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建筑結構丨抗震安全性提高多少?
查看:920  發稿日期:2017/8/3 11:21:19
2016年上半年,一則消息在朋友圈得到了廣泛關注。據傳規范將有較大調整。主要內容包括:
(1) 將水平地震作用效應的分項系數由1.3改為1.4;
(2) 地震動力放大系數由2.25提高至2.50;
(3) 永久荷載的分項系數從1.2調整至1.3,可變荷載從1.4調整至1.5;
(4) 住宅和辦公樓樓面荷載從2.0提高到2.5;
(5) 風荷載等也有相應調整。
如此重要的調整,自然一石激起千層浪。很多人士從不同的角度,對這一問題表達了自己的觀點。
從我們課題組以往的研究及震害調查結論來說,一直是大力支持提升建筑抗震安全水平的。一些研究論文包括:
(1) 框架結構抗地震倒塌能力的研究——汶川地震極震區幾個框架結構震害案例的分析, 建筑結構學報, 2009
(2) 不同抗震設防RC框架結構抗倒塌能力研究, 工程力學, 2011
(3) 丙類與乙類設防RC 框架結構抗地震倒塌能力對比, 建筑結構學報, 2011
(4) 基于一致倒塌風險的建筑抗震評價方法研究, 建筑結構學報, 2012
(5) 我國7 度設防等跨RC 框架抗地震倒塌能力研究, 地震工程與工程振動, 2011
其基本結論是:對于我國低烈度區框架結構,其抗地震倒塌能力偏弱;框架柱的變形能力不足;由于低烈度區框架柱縱筋往往受構造控制,因此提升構造和延性(提升抗震等級、增加體積配箍率、減小軸壓比)的效果要比提升地震作用來的效果更明顯。
所以,規范修訂的消息發布后,我們課題組就希望能夠通過定量分析的手段,研究一下這一修訂對框架結構抗震安全的實際影響。具體研究工作由我們課題組之前的兩位畢業生:盧嘯和李夢珂負責。
具體研究內容包括:
首先我們基于課題組畢業的施煒博士的研究工作,建立了一系列混凝土框架模型。框架為3跨,每跨6m,層數分別為4層、6層、8層、10層。分別按照7度、8度設防進行了截面和配筋設計。
首先我們看一下設計參數調整對結構設計結果的影響。由于分項系數增加,導致柱子軸力增加,所以柱子的軸壓比都有一定程度的提高。部分算例因為軸壓比超限,需要對柱子截面尺寸進行重新設計。
此外,由于地震荷載增加,地震作用下最大層間位移角也有所增加,不過對于本次算例,層間位移角都未超限。
所以,經過分析,這8個框架需要重新設計的內容及調整方法如下:
以7度設防的4層框架為例,由于參數調整后軸壓比超限,所以柱子截面有所增大,所以底層柱子的混凝土用量略有增加,而其他構件混凝土用量(特別是樓板)基本不變。整個結構的混凝土用量增加很小。
如果進一步分析鋼筋用量,則非常有意思。從機理上說,如果要提升抗震安全性,提高柱子的配筋是最有效的。但是由于很多設計參數調整都是針對豎向荷載的,結果導致框架梁和樓板的配筋有顯著增加,而框架柱增加的配筋非常有限。
上述結論對其他算例也基本成立,所有算例混凝土用量增加都只有1%左右。
而鋼筋用量增加則稍微多一些,基本上在4%到7%之間。不過大部分增加的鋼筋都位于水平構件(梁和板)里面,豎向構件配筋增加很有限。
這里可以給非土木工程專業的人員科普一下,現在鋼筋混凝土建筑的用鋼量大約每平米40-50公斤。所以增加的鋼材的成本大約等于50kg*7%*3000元/噸=10.5元/平方米。所以如果哪個奸商說這樣修改設計參數引起他成本顯著增加要漲房價……
最后我們看看這樣調整到底對結構的抗震安全性有哪些影響,于是我們就采用基于增量動力分析(IDA)的倒塌分析方法,研究了重新設計后框架的抗地震倒塌能力。基于增量動力分析(IDA)的倒塌分析方法在我們之前《建筑抗震彈塑性分析》一書中做了詳細的介紹。其基本原理就是我們首先建立研究對象的彈塑性模型,然后輸入一組地震動(本文我們采用的是美國FEMA P695報告推薦的22組遠場地震動),從小到大不斷增大這些地震動的強度,研究在不同強度地震動下建筑物發生倒塌的比例有多少。
而后,由于我們抗震規范要求的是“大震不倒”,于是我們就把結構出現50%倒塌率的地震動強度除以我們規范規定的“罕遇地震水平”,于是我們就可以得到一個“抗倒塌安全儲備(CMR)”,這個CMR就類似我們熟悉的經典安全系數“大老K”,可以定量的評價建筑的抗倒塌能力強弱。
首先我們來看看8度設防框架的結果。基本結論就是參數調整后,抗倒塌儲備平均有4%-11%的提高,相對于其成本增加而言,這個效果也還說得過去。
但是對于7度設防框架而言,結果就有點讓人郁悶了。雖然對于大部分框架,倒塌儲備提升了6%-12.5%,但是對于7度設防的6層框架而言,其抗倒塌儲備非但沒有提高,反而還有所降低。為了這個問題我們反復驗算和討論了多次,最后發現,修改設計參數后,框架梁的配筋有顯著增加,這樣弱化了結構特別是上部樓層的“強柱弱梁”效應,最后導致結構的倒塌模式從底層倒塌轉移到了第四層倒塌,并且抗倒塌能力也有明顯的降低。
最后是論文的結論,更詳細的內容請大家閱讀我們的論文:
(1)調整措施將明顯增大框架結構的設計地震力,但設計地震力的增大比例隨設防烈度的提高略有降低,7度設防框架設計地震力(基底剪力和傾覆彎矩)增大約16.7%,8度設防框架設計地震力增大約6.9%。
(2)恒、活載分項系數的調整對框架結構柱的軸壓比有明顯影響,約增大底層柱軸壓比8%。
(3)調整措施對框架結構混凝土用量的影響很小,增加量均在1.5%以內,且與結構設防烈度和層數無明顯關系。
(4)調整措施將提高結構的鋼筋用量約6%,且8度設防框架的鋼筋增加量略多于7度設防框架。鋼筋用量的增加主要來源于樓板和框架梁;由于大部分柱配筋由構造控制,調整措施對柱的鋼筋用量影響很小。
(5)調整措施對底層柱的抗震能力有所提高,而大部分柱的配筋由構造確定,故對其它樓層柱的抗震能力影響非常小。
(6)對于初始倒塌始于底層的倒塌模式,調整措施能明顯提高框架結構的抗倒塌能力;隨著設防烈度提高,調整措施對框架結構抗倒塌能力的提高程度略有降低。但如果框架結構上部樓層存在明顯薄弱層,結構的初始倒塌始于上部樓層,調整措施反而可能會使結構的抗倒塌能力降低。
此外,本文僅研究了“調整措施”對II類場地第二設計分組框架的影響,且柱軸壓比超限、梁截面抗剪不足時,僅采用了增大的截面的方案解決問題,在后續的研究中,將進一步考慮其它場地類別、地震設計分組和軸壓比超限、梁截面抗剪不足的其它解決方案等因素,使結論的適用性更加廣泛。
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