概念设计在建筑抗震设计中的重要性和实现方法

杨 杰,张 敏,李红培

(1.四川省南充市顺庆区建设工程质量监督管理站,四川 南充 637000;2.四川省嘉益房地产开发有限责任公司,四川 南充 637000;3.西南石油大学建筑工程学院,四川 成都 610500)

大量的震害调查和分析表明:要减轻房屋建筑的地震破坏,设计出一个合理、有效的抗震结构,仅仅依赖于计算分析是不够的,往往更多地依靠良好的“抗震概念设计”。与“计算设计”相比,概念设计是指人们借助于地震灾害和工程经验积累等形成的基本设计原则和设计思想,进行建筑和结构的总体布置并确定细部构造的设计过程。概念设计内容丰富、应用广泛,贯穿结构选型、方案设计、结构布置、计算简图抽象、计算结果处理、施工图绘制等设计的整个过程[1]。地震作用的不确定性、现行设计规范和设计方法的固有缺陷以及计算机结构设计软件的发展和普及,使得概念设计在建筑抗震设计中的重要性进一步加强。在建筑结构设计中,概念设计与结构构造措施在一定程度上反映了一个结构工程师的设计水平。

1 概念设计在抗震设计中的重要性

1.1 地震作用的不确定性

地震是在极其复杂的地质结构中孕育发生的,它的过程是高度非线性、极为复杂的物理过程。人类迄今为止对这一过程的了解很少。当前科学技术虽然突飞猛进,但仍然是“上天容易入地难”,人们还不能对地震孕育发生的 10～20km深处进行直接观测,即使是设在地表的间接观测也十分稀疏。通常情况下,人们把危险性分析中的不确定性按其来源,从客观到主观作 5个层次的划分,即:地震固有的随机性;理想模型相对于事物的不确定性;实际模型引入的不确定性;不完善的模型引入的不确定性和主观倾向性引入的不确定性。对地震不确定性的分析和判定,是工程地震的重要内容。地震作用强烈的不确定性,决定了在结构抗震设计中仅仅依靠现有的“计算设计”是远远不能满足要求的,必须辅以必要的概念设计,用以抵抗、消除地震作用的种种不确定性。

1.2 现行设计规范中的缺陷

《抗震设计规范》(GB 50011-2001)制定了二阶段(弹性阶段和塑性阶段)的设计方法和三水准(小震不坏、中震可修、大震不倒)的设防目标[2],其先天缺陷在于中、小地震概念不明,大地震缺乏量化计算手段。在现行的结构设计体系下,小震不坏和中震可修可以通过“计算设计”使建筑物具有充足的延性来实现;而对于大震,由于缺乏量化计算手段,其不倒的目标只有通过概念设计来实现。历次地震教训告诉我们,地震中 90%以上的人员伤亡是由建筑物倒塌造成的。汶川地震后,如何通过工程手段实现真正意义上的“大震不倒”,一直是学术界和工程界研讨的热点和努力的方向[3]。好的概念设计从结构选型开始,就奠定了结构体系明确的受力体系和良好的耗能能力,确保建筑物在遭遇大震时屹立不倒,更好地保护人民群众的生命财产安全。与“计算设计”加大截面、增多配筋等办法相比,好的概念设计显得更加经济、合理,而且效果更加明显。

此外,我国现行的结构设计理论与计算理论采用以概率理论为基础的结构极限状态设计准则,与过去经历过的经验估算法、容许应力法及破损阶段法相比,它更科学、更合理,但也存在一些缺陷或不可计算性,即它对具体空间结构体系整体研究存在一定的局限性,只能视作近似概率法。为了弥补这一缺陷,或者实现对实际存在的大量无法计算的结构构件的设计,就必须用良好的概念设计与结构措施来满足结构设计的目的。

1.3 设计软件的开发和普及

设计软件的开发和发展成熟,把结构工程师从繁琐的计算中解脱了出来,结构设计从建立模型到出图、打印,大量的计算开始由计算机承担,大大提高了结构设计的工作效率和质量。与此同时,一种错误的观念也开始产生、蔓延:认为结构设计很简单,只要遵循规范、手册、图集,等待建筑师给出一个非结构性方案,即可使用计算机在某种设计下完成结构设计了。久而久之,计算机设计软件的普及客观上造成了许多设计人员缺乏结构设计的概念、对规范与软件之间的缺乏了解,从而无法对计算结果进行判断。实际上,在计算机取代设计人员完成大量计算后,概念设计已经成为设计人员最重要的设计任务,它在整个结构设计中的重要性进一步得到加强,对概念设计的应用水准,也逐渐成为判定一个结构工程师设计水平高低的标准[4]。

2 概念设计的实现

2.1 场地要求

地震对建筑物的破坏作用是通过场地、地基和基础传给上部结构体系的。在具有不同工程地质条件的场地上,建筑物在地震中的破坏程度是明显不同的,故对于场地条件的选择是抗震设计的第一步。一般选择有利地段、避开不利地段,重要建筑不应建在地震断裂带、条状凸出的山嘴、高耸孤立的山丘等危险地段,同一结构单元不宜设置在性质截然不同的地基土上,当地基有软黏性土、液化土、新近填土或严重不均匀土层时,应加强基础的整体性和刚度[5]。

2.2 平、立面布置

大量震害事实表明,规则、简单、对称的建筑平、立面布置震害较轻,原因在于规则、简单、对称的结构体系受力明确,荷载传递路径合理,结构体系在地震作用下,始终保持良好的整体性,结构构件在地震作用下共同、协调承受地震作用,从而提高建筑物承受地震作用的能力。根据规范的要求,平面宜简单、规则、对称、减少偏心,刚度中心与质量中心尽量重合;质量大的跨间不宜布置在结构单元的边缘,质量大的设备宜布置在距刚度中心较近的部位;尽量少采用大悬挑结构;围护结构宜采用轻质材料[6]、[7]。

2.3 多道抗震防线

“89规范”第一次提出了多道抗震防线的抗震设计要求,所谓多道抗震防线即指结构体系是由若干个延性较好的分体系组成,并由延性好的连接构件连接起来协同工作[8]。具有多道抗震防线的结构体系具有最大可能数量的内部、外部赘余度和耗散大量地震能量的能力,在遭受罕遇地震时第一道防线可能遭受破坏,部分结构退出工作(如框架结构的填充墙、砖混结构的砖砌体等),多道抗震防线将会避免因部分构件破坏而导致结构体系丧失抗震能力和承受荷载的能力,从而实现“大震不倒”的设防目标。

2.4 构件之间的连接

结构构件之间连接的可靠性必须得到保证,结构体系的整体性和稳定性才能得到保障。例如:按照规范要求,砌体结构中的预制空心板应与圈梁或楼面大梁可靠拉结,否则在地震作用下楼面板极易脱落,造成结构局部或整体倒塌[9]。

3 结 论

(1)在现有的技术条件下,地震及地面运动高度的不确定性还难以精确地量化计算;结构抗震规范所采用计算理论本身也还有缺陷,尚不能充分反映地震时结构反应及破坏的复杂过程。上述原因决定了概念设计仍然是建筑抗震设计的重要内容,且随着计算机设计软件的开发和普及,其重要性得到了进一步加强,只有建立在正确的“概念设计”的基础上并辅以必要的抗震计算而完成的抗震设计,才能使结构物具有较可靠的抗震性能。

(2)严格按照规范要求进行场地选择和进行平立面布置,在设置多道防线的同时,保证构件之间可靠的连接,是结构抗震概念设计的基本原则,也是实现规范“三水准”抗震设防目标的重要途径和方法。

[1]尚守平,周福霖.结构抗震设计[M].北京:高等教育出版社,2003

[2]戴国荣,王亚勇.房屋建筑抗震设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2005

[3]Hongpei Li,Hongling Sun,Peng Zhang.Analysis on Seismic Damagesof the School Buildings in the Wenchuan Earthquake and Seismic Isolation Design Recommendation in the Important Buildings Reconstruction[C].Wenhao Liang,Qiao Li,Bo Gao.Proceedings of International Conference on Earthquake Engineering.2009

[4]陈刚.建筑结构设计中的概念设计与结构措施[J].广西大学学报(自然科学版),2007,32(增刊)299-301

[5]樊永华.概念设计在结构设计中的应用[J].陕西建筑,2008,34(12):84-85

[6]吴晓春.结构设计中的概念设计用[J].山西建筑,2006,32(15):60-61

[7]GB 50011-2001建筑抗震设计规范(2008年版)[S]

[8]冯汉颋.概念设计在抗震设计中的应用[J].淮南师范学院学报,2002,15(14):23-24

[9]王亚勇.地震建筑震害启示 -抗震概念设计[J].建筑结构学报,2008,29(4):26-33