从材料上来说,钢结构和钢筋混凝土结构,因为其整体性,显然优于砌体结构。
从结构上来说,抗震设计主要就是三种设计思路:
1.靠刚度取胜
2.靠柔性取胜
3.靠耗能取胜
1.刚度嘛,设想一下放一个铁盒子在地上肯定怎么震也坏不了。如果担心它整体翻倒掉,再在底上加焊一个足够宽大的铁板。(个人觉得CCTV就是这种思路。。。。)
对于刚度来说,多层、高层建筑最好的选择就是钢筋混凝土的框架-剪力墙结构。框架和剪力墙的组合在于,框架结构的变形能力大,延性好,但侧向刚度小;剪力墙结构的抗侧刚度大,二者合用优势互补。
所谓抗侧刚度,就是对于非震中的大部分地震地区建筑,所受到的最主要的地震力的水平方向的力,抗侧刚度就是抵抗这种水平力的刚度。
但对框架的间距(8米左右最佳)、剪力墙的布置有很多要求,建筑师可能不喜欢。
2.不能做到真正的钢板一块的时候,还需要用一种靠接近“柔性”的思路来调整,最基本的是建筑物每隔一段距离设计一道一定宽度的抗震缝,把建筑物化整为零,免得被地震撅折了。
日本人的抗震技术中有一种是在桥梁或者重要的高层建筑基础处垫一种高强度高耐久的弹性材料,(好像是橡胶?),相当于自行车减震。
再有高层建筑因为变形较大,有的在顶端放一块非常重的东西,人工控制,多用于抗风,对地震应该也有用吧。楼顶往东倒时就把它往西移,楼向西倒时就往东移,保护平衡。
3.耗能结构的思路是,在结构上设计一段短且受力集中的梁、斜杆、结点等(这是很容易通过结构计算设计出来的),这一部位采用变形能力大的钢结构或其它高阻尼结构,在地震中吸收耗散大部分能力,并且在效长时间之内不会出现结构失效。比如钢结构的偏心斜撑结构,
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上图中斜撑右端和横梁与右端柱的交点之间的一小段梁段,即为耗能梁段。
又如日本人发明了一种带竖缝的钢筋混凝土板,开缝墙板自身的刚度和承载力下降了,但在地因为它率先破坏吸收了大部分地震能力,保护了其他主要的梁柱结构。
地震中暴露出在大陆广泛地存在的楼宅设计、施工等方面的6个致命问题 zz
1.建筑平面布置不规则
如正门为做店面大开洞加玻璃橱窗。地震时柱子折断,骑楼倒塌带动主体结构前倾,层层跌落。
或是底层作车库、商场,也就是正门大开洞,三面有墙,建筑平面刚度不均匀。
地震时底层倒塌,带动上部结构层层跨落成“千层饼”破坏形状。
2.建筑立面布置不规则,竖向刚度突变。
建筑沿竖向或因层高突然变化,或在某层抽掉柱子形成空旷,或为追求大开间无梁无柱等均导致结构竖向不规则,刚度和强度突变。
此类建筑在地震中破坏最为严重,而且破坏多集中在这些薄弱部位。
合理的建筑布置在抗震设计中是头等重要,平、立面简单对称的建筑在地震时较不易破坏。
而且道理也很清楚,简单、对称的结构容易估计其地震时的反应,也容易采取抗震构造措施和进行细部处理。
3.抗震措施和抗震构造措施不当。
在抗震设计中,“抗震措施”和“抗震构造措施”是两个不同的概念。
“抗震措施”是指除地震作用计算以外的抗震设计内容,包括建筑总体布置、结构选型、地基抗液化措施等,主要是考虑概念设计要求对地震作用效应的调整,以及各种结构措施;
“抗震构造措施”是指根据抗震概念设计的原则,一般不需做计算而对结构和非结构各部分所采取的细部构造。
抗震构造措施要求是作为抗震验算的一种补充和保证。
这就足以证明抗震措施和抗震构造措施的重要性,但由于是构造措施而往往容易被人们忽视。
如某些结构设计梁柱节点配筋不足,窗间墙过短,短柱,承重墙体高宽比过大,柔性底层建筑,抗震墙不连续,不规则开洞,悬挑构件过长等。在地震时破坏集中在这些薄弱部位。
4.个别结构设计过于大胆,设计缺乏抗震概念设计。
有的建筑结构系统规划不周全,结构设计过于大胆,再加上施工质量有问题,剪力墙面积太少,中庭挑高影响结构安全。
5.建筑规划和选址不当。
城市中楼房间距太小,过分密集,导致一栋楼房倒塌祸及其它楼房。
房屋建造在软弱地基或可液化场地或临近地震断层,地震对场地液化导致地基失效,房屋倾斜。
6.施工质量问题
地震时倒塌和破坏的建筑物暴露出以往许多严重的施工质量问题。
如不按设计要求施工,设计与实际施工不同,偷工减料,未按抗震设计要求施工等也是倒塌的重要原因。
如:部分楼房柱子过细,配筋不足,箍筋间距过大,弯钩、搭接长度、锚固长度、纵筋在同一截面搭接等均不符合抗震设计要求。
地震中暴露出的设计、施工等方面的问题,在大陆广泛地存在。
中国建筑结构抗震都是根据抗震规范设计的,根据每个地区的抗震烈度、地震效应进行计算。
中国的抗震体系是刚性体系,讲究强节点强锚固,相信剪力墙抗震>框架剪力墙>框架结构。
日本讲的是柔性体系,他们对框架研究很透(日本框架结构能盖100米以上,这在中国是绝对禁止的),框架结构在日本也被广泛应用,他们讲究的吸震、耗能,通常在高层结构设置阻尼减震装置。
总体上:日本抗震理念是基于性能的抗震理念,针对的是具体的工程,针对性和灵活性都很强。
我国是基于规范的抗震理念,针对的是规范,局限性很大。我们的结构工程师有不会基本的结构计算的,但只要懂得使用PKPM等一些软件就能做结构设计。
我曾和日本结构工程师聊过也和中国做超限审核的专家讨论过,也曾旁听过国家新规范的编制。我觉得中国抗震规范、结构体系一定要修改,也许很难,但势在必行,中国结构一些老家伙刚愎自用,不愿意了解国外先进技术。中国的结构设计规范就是古代的八股文,大大限制了建筑合理性。
剖析台湾921大地震建筑倒塌的原因
一.基本概况
一九九九年九月二十一日凌晨一时四十七分,在我国台湾省中部南投县集集镇,发生了里氏7。3级的强烈地震,地震地面最大加速度高达984伽,而本区抗震设计采用的地震地面最大加速度为230伽。地震持续的时间长达40秒钟,而且地震是上下、水平同时发生。地面垂直错位最大有 10米。本次大地震造成严重人员伤亡和财产损失,死亡2246人,受伤8735人,毁坏房屋17484栋,其中包括619栋学校及许多公共建筑,直接经济损失超过1000亿新台币。大量的建筑如骨牌一般应声倒塌,充分暴露了台湾建筑 行业在技术标准规范、设计、施工、使用和管理各方面的问题。
二.建筑物震害基本特征
据统计资料显示,台湾省五个县的十六个市、镇、乡共倒塌房屋17484栋,其中严重毁坏的有9909栋,半倒塌的有7575栋,其中很多是当地称为“三合院”“土角厝”,是以黄泥、石灰加稻草屑制成的土坯砌墙、木屋架上铺小青瓦的民房,在地震时几乎100%倒塌;在城镇也有大量的多、高层钢筋混凝土建筑倒塌破坏,其中不乏高级住宅、银行、写字楼和豪华酒店,还有学校、车站等公共建筑,与1995年日本阪神地震和1996年云南丽江地震相比,本次地震中,多、高层钢筋混凝土结构破坏较多。
由大量倒塌的多、高层建筑破坏实例可以看出,几乎倒塌的多、高层建筑,全是被当地称为“软脚虾”“骑楼”的建筑。所谓“软脚虾”就是指住户及建筑商为制造空间,而把一楼挑高、掏空,作为车库及商业用房,形成建筑中的“薄弱层”;所谓“骑楼”是指沿主要大街的房屋,一层收进,二层以上伸出,作为防雨遮阳的人行通道。
三.震害原因分析和经验教训
1.地震预报和地震区划的不准确
地震学家多年来一直认为台湾东部为地震高危险区,建筑物的抗震设防标准高于中部一至二级。本次地震发生在台湾中部,震中震度高出设防标准二级以上,即地震力比设计中地震力高出4倍以上,实际的仪器记录也证明了这一点。
2.抗震规范方面
台湾现行的“建筑物耐震设计规范”是1998年制订的,而在次之前一直 采用1982年制订的“建筑物耐震设计规范”。这本规范基本上照搬美国的 “统一建筑规范”UBC的版本,台湾工程界认为此规范对抗震概念设计相当薄弱,构造措施也很粗糙。而且对于现有建筑结构的抗震鉴定、评估和加固则也无标准规范可循。
3.设计问题较多
根据有关资料,以下几种典型设计失误造成了建筑震害
(1)建筑平面布置不规则
当地传统的带有骑楼的“透天厝”楼房,在骑楼前部仅由柱子支撑,正门为做店面大开洞加玻璃橱窗。地震时柱子折断,骑楼倒塌带动主体结构前倾,层层跌落。本次在台湾许多沿街建筑属此类破坏。这种建筑形式在大陆闽南、潮汕地区也很常见。
另一种是底层作车库、商场,也就是正门大开洞,三面有墙,建筑平面刚度不均匀。地震时底层倒塌,带动上部结构层层跨落成“千层饼”破坏形状。如彰化县员村镇富贵名门大楼为16层钢筋混凝土结构,平面为碟形,下部为车库,属不对称平面布置,地震时扭转效应严重,导致五层以下塌平,五层以上各层重叠成阶梯形塌落。
(2)建筑立面布置不规则,竖向刚度突变。
建筑沿竖向或因层高突然变化(所谓“挑高”),或在某层抽掉柱子形成空旷(所谓“挑空”),或为追求大开间无梁无柱等均导致结构竖向不规则,刚度和强度突变。此类建筑在本次地震中破坏最为严重,而且破坏多集中在这些薄弱部位。比较典型的有:南投县汽车站三层建筑底层候车大厅空旷少墙,二、三层为办公用房,横墙较多,地震时底层塌平;台北市“东星大楼”(12)层,地下有大型停车场,地上一、二层为银行写字楼,抽柱削梁墙也少,三层以上为住宅,刚度很大,地震时底部倒塌带动上部各层一起倒塌,九楼变一楼。
以上震害实例分析证明合理的建筑布置在抗震设计中是头等重要,提倡平、立面简单对称。因为震害表明,简单、对称的建筑在地震时较不易破坏。而且道理也很清楚,简单、对称的结构容易估计其地震时的反应,也容易采取抗震构造措施和进行细部处理。“规则”包含了对建筑的平、立面外形尺寸,抗侧力构件布置、质量分布,直至承载力分布等诸多因素的综合要求。“规则”的具体界限随结构类型的不同而异,需要建筑师与结构工程师互相配合,才能设计出抗震性能良好的建筑。
(3)抗震措施和抗震构造措施不当。
在抗震设计中,“抗震措施”和“抗震构造措施”是两个不同的概念。“抗震措施”是指除地震作用计算以外的抗震设计内容,包括建筑总体布置、结构选型、地基抗液化措施等,主要是考虑概念设计要求对地震作用效应的调整,以及各种结构措施;“抗震构造措施”是指根据抗震概念设计的原则,一般不需做计算而对结构和非结构各部分所采取的细部构造。抗震构造措施要求是作为抗震验算的一种补充和保证。这就足以证明抗震措施和抗震构造措施的重要性,但由于是构造措施而往往容易被人们忽视。
本次通过对台湾大地震严重破坏但未倒塌的建筑物结构分析表明:某些结构设计梁柱节点配筋不足,窗间墙过短,短柱,承重墙体高宽比过大,柔性底层建筑,抗震墙不连续,不规则开洞,悬挑构件过长等。在地震时破坏集中在这些薄弱部位。
(4)个别结构设计过于大胆,设计缺乏抗震概念设计。
从本次破坏情况分析来看,有的建筑结构系统规划不周全,结构设计过于大胆,再加上施工质量有问题,剪力墙面积太少,中庭挑高影响结构安全。如:中山国宾大楼为中庭挑高建筑,一楼作为公共空间,故墙壁很少,且整个大楼外墙未设剪力墙,且开窗很多,形成建筑抗震上的所谓“柔软”底层而倒塌。
(5)建筑规划和选址不当。
城市中楼房间距太小,过分密集,导致一栋楼房倒塌祸及其他楼房。如:台中县丰原市十一层“向阳永照”大楼倒塌后,压倒临近建筑。
房屋建造在软弱地基或可液化场地或临近地震断层,地震对场地液化导致地基失效,房屋倾斜。如:南投县中兴新村一座钟楼和十一层的“金陵世家”住宅楼由于场地液化造成建筑严重倾斜。
四.施工质量问题
本次地震时倒塌和破坏的建筑物暴露出许多严重的施工质量问题。据台湾媒体报道“施工不确定(不按设计要求施工),设计与实际施工不同,偷工减料,未按抗震设计要求施工”等也是倒塌的重要原因。如:部分楼房柱子过细,配筋不足,箍筋间距过大,弯钩、搭接长度、锚固长度、纵筋在同一截面搭接等均不符合抗震设计要求。
大陆和台湾在建筑形式和建筑构造技术上有许多共同之处,而且均位于地震多发生地带,台湾九二一大地震中暴露出的设计、施工等方面的问题,在大陆也同样存在,希望籍此引起国内勘察、设计、施工等的重视和借鉴。
所谓免震建筑法就是不使地震产生的力直接作用于建筑物,以避免建筑物的破坏。具体地说,就是在建筑物与地基之间加进一种特殊装置,用以吸收地震动的能量,把建筑物的晃动控制在最小程度,使建筑物不受损坏。这种建筑结构的设想虽然早已提出,但一直未引起人们的重视。日本在1995年1月阪神大地震发生前,在神户建有2栋免震楼房。阪神大地震后,神户的这2栋免震楼丝毫无损,由此证明了这一建筑技术的优越性。
地震使建筑物摇晃倒塌的原因,是由于建筑物直接固定在地基上的缘故。当地震能量传向建筑物时转变成建筑物的振动能。支柱和墙壁一旦吸收这种振动能就会遭到破坏。如果使建筑物脱离地基,即使地基摇晃建筑物也不会摇动,这一设想在现实能办到吗?回答是肯定的。免震抗震技术就是使用免震装置吸收所有振动能的技术,阻止地震力进入建筑物,即使进入也要把它限制在最小的程度。简单地说,就是“不让地震再现”。免震抗震技术具有对付大地震时晃动的功能,而且无需维护。这是一种有效的抗震方法。
首先把建筑物与地基隔开,然后插入免震装置,即在免震装置上建造楼房。所谓免震装置就是吸收结构和抗震结构的组合物。吸收结构是由薄钢板与天然橡胶重合制成的,通常用于支撑建筑物的重量。吸收结构如果仅仅是橡胶,其垂直方向会显得松软,加钢板后起坚固压重作用。横向柔软,比重适宜。在吸收结构的中心加进了铅芯和铅塞。铅塞的功能主要是把地震的动能转变成热能,以阻止震动传向建筑物。例如钢筋一旦弯伸就会生热,吸收结构一变形,铅塞也随之变形生热。地震时吸收结构可在水平方向柔软地变形,以阻止地震的力直接传向建筑物,就是说,吸收结构起着缓冲地震力的作用,将地震力从1/3减至1/7,同时从第一层到楼顶的振幅也基本不变。即使遇到强震也只感觉到轻微的晃动。
对吸收结构给予地震力时,一旦出现变形很难停止其缓慢运动。尽管地震已停止,但吸收结构仍在慢慢晃动,这就是橡胶的特性。为了抑制这一晃动,就需要配合使用上述的抗震结构。在叫做抗震壁的下段安装铁板箱,从上段吊下来的铁板嵌入到铁板箱中,在其间隙处注入高粘度流体,当地震造成建筑物晃动时,粘性液体能起减振的作用。它不仅能减少水平振动而且也能减少垂直振动,对减轻地震动能发挥很好的效果。抗震结构分钢棒和铅二种,可根据建筑规模选择使用。 吸收结构的强度非常惊人,其纵向支撑能力的强度是混凝土支柱的5倍。其水平方向的柔软程度是以往建筑物的100倍。橡胶不仅不危险反而非常安全。为了调查免震建筑物的抗震性能,人们在建造的免震建筑物中安装了地震观测系统。1992年2月2日,东京发生了地震。根据日本气象厅的报告,这次震度为5级,属强震。通过观测数据充分证实了免震楼的抗震效果。在一幢用免震建筑法建造的大楼中,根据地震仪的记录,该大楼各层楼的震动为15~25伽,而其附近地表的晃动接近100伽,一般中高层建筑物的顶部,摇动程度会增加2~3倍,但这座楼顶部的摇动却降低了10%。这次地震在东京丰岛区居民中心楼3层的地震仪记录的震动为143伽,当时东京市内的27000台电梯全部停运,而该楼的一切设施却运行正常。这次地震已充分确认了免震结构的抗震性能。1994年1月发生在美国洛杉矶的地震(里氏6.6级)也证实了免震楼的抗震效果。在震区共有9所医院,其中有一所医院是免震楼房,虽然9所医院都没倒塌,但8所医院都完全失去了医院的功能,仅有免震楼医院能正常地工作。地震时该免震楼只是缓慢轻微的摇动持续了一分钟。
90年代以来,为提高免震装置功能又开发出了各种支撑装置。如控制免震装置水平变形的“水平变形控制装置”,当免震装置出现水平大变形时可缓解周围墙壁冲击的“水平变形缓冲装置”,以及控制地震发生时水平变形不凸出1英寸以上的“凸出防止装置”等。这些装置并非是安全加固装置,而是使免震装置在任何场合都不丧失其功能的支撑装置。 一般情况下免震结构的建筑成本高于一般楼房5%~10%,但增加了安全感,目前世界上最高的防震楼在日本,这座楼高14层,地下2层,高约80米。建筑物各楼层的主体结构构架由170张抗震壁组成。装有超塑性橡胶减震器,可使建筑物的振动衰减常数达到20%。安装抗震壁等防震设备后,大大提高了工程的安全系数。这座建筑物已通过日本建筑中心的评价和认定。
免震装置也可用于增固旧楼,例如,用千斤顶顶起楼房,把原来的支柱去掉,插上免震装置即可。美国已开始实施这一技术加固旧楼房。可根据现有建筑物的条件施工,一些古老的建筑也可以采用这一抗震技术加固。
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