《中高层砖墙与混凝土剪力墙组合砌体结构技术规程》[7]DBJT25-3018-2005)研究表明,混凝土墙体竖向变形曲线为“弯曲型”,砖墙竖向变形曲线为“剪切型”。采取适当构造措施(如:穿墙筋、穿板筋、拉结筋),将新增混凝土墙体与构造柱和圈梁约束下的砖墙连接在一起,形成空间结构体系。在平面内刚度较大的现浇钢筋混凝土楼板的变形协调作用下,通过合理布置新增混凝土墙,尽量使砖墙和新增混凝土墙协调变形共同工作。加固后的建筑结构竖向变形曲线可为类似于框剪结构的“弯剪型”。
5.3 加固后的建筑具有多道防线的抗震能力
在多遇地震作用下,砖墙与新增了混凝土墙体协同工作,可按刚度分配原则分别承担相应的水平地震作用。但按《加规》[3],由新增混凝土墙承担结构的全部地震力。这时砖墙承担的内力作为安全储备,结构不致产生任何损坏。在设防烈度地震作用下,由于原有砌体刚度退化,吸收一定的地震能量,内力重分布作用下,砖墙逐渐退出工作,由新增混凝土墙体承担绝大部分内力。构造柱、圈梁和板墙约束下的砖墙可能部分发生损坏,但开裂以后仍承担竖向重力荷载作用和具有一定适应的变形能力,结构发生轻～中等破坏。在罕遇地震作用下,新增混凝土墙体布置适当,且配筋较弱的情况下,混凝土墙体也产生的开裂。构造柱、圈梁和新增板墙约束下的砖墙,变形较大,但只要不超过混凝土墙的极限变形值,开裂的混凝土墙可全部承担水平地震作用和竖向重力荷载作用。承载力达到极限值后基本稳定,结构发生不严重破坏。
5.4 选定性能目标
性能目标选用《抗规》10版基本设防目标:在多遇地震作用下,结构完好。结构安全有足够的保障不受损坏或不需修理可继续使用。在设防烈度地震作用下,可能发生损坏,但经一般性修理仍可继续使用。在罕遇地震作用下,不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。
6 结构整体分析计算
6.1 加固后整体综合抗震能力指数验算
采用软件同鉴定综合抗震能力指数验算软件,增设墙段的厚度按240计算,墙段的增强系数按《加规》第5.3.12条取值,用增强系数法验算抗力与效之比,局部影响系数取0.90。各层均能满足现行规范要求。
6.2 多遇地震作用剪力墙结构抗震复核
在多遇地震作用下,采用建研院编制的“SATWE”软件(版本号2010版),按剪力墙结构复核,抗震等级为二级,由新增钢筋混凝土墙承担结构的全部地震力,砖墙自重按荷载输入,材料强度采用设计值,复核结果见表3。在多遇地震作用下,由新增混凝土墙承担结构的全部地震力,加固后的结构体系能满足现行抗震规范承载力、变形的要求。新增混凝土墙按计算配筋。结构安全有足够的保障不受损坏或不需修理可继续使用,符合设定的性能目标。
6.3 设防地震作用剪力墙结构抗震复核
在设防地震作用下,采用软件同前,按剪力墙结构复核,复核模型考虑窗下墙作用,抗震等级为二级,由新增混凝土墙承担结构的全部地震力,砖墙自重按荷载输入,钢筋混凝土墙材料强度采用极限值,地震影响系数最大值αmax1=0.45,双向地震作用输入,复核结果见表4。
在设防地震作用下,加固后的结构体系能满足现行抗震规范对结构变形的要求,大多数混凝土墙仍满足承载力的要求,但部分内纵墙门顶墙体进入弹塑性状态,可吸收部分地震作用能量。这时结构有足够的承载能力、一定的延性、良好的吸收地震作用能量的能力。结构安全有一定的保障,经一般性修理仍可继续使用,符合选定的性能目标。
6.4 罕遇地震作用剪力墙结构抗倒塌复核
在罕遇地震作用下,采用建研院编制的“PUSH”软件(版本号2010版),按剪力墙结构复核,抗震等级为二级,由新增混凝土墙承担结构的全部地震力,砖墙按荷载输入,钢筋混凝土墙材料强度采用极限值,地震影响系数最大值αmax1=0.90,双向地震作用输入,验算模型同设防地震作用验算模型。验算结果表明,在罕遇地震作用下,弹塑性层间位移角1/478,小于规范限值1/120,仍能保证结构不致整体倒塌,符合设定的性能目标。
6.5 基础验算
经验算加固后桩基础静载下的承载力可满足要求;考虑附加地震作用及加固构件自重对基础的影响,及非液化土中单桩的竖向和水平抗震承载力特征值提高25%,对原人工成孔灌注桩基础进行按地基抗震承载力核算,仍可满足要求;墙下托梁抗弯承载力不足,采用增大截面法加固。
7 技术经济分析
加固面积9256m2,加固费用单价约为566.13元/m2,当时新建造价约为1500元m2。
8 结语
本工程采用改变结构体系的抗震加固方案,使用抗震性能设计的方法,将原结构加固改造后,解决了整体性指标超限,局部纵墙墙体抗震能力不满足要求的问题。用较低的投资满足了建筑物抗震要求。充分利用既有建筑,符合可持续发展的基本国策,避免了对建筑物进行减层或改变用途造成的使用功能不便。
参考文献
[1]GB50223-2008《建筑工程抗震设防分类标准》[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.
[2]GB50011-2008《建筑抗震设计规范》[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.
[3]GB50023-2009《建筑抗震鉴定标准》[M].北京:中国建筑工业出版社,2009.
[4]GB50011-2010《建筑抗震设计规范》[M].北京:中国建筑工业出版社,2010.
[5]JGJ116-2009《建筑抗震加固技术规程》[M].北京:中国建筑工业出版社,2009.
[6]《全国中小学校舍安全工程实施细则》等三个配套文件的通知(教财[2009)14号),2009.
[7]《教学楼抗震加固设计参考手册》[M].成都:四川省土木建筑学会预应力及预制混凝土专业委员会,2010.
[8]DBJT25-3018-2005《中高层砖墙与混凝土剪力墙组合砌体结构技术规程》[M].兰州:甘肃省建设厅科教处,2005.
抗震设计方案 篇6
1.1 折减系数法
折减系数法是考虑液化土层中桩基性能的一种简化方法, 也是目前桩基抗震设计中常用的方法。
最初, 为简化起见, 在处理液化土中桩基的抗震设计问题时, 将液化土层的有效应力取为零。如JGJ4-80《工业与民用建筑灌注桩设计与施工规程》规定:当液化层为表层土层时, 不考虑液化土层的承载力, 桩基就变成高桩承台。当液化层为中间层时, 按d法计算桩基的水平承载力, 将液化土层的d值取零, 利用其他非液化土层的d加权平均值计算桩身应力。目前在各类工程设计中都使用该法, 特别对于松散的砂土来说, 地震时液化土层完全失去了承载力;零折减法正是反映了此类最不利的情况, 即设计地震力发生的时刻液化土层的水平承载力为零。但一般利用此法进行桩基的抗震设计时, 结果偏于保守, 造价高。特别是当承台下可液化土层厚度大时, 桩内配筋量很高, 设计、施工及造价诸方面均很困难。所以针对这种保守的简化方法, 20世纪70年代以来工程界一直在寻求更经济合理的新设计方法。
20世纪80年代, 规定液化土层的侧抗力按层位和液化安全系数之值进行折减, 被我国建筑抗震设计规范 (GBJ11-89) 所采用。此法对液化的承载力不是一概取零, 而是视液化土层深度、厚度及物理状态的不同, 凡经标贯判定为液化的土层, 在抗震设计时, 将液化土的承载力和其他参数乘以表1中的折减系数DE[1]。
当Fl<1.0时, 即判定为液化土层。
注:Fl=R/L。Fl-抗液化强度系数, Fl的影响是通过液化发生概率考虑的。R-土的抗液化强度, L-地震引起的剪应力。
对于桩的周围有液化土层的低承台桩基, 当承台下有小于1m厚的非液化土层或非软弱土时, 土层液化对单桩极限承载力的影响可将液化土层极限侧阻标准值乘以土层液化折减系数计算单桩极限承载力标准值。土层液化折减系数按表2确定。
上述方法从液化概率及危险分析上对桩的设计计算作了改进。DE的取值是依据有孔压与无孔压时的室内静固结试验得出的折减系数的试验结果。从变形模量与液化安全系数Fl的关系曲线 (图1中阴影部分为DE取值偏于安全的部分) 。Fl的精度则根据新泻地震时的震害状况的记录与液化判定值相一致而得到证明。即矢作枢。DE值分别按多层地基计算方案的F1确定以及取各层F1的平均值按单层地基计算方案确定, 这两种方案作比较, 其结果没有多大差别, 所以如考虑简化计算, 即采用DE乘以F1的平均值计算, 也能保证其精确度;降低系数DE的变化对桩基数目的影响, 矢作枢也可在该算例中进行试算。
1.2 两阶段分析法
此法被《工业构筑物抗震鉴定标准》 (1988) 采用, 亦被《冶金工业建筑抗震设计指南》 (1990) 及《建筑抗震设计规范》 (GB50011-2001) 等采用。此法适用于桩承台底面上、下分别有厚度不小于1.5m、1.0m的非液化土或非液化土层时, 其基本思想是将设计地震力与液化对桩横向承载力的最不利时刻区分开来。桩的验算分二阶段进行:
⑴主震阶段。桩上有地震力, 土中已有液化区, 但根据大多数情况下喷冒滞后于地震的事实, 认为此阶段液化区尚未发展到桩顶承台附近, 对桩的横向承载力影响不大, 计算中可忽略液化影响, 桩承载力计算可按非液化土情况进行桩的考虑, 但液化土的桩周摩阻力及桩水平抗力应乘以土液化影响折减系数。
⑵余震阶段。桩上无地震力, 假定液化层全层液化, 扣除液化层的桩侧摩擦力及桩承台下2m厚度范围内非液化土的桩周摩阻力 (考虑沿桩身四周缝隙排水) , 校核在静载下的液化后竖向承载力。
此法是从液化地基与地震作用过程着眼并结合液化土中桩基宏观震害经验提出。如图2中的新泻地震调查结果, 若桩尖深度大于液化深度且液化后的安全系数大于2时, 桩基无明显震害。地震力作用的时段内液化往往未发展到桩头附近, 对桩的抗弯能力削弱不大, 故抗弯验算中可忽略液化的影响。液化对桩的竖向承载力确有削弱, 但因在地震作用的数十秒时间内, 桩来不及产生充分的竖向变形, 地震力因液化减震作用也比非液化时降低;且桩的竖向承载力由第二阶段的验算加以保障, 而第二阶段校核相当于非液化地基的静力校核。另一方面地震反应分析与室内振动台实验已证明, 液化地基上地面加速度最大值比非液化地基要小且出现在土中孔压达到液化之前, 桩基的最大加速度反应也在液化之前。图3为新泻液化的例子, 土层液化范围最大 (厚8m) 的时刻是在地震结束 (1min) 时, 而非地震峰值加速度出现的时刻 (0.5min) 。这种液化减震效应在计算中没有考虑, 而是作为安全储备的一部分。
1.3 打入桩法
此法是《工业构筑物抗震设计规程》 (1992) 推荐的方法, 也是《建筑抗震设计规范》 (GB50011-2001) 第4.4.3条第3款中采用的方法。该法适用于打入式预制桩及其他挤土桩。当平均桩距为2.5~4.0倍桩径且桩数不少于5×5, 可计入打桩对土的加密作用及桩身对液化土变形限制的有利影响。可按桩间土不液化、桩基外侧无应力扩散的假想墩式基础来校核桩基抗震能力, 单桩的承载力因液化而折减;但当打桩后桩间土标准贯入锤击数值达到不液化的要求时, 单桩承载力可不折减。但对桩尖持力层作强度效核时, 桩群外侧的应力扩散角应取为零。这总结了可液化土中考虑打入桩挤密作用的设计步骤。考虑打桩加密效果的设计方法, 在我国均已有工程实例, 只是尚未作为一个通用方法来应用, 对于多桩的结构, 这种方法可收到较好的经济效果。
2 存在问题与探究
尽管国内外的规范中对液化土中桩基的抗震设计给出一些简化的设计方法和规定, 可是由于对液化土中桩基的动力响应问题的研究仍然存在许多问题, 所以这些设计方法并不能很好地服务于工程建设, 造成了很多的资源浪费, 如液化土中桩的配筋范围就影响预制桩的专业化生产, 并且存在一些问题, 下面列举一二, 以利于该课题的探究。
2.1 以上各方法的缺陷
综上所述, 经过近几年国内外关于液化问题的深入研究, 规范已逐渐过渡到考虑地震和液化实际物理力学过程及出现概率的计算阶段。传统方法看来已过时, 其他几个方法都有依据。折减系数法在下列方面似感不足:拆减系数DE是否可以推广用到摩阻力与浅基承载力的折减上, 目前尚缺少直接试验的论证;缺少停震后孔压消散前的竖向力校核, 桩竖向承载力的验算, 由于依据不足, 该法不太明确。两阶段法在地表为非液化土时, 当作不液化土考虑是否安全;在主震后数小时发生较强余震时是否危险要进一步论证。以上方法, 均缺少足够的实际桩基震害校核。
2.2 土层交接面处的桩基设计问题
震害实录与数值分析已经证实, 土层刚度突变处地震时桩身弯矩和剪力都很大, 极易引起桩的损坏。地震对桩的作用相当于桩顶水平力作用与土层运动之和;土层运动产生的桩身内力以土层的刚度变化处为最大;地震动越强土层运动对桩身内力的影响随之增加。因为d法或是常数法只考虑了桩顶的水平力而不考虑地震时土层运动的影响;于是地震动越强, 计算地震时的桩身内力误差越大。从有限元及地震反应分析法得到的桩身内分布情况, 可以看出液化土或是软硬土交界面处的弯矩、剪力很大。目前除考虑桩土相互作用的地震反应分析可以较好地反映桩身受力情况外, 对一般工程中求解地震作用下桩身内力的方法 (如m法或是常数法) 而言, 桩身内力计算中无法反映软硬土交界面处的情况, 只能根据上述结论对现有规范规程作出一些修正。比如为确保桩身安全, 《建筑抗震设计规范》 (GB50011-2001) 中规定, 液化土中的桩的配筋范围, 应自桩顶至液化深度以下符合全部消除液化沉陷所要求的深度, 其纵向钢筋应与桩顶部相同, 箍筋应加密。这样就采取了相对有效的构造措施, 保证了软土或液化土层附近桩身的抗弯和抗剪能力。
2.3 桩的竖向承载校核问题
在两阶段分析法与综合法中已经提到了关于桩的竖向承载校核。如我国《建筑抗震设计规范》 (GB50011-2001) , 在地震力很小 (相当于地震影响系数最大值的10%) 及余震验算时, 液化土层的桩周摩阻力取零, 此外尚须扣除承台下2m深度范围内非液化土的桩周摩阻力。地震时桩轴力忽大忽小, 有时甚至为上拔力, 在校核桩的竖向承载力时对液化土的桩周摩阻力作适当折减;在地震后, 虽然地震作用消失, 但液化土的强度并未恢复, 有时甚至液化土中的孔压不再上升, 因此校核震后桩的竖向承载力是很有必要的。
3 结语
在近年来桩基震害实例与液化土中桩基的动力响应问题的分析研究成果的基础上, 国内外工程界对液化土中桩基抗震设计提出了不少的修改建议。作者认为今后的研究路线应从实际震害资料的收集、整理和分析出发, 采用模型试验方法与数值模拟计算方法相结合的研究手段, 来深入研究液化土中桩基的动力响应问题, 为液化土中桩基的抗震设计提供坚实的理论基础。
参考文献
[1]GB50191-93, 构筑物抗震设计规范.
[2]龚思礼.建筑抗震设计手册.中国建筑工业出版社, 1994:107-109
谈混凝土结构抗震加固方案 篇7
目前建筑工程抗震加固的要求已扩大到6度设防区, 与GB 50011抗震设计规范配套的鉴定与加固的技术标准已被实施, 结构抗震能力的综合分析研发被突出强调。
为确保我校师生员工的生命安全及响应上级主管部门对“校安工程”的工作部署, 2008年8月开始由本人负责组织对我校校舍进行了全面的抗震排查鉴定, 并根据鉴定结果采取了更新、加固改造及维修等措施。因此, 结合我校抗震加固工程实践, 本人对多层混凝土结构的抗震加固设计原则、设计方案等进行了系统分析, 以供相关工程参考。
2 抗震加固工程存在的主要问题及设计原则
考察了兄弟院校的抗震加固工程实例, 发现当前抗震加固工程存在的主要问题有:1) 工程造价的限制。学校加固工程资金来源多为财政专项, 基本控制在400元/m2~500元/m2以内, 限制了加固方案的选择;2) 加固设计所需的原始数据可靠性差。原设计资料遗失的现象较多, 现场补测难以做到全面、细致;3) 施工技术水平的制约。加固施工单位大多资质较低, 技术水平不高;4) 施工工期较短。校舍加固施工一般要求在暑期完成, 工期较短, 且施工过程中变更洽商较多等。
抗震加固结构的受力特点不同于新建结构, 属于二次组合结构, 新旧结构之间存在应力、应变滞后的现象, 故设计时需遵循以下原则:1) 应根据专业鉴定结论经综合分析后确定加固方案, 侧重改善构件的受力状况、提高结构的综合抗震能力;2) 加固方案应消除或减少抗震不利因素, 避免局部加强导致结构刚度或强度突变;3) 新增构件与原构件之间连接应可靠、协同工作, 新增的竖向构件的基础应可靠;4) 加固所用材料类型与原结构相同时, 其强度等级不应低于原材料的实际强度等级。
3 常用抗震加固方案及选择要点
3.1 常用抗震加固方案及其特点
随着我国经济和科技水平的发展, 抗震加固领域出现了一批新技术、新工艺、新材料。目前混凝土结构抗震加固方案有传统抗震加固法和新型抗震加固法两大类, 各种加固方案的特点如下:
1) 传统抗震加固方案。
加大截面法, 即外包混凝土加固法, 通过在原混凝土构件外, 叠浇新的钢筋混凝土, 以提高构件承载力和结构刚度、改善延性, 加固后能保证结构的整体性能。此法加固效果可靠, 质量稳定, 适应面广;但由于是湿作业, 具有工作量大、养护时间长、占用空间及加固后建筑物的净空有一定的减小等缺点。
外包钢加固法, 常采用湿式外包钢加固法, 即在型钢与原有构件之间采用乳胶水泥或环氧树脂化学灌浆等方法, 使外包钢与原有构件粘结成整体共同工作。此法适用面广、施工周期相对较短, 且可显著提高构件的承载力和抗震性能。但加固费用较高, 多用于需大幅度提高抗震承载力的钢筋混凝土梁与柱的加固。
粘钢加固法, 用粘结剂将薄钢板粘贴在被加固混凝土构件的表面, 使钢板与混凝土协同工作, 以提高构件承载力、抗裂性、延性的一种加固方法。此法对构件的外观、建筑使用空间影响较小, 且施工快、对钢材的利用率高, 加固成本低等, 得到了广泛应用。
粘碳纤维加固法, 采用粘结剂将碳纤维片材粘贴于被加固构件的表面, 从而达到提高构件承载力、改善抗震性能的目的。碳纤维布质轻薄, 基本不改变原构件截面尺寸, 且对原构件承受的荷载增加有限, 因此极适合于钢筋混凝土结构的加固。
2) 新型抗震加固方案。
改变结构受力体系法, 通过增加抗侧力构件如抗震墙、钢支撑等, 改变地震作用下结构的受力体系, 将地震作用的绝大部分转由新增抗侧力构件承担。此法加固效果明显, 仅需对增设抗侧力构件区域进行施工, 但需进行加固后结构的整体抗震计算, 避免加固后出现新的薄弱层, 保证新旧构件的可靠连接、协同工作。
效能减震加固法, 通过减震的途径对既有建筑进行加固, 即在既有抗侧力构件中设置消能部件, 通过消能部件的局部变形提供附加阻尼以耗散或吸收地震能量, 减少主体结构地震反应。耗能减震结构体系因安全可靠、经济合理而得到了广泛应用。目前效能减震装置应用较多的是粘滞阻尼器。
隔震加固法, 通过隔震的途径对既有建筑进行加固, 即在既有建筑的上部结构与基础之间及上部结构层间设置隔震层, 将地震变形集中到隔震层, 以隔离地震能量阻止其向上传递, 从而减小结构的地震反应。当前常采用基础隔震法。隔震加固技术具有投资少、速度快、节能环保的特点, 但需综合考虑结构合理性、造价、施工周期等因素, 较适用于装修档次较高、场地条件好且基础稳定性较好的建筑等。
3.2 加固方案的选择要点
建筑加固方案的优劣不仅影响加固成本、施工难易、对生产生活的影响等, 更重要的是影响加固的效果和质量, 这就涉及到方案的优选。
选择加固方案时应处理好以下几点:
1) 强化抗震加固的概念设计理念, 确定建筑的设防目标, 弄清使既有结构总体抗震能力达到设防要求的关键措施, 消除原结构存在的不规则、不合理等抗震不利因素。
2) 抗震加固不同于工程事故处理, 强调整体加固, 避免构件加固。结合使用功能、环境影响、投资控制、施工对生产生活的影响等要求, 选择合理的加固方案。
3) 保证加固措施的有效性, 保证加固构件与原结构可靠连接、协同工作, 避免加固后出现新的薄弱层。同时便于施工, 且尽可能减少对原结构构件的损坏。
4) 充分利用地基基础的现有承载力, 尽可能减少地基基础加固的工作量。主要原因有两点:
a.地基基础加固的难度较大。
b.根据统计分析, 地震造成的地基震害, 如液化、不均匀土层的差异沉降等, 一般尚未导致建筑的坍塌或丧失使用价值。因此采取提高上部结构抵抗不均匀沉降能力的措施, 即可减轻结构的震害。
5) 设计文件中应对选用加固材料要求作明确说明, 不宜选用强度等级过高的材料, 因过高的强度并不能真正发挥作用。
4 案例分析
4.1 工程概况
我校北二区教学楼工程建于20世纪80年代, 总建筑面积为13 185 m2, 6层钢筋混凝土无梁楼盖板柱和钢筋混凝土框架组成的混合结构。
4.2 鉴定结论
查阅原始资料, 发现原结构设计缺少必要的抗震构造措施, 多项内容明显不符合现行规范要求。经专业检测中心鉴定:原建筑未发现明显由于地基不均匀沉降产生的有害裂缝, 外观状况良好;混凝土强度偏低, 个别柱仅达到C18;配筋率偏低、主筋级别及直径不满足现行设计规范要求;框架抗震墙间屋盖长宽比超出规范要求等等, 表明该建筑不符合我国现行抗震规范设计要求, 需进行加固处理。
4.3 加固方案
按使用功能不变、后续使用年限30年为目标, 对该建筑进行了抗震加固设计。据原竣工图纸、鉴定报告、结构实际状况, 经计算、方案比选及经济分析, 最终确定如下加固方案:对配筋不足的混凝土梁采用粘贴碳纤维布加固法, 梁底粘贴与梁同宽的碳纤维布、梁侧粘贴U形碳纤维箍;对轴压比超限的混凝土柱采用增大截面加固法;对框架部分增设钢筋混凝土抗震墙、增设楼面叠合层对楼板、梯板进行加固处理。
5 结语
由于抗震加固是提高既有建筑结构抗震性能的一项重要技术措施, 因此得到了各界的高度重视。近年来相关技术标准也被更新实施, 使得此项工作的实施更科学、安全、经济合理。抗震加固结构的受力特点不同于新建结构, 设计时需搞清使结构总体抗震能力达到设防要求的关键措施, 消除原结构存在的不规则、不合理等抗震不利因素, 并保证新旧结构可靠连接、协同工作, 避免加固后出现新的薄弱部位。
参考文献
[1]GB 50023—2009, 建筑抗震鉴定标准[S].
[2]JGJ 116—2009, 建筑抗震加固技术规程[S].
[3]GB 50367—2006, 混凝土结构加固设计规范[S].
[4]DB 11/T689—2009, 建筑抗震鉴定与加固技术规程[S].
抗震设计方案 篇8
地震灾害的高度不确定性和现代地震灾害引起的巨大经济损失的特点, 使世界对过去长期视为正确的设计思想和方法进行了反思, 认为过去的抗震设计只以人身安全为目标是远远不够的, 抗震设计不仅应考虑人身安全, 而且应考虑建筑破坏所造成的巨大的经济损失能得以控制。抗震设计如何能既经济又可靠的保证结构的功能在地震的作用下不致丧失甚至不受影响, 进一步探讨更完善的结构抗震设计思想和方法成为了迫切的需要。
使用至今已长达将近20年的公路89抗震规范, 今年正式废除使用, 它已不能满足我国公路桥梁快速发展和建设的需要。在此期间, 世界各国桥梁抗震理论和技术有了显著的发展, 而且, 美国、日本等国家的抗震设计规范设计思想已经大大领先于我国的工程界。因此, 经过长时间的准备、讨论与修正, 交通运输部将公路桥梁抗震设计的要求和规定单独成册, 在2008年10月1日实施了抗震细则, 随后在2014年发布实施新公路工程抗震规范, 以供公路桥梁设计部门进行抗震设计时遵循。《公路工程抗震设计规范》JTG B02-2013 (以下简称新规范) 较《公路工程抗震设计规范》JTJ004-89 (以下简称老规范) 在设计思想、安全设防标准、设计方法、设计程序和构造细节等诸多方面均有很大的变化和深入, 限于篇幅, 本文主要介绍新规范的桥梁抗震设计思想。
1、抗震设防标准
抗震设防标准是桥梁结构抗震设计的最基本问题。过去的几十年的时间里, 研究者和工程师都提出分级抗震设防的原则:即小震不坏;中震发生有限的结构或非结构构件的破坏;大震发生严重的结构和非结构构件的破坏, 但不产生严重的人员伤亡;而在可能袭击工程场地最严重的地震作用下, 结构不倒塌。这些基本的结构性能目标至今仍被大多数的设计规程所采用。但传统的方法是, 只针对单一的地震作用水平进行结构的抗震设计, 如老规范就是这样。现在的问题是针对每一个目标都给出相应的具体设计程序。这样一来, 就需要对目前实际上还是单一水准强度抗震设计原则进行修订, 采用多水准、多设防目标和多阶段的抗震设计原则。08细则和新规范参照国外桥梁抗震设防的性能目标要求, 同时考虑了和老规范中桥梁抗震设防性能目标要求的延续性, 规定:A类桥梁的抗震设防目标是中震 (E1地震作用, 重现期约为475年) 不坏, 大震 (E2地震作用, 重现期约2000年) 可修;B、C类桥梁的抗震设防目标是小震 (E1地震作用, 重现期约为50~100年) 不坏, 中震 (重现期约为475年) 可修, 大震 (E2地震作用, 重现期约2000年) 不倒;D类桥梁的抗震设防目标是小震 (重现期约为25年) 不坏。08细则和新规范的桥梁分类情况如表1所示, 各抗震设防类别桥梁的抗震设防目标如表2所示。
2、桥梁能力设计思想
新西兰学者Park等在20世纪70年代中期提出了结构抗震设计理论中的一个重要原则—能力保护设计原则, 并最早在新西兰混凝土设计规范 (NZS3101, 1982) 中得到应用。以后这个原则先后被美国、欧洲和日本的等国家的桥梁抗震规范所采用, 我国在08细则和新规范中引入了能力设计思想。所谓能力保护就是对延性抗震设计桥梁的基础、上部结构构件, 以及可能出现塑性铰的桥墩的非塑性铰区进行的加强设计。目的是保证非塑性铰区的弹性能力高于塑性铰区, 避免发生非塑性铰区发生塑性变形和剪切破坏。通过设计, 使结构体系中的延性构件和能力保护构件形成强度等级差异, 确保结构构件的地震破坏只发生在预定的部位, 而且是可控制的, 不发生脆性的破坏模式。能力设计方法的主要思路是对构件间或构件内不同受力形式间的承载能力差的控制, 保证钢筋混凝土结构形成梁铰机构和延性较大的正截面受力破坏形态, 使结构具有足够的弹塑性变形性能, 保证大震时具有足够的能力耗散性能, 避免产生脆性破坏和出现不利的机构形式。通过简单的链接来具体阐明能力设计方法的基本原理, 图1所示n个强度为的脆性链子与1个强度为的延性链子具有相当大的塑性变形能力。图1所示, 如果延性链子强度不小于脆性链子强度, 则当P的强度大于两者的强度, 最先断裂的可能就是脆性链子, 延性链子不能充分耗能;相反若脆性链子的强度均比延性链子可能发挥的最大强度还要高, 那么断裂时延性链子发生非弹性变形, 而脆性链子则未发生破坏。在这个过程中, 整个链子的最大强度由延性链子可能发挥的最大强度决定, 脆性链子受到的拉力因始终低于其设计强度而不会遭受破坏, 延性链子的作用就如同保险丝一样保护了整个电路。
能力设计方法中, 延性构件就是图1中的延性链子, 而能力保护构件 (脆性构件和不希望发生非弹性变形的构件) 就是其中的脆性链子。能力设计方法的关键是将控制概念引入结构的抗震设计, 有目的的引导形成对结构有利的破坏机制和破坏模式, 避免不合理的结构破坏形态, 并设法保证预计破坏部位的弹塑性变形能力。从上面分析可以看出能力设计方法主要有两方面的设计:一是能力保护构件设计;二是延性构件。
3、弹性抗震设计
由于老规范只采用一阶段设计, 通过引入综合影响系数来折减地震力后采用弹性抗震设计, 这种设计思想使得在高烈度地区的桥梁下部结构配筋非常之高, 而新规范在小震不坏的设计指导思想下, 采取了只在小震情况下考虑弹性抗震设计方法, 要求桥梁在E1地震情况下满足强度验算, 通过这种设计方法可以大大降低下部结构的配筋率, 降低了桥梁工程的造价。
4、桥梁延性抗震设计
1971年美国圣弗尔南多地震爆发以后, 各国都认识到结构的延性能力对结构抗震性能的重要意义。在1994年美国北岭地震和1995年日本神户地震爆发后, 强调结构总体延性能力已成为一种共识。抗震设计方法正在从传统的单一强度理论向延性抗震理论过渡。目前, 大多数国家的桥梁抗震设计规范已经采纳了延性抗震理论。在大震情况下采用延性设计是新规范的创新的地方, 他的指导思想就是大震不倒, 所谓延性就是指在外力作用下, 结构变形超过弹性阶段后, 其承载能力无显著下降的情况下, 结构的非弹性变形能力。结果变形能力大, 延性就好, 其破坏称为延性破坏 (或塑性破坏) ;相反, 延性越差, 属于脆性破坏。按照研究对象的不同延性可分为材料延性, 截面延性, 构件延性, 结构延性, 节点延性。截面的延性通常用曲率延性、转角延性或者位移延性来表示。从延性的本质来看, 它反应了非弹性变形的能力, 能够保证强度不会因为发生非弹性变形而急剧下降, 对结构或构件而言, 如果结构或构件在发生较大的非弹性变形时其抗力仍没有明显的下降, 则这种结构或构件称为延性结构或延性构件。
延性抗震设计思想主要是利用结构、构件自身的延性耗能能力来抵抗地震作用, 设计时是通过增加结构、构件延性来实现, 对结构允许出现塑性铰的部分进行专门的延性设计。在该方法中, 容许很大的地震力和能量从地面传递给结构, 而抗震设计时要考虑的问题是如何为结构提供抵抗这种地震力的能力。同时在大震不倒总体思想指导下, 还要保证结构延性可控, 如果延性过大会使得桥梁结构倒塌成为大概率事件, 这就要求结构在弹性阶段就消耗掉相当比例的地震力。结构延性设计的目的在于保证结构在构件屈服之后仍具有充足的变形能力, 依靠结构的弹塑性变形耗散地震能量, 保证屈服部分发生延性破坏, 避免结构脆性破坏的发生和整个结构的倒塌。设计的重点是要选定结构中潜在塑性铰区的位置, 把塑性铰截面的抗弯强度尽可能设计得与需求的强度接近, 并确保塑性铰能够提供设计预期的塑性转动能力。
5 桥梁减隔震设计
随着地震级别的增大或者遇到特别重要的桥梁时, 就要对结构进行减隔震设计。减隔震设计是08版抗震细则的一个亮点, 随着国内工程界对地震机理和结构地震动反应研究越来越深入, 结构减、隔震和耗能技术经过数十年的研究和开发后, 国内已经进入实用阶段, 而老的规范没有任何关于减隔震方面的条文。国际上, 日、美、欧、新西兰等主要地震国家和地区的桥梁抗震设计规范已经引入相应的条款。我国新的《城市桥梁抗震设计规范》和08版抗震细则中也将桥梁减隔震设计单独成章, 充分体现出了其重要性。
与延性抗震允许很大的地震能量传到结构构件上不同的是, 桥梁的减隔震技术是将很大一部分地震能量转移到减隔震装置上, 这大大降低了结构本身的地震响应, 使结构处于弹性工作状态。地震下的结构动力响应有两个基本规律:结构周期延长至地震波频率范围以外时, 地震响应会大大减小;结构阻尼越大, 耗散地震能量越多, 地震反应越小;从加速度谱中我们可以看出, 随着周期增长, 地震加速度反应值迅速减小, 同时从位移谱中也可以看出, 周期延长伴随着结构位移的大幅度增长, 这有可能给结构设计带来一定的困难。因此, 我们可以在结构上外设柔性装置增大结构周期的同时, 添加阻尼元件耗能, 从而减小结构的位移和加速度。这就是减隔震技术的思路过程。
减隔震技术是通过延长周期、增大阻尼来减小地震反应。而当桥梁结构体系
较柔, 自身周期较长, 或场地卓越周期与隔震周期接近时, 使用减隔震技术容易引起地基与桥梁共振, 不仅不能很好的起到减震的作用, 反而会增大不利的地震响应。因此, 在比较软弱、不稳定、易于发生液化的场地, 下部结构高度大柔性明显等情况, 不宜采用减、隔震装置。事实上, 国外规范以及我国的08版抗震细则已经对此有所规定。减、隔震装置适用于以下几种情况:桥梁自振周期较短;场地条件比较好, 具有较高的卓越频率和在长周期范围内所含能量较低;支座不承受负反力。因此, 中小跨径的梁式桥在多数情况下可尝试采用减隔震技术来保证地震中桥梁的安全性能。
6 桥梁抗震思想对比
下面从设计思想和设计方法两方面, 将桥梁抗震的新老规范做一个对比。老规范基本思想:单一水准的抗震设防思想。在发生与设计基本烈度地震相当的地震影响时, 位于一般地段的高速公路、一级公路工程, 经一般维修即可正常使用;位于一般地段的三级公路工程, 经短期维修即可恢复使用;三、四级公路工程和位于地震危险地段的高速公路、一级公路工程, 保证桥梁、隧道及重要构造物不发生严重损坏。设计方法:单水平设计, 在设计地震作用下对结构的强度进行常规验算, 基本不涉及与结构位移和延性有关的设计过程。
08抗震细则和新规范的基本思想:采用能力设计的两水准抗震设防思想。当遭受桥梁设计基准期内发生概率较高的多遇地震影响时, 一般不受损坏或不需修理可继续使用, 当遭受桥梁设计基准期内发生概率较低的罕遇地震影响时, 应保证不致倒塌或产生严重结构损伤, 经加固修复后仍可继续使用。设计方法:两阶段设计。各类桥梁必须进行多遇地震作用下的弹性抗震设计, 除6度地区以外, A、B、C类桥梁还必须进行罕遇地震作用下的延性抗震设计。
7、小结
新规范相比老规范抗震设计思想有很大的提高, 通过以上几个方面的阐述, 可以知道新规范采用分标准、分情况、分阶段的设计方法对桥梁结构进行抗震分析, 大大提高了规范的可操作性和实用性, 是国内抗震思想和设计方法的一个巨大的进步。
摘要：2014年2月1日《公路工程抗震规范》JTG B02-2013开始正式施行。新规范相对于原《公路工程抗震规范》JTJ 004-89在桥梁的抗震设计思想方面有了很大的提高和创新。为方便设计人员参考, 在此对新抗震规范桥梁抗震设计思想进行了介绍和阐述。
参考文献
[1]中国交通运输部.JTG B02-01-2013公路工程抗震规范[S].北京, 人民交通出版社, 2014
[2]中国交通运输部.JTG/T B02-01-2008公路桥梁抗震设计细则[S].北京, 人民交通出版社, 2008
[3]中国交通部.JTJ 004-89公路工程抗震设计规范[S].北京, 人民交通出版社.1999