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2010年建筑師輔導(dǎo):捆住地震內(nèi)力的結(jié)構(gòu)體系

2010-09-15 09:03 來源:來源網(wǎng)絡(luò) 打印 | 收藏 |
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  1、現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)抗震(理論)技術(shù)存在的錯(cuò)誤:世界各國(guó)采用的抵抗地震破壞的建筑物體的基本類型,都是以吸收地震能量為主的插入式整體結(jié)構(gòu)(對(duì)地球而言),即將建筑物的基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為絕對(duì)不可分割的剛體插入地球,因而建筑物抵抗地震破壞力的受力分析和設(shè)計(jì),就不得不從結(jié)構(gòu)整體考慮建筑物的抗震性能,地震破壞力是通過土層和巖石沖擊建筑物的基礎(chǔ)并直接將沖擊力傳遞給上部結(jié)構(gòu),上部結(jié)構(gòu)的作用力(荷載)加上地震產(chǎn)生的內(nèi)力又反作用于基礎(chǔ),因而建筑物基礎(chǔ)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求,應(yīng)是地震力和上部結(jié)構(gòu)反作用力的疊加。

  地震破壞力是往覆水平剪切力,上部結(jié)構(gòu)的反作用力是垂直于地面的。這樣兩個(gè)方向互相垂直,并處于運(yùn)動(dòng)沖擊狀態(tài)的作用力,在一個(gè)平面上會(huì)交了。地震破壞力以強(qiáng)大的往覆水平推動(dòng)力,推動(dòng)著(抓。┙ㄖ锘A(chǔ)做水平往覆運(yùn)動(dòng),因而很容易分析,在這兩種力的會(huì)交面上,實(shí)質(zhì)上形成了遠(yuǎn)大于地震破壞力的往覆剪切力。因此,建筑物的抗震能力在插入式整體結(jié)構(gòu)中是很難達(dá)到實(shí)際抗震設(shè)計(jì)要求的,現(xiàn)在的建筑物一般都是偏于保守的理想設(shè)計(jì)和建造,因而投資也在大大增加,即便如此,在實(shí)際的地震災(zāi)害中,建筑物受破壞的程度依然是很嚴(yán)重的,進(jìn)而也無法擺脫和減輕地震災(zāi)害,給人民的生命和財(cái)產(chǎn)造成的巨大損失。

  歷史的教訓(xùn)足已充分說明,插入式建筑結(jié)構(gòu)體系受到了嚴(yán)峻的檢驗(yàn),即似地球?yàn)橄喈?dāng)好的慣性參考系,又將建筑物體插入地球,形成不可分割的剛體。在過去的年代,建筑物還處于低層范圍時(shí),問題還不嚴(yán)重,而在現(xiàn)代化高層、重型建筑中,仍然是采用插入式剛箍捆住內(nèi)力的結(jié)構(gòu),在實(shí)際的地震災(zāi)害中存在著嚴(yán)重的隱患。插入式整體建筑物結(jié)構(gòu)體系在正常情況下,即非地震靜止?fàn)顟B(tài),是沒有問題,而在地震災(zāi)害爆發(fā)時(shí),插入式整體建筑物體系的結(jié)構(gòu)受力傳力路線明顯發(fā)生混亂,建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的極其重要的力學(xué)原則:

 。1)不論在任何情況下,結(jié)構(gòu)的傳力路線必須清楚。

 。2)以當(dāng)?shù)氐淖畈焕饨缫蛩貫樵O(shè)計(jì)依據(jù),如很多地區(qū)必須考慮可能發(fā)生的最大地震破壞力。這就是說建筑物抵抗地震破壞的正確條件是:運(yùn)動(dòng)中建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)力的傳遞必須正確、清楚。

  插入式整體建筑結(jié)構(gòu)在地震時(shí),將地震破壞力直接傳遞給上部結(jié)構(gòu),使上部結(jié)構(gòu)發(fā)生搖晃,由于上部結(jié)構(gòu)是剛箍捆住內(nèi)力的結(jié)構(gòu),因而在搖晃中產(chǎn)生的巨大能量沒有釋放點(diǎn),而被迫返回基礎(chǔ),地震又很快的不斷的沖擊建筑物的基礎(chǔ),向上部結(jié)構(gòu)輸送地震能量。這樣上部結(jié)構(gòu)返回的作用力,同基礎(chǔ)傳來的地震內(nèi)力發(fā)生沖撞,沖撞最厲害的集中點(diǎn),就是能量集中釋放的突破點(diǎn),也是結(jié)構(gòu)的破壞點(diǎn),通常都在基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的交面上,破壞的形式是剪切破壞,而整個(gè)建筑物不是倒塌就是傾斜。

  目前,許多國(guó)家在高層建筑的抗震設(shè)計(jì)方案中,已經(jīng)出現(xiàn)了新的結(jié)構(gòu),如:美國(guó)紐約的42層高層建筑物,建在于基礎(chǔ)分離的98個(gè)橡膠彈簧上,日本的建在弧型鋼條上防地震建筑物,前蘇聯(lián)的建在與基礎(chǔ)分離的沙墊層上的建筑物,以及在中國(guó)已經(jīng)獲得了美國(guó)、中國(guó)和英國(guó)發(fā)明專利權(quán)的,剛?cè)嵝愿粽、減震、消震建筑結(jié)構(gòu)與抗震低層樓房加層結(jié)構(gòu),都十分成功的應(yīng)用于工程實(shí)踐中,都明顯的在建筑結(jié)構(gòu)體型上,改變了傳統(tǒng)的插入式剛箍捆住內(nèi)力(吸收地震能量)的結(jié)構(gòu)體系?傊荚诮ㄖO(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)方面設(shè)法擺脫在地震災(zāi)害時(shí),嚴(yán)重威脅著人們的生命安全的插入式剛箍捆住內(nèi)力的結(jié)構(gòu)體系。其實(shí)質(zhì)都反映了對(duì)“似地球?yàn)橄喈?dāng)好的慣性參考系”為指導(dǎo)理論,所制定的現(xiàn)行抗震硬抗、死抗地震打擊設(shè)計(jì)規(guī)范的動(dòng)搖,本質(zhì)上也是改變了建筑結(jié)構(gòu)受力體系,而不在似地球?yàn)榻^對(duì)靜止不動(dòng)的慣性參考系了。

  1、現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)與地震場(chǎng)地效應(yīng)的問題現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì),是根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)和建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)而來的。結(jié)構(gòu)力學(xué)和結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范,將地震破壞力簡(jiǎn)化并規(guī)定為在建筑物上部結(jié)構(gòu)中的水平運(yùn)動(dòng)力,對(duì)建筑物的水平作用力與反作用力的硬抗平衡,這一規(guī)定實(shí)質(zhì)上存在著嚴(yán)重的問題和錯(cuò)誤。

  其一:地震爆發(fā)時(shí),首先是大地在做往覆水平運(yùn)動(dòng),由于建筑物基礎(chǔ)插入大地,因而必然隨大地的往覆水平運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng),建筑物上部結(jié)構(gòu)也因此被迫運(yùn)動(dòng),但是建筑物上部結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形式不是水平運(yùn)動(dòng)(因而根本就沒有受水平的作用),而是因基礎(chǔ)在受地震水平力運(yùn)動(dòng)中,產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)力傳遞到上部結(jié)構(gòu),迫使上部結(jié)構(gòu)沿地震受力方向,作反方向S形式傾斜擺動(dòng);

  其二:地震爆發(fā)時(shí)的沖擊波只有兩個(gè)方向,而現(xiàn)在所有城市的建筑物的規(guī)劃設(shè)計(jì),是根據(jù)城市的道路按東西南北方向和建設(shè)的需要各自排列的。將建筑物上部結(jié)構(gòu)視為受水平運(yùn)動(dòng),也只能有30%的建筑物的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)受力方向與地震沖擊波受力方向相同,而70%的建筑物的抗震設(shè)計(jì)受力方向與實(shí)際地震沖擊波的沖擊方向,處于非常不利的位置,當(dāng)?shù)卣鸨l(fā)時(shí),只有少數(shù)正好與地震沖擊波方向協(xié)調(diào)一致的建筑物不一定破壞,而大多數(shù)與地震沖擊波方向不一致的建筑物,自然就很難逃脫地震沖擊破壞倒塌的后果。地震對(duì)建筑物的沖擊破壞,主要是對(duì)建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生的水平往覆沖擊剪切力,從而使基礎(chǔ)被沖擊破壞失去穩(wěn)定后,造成上部建筑物的破壞和倒塌,地震沖擊波首先是破壞了基礎(chǔ),而不是破壞上部建筑結(jié)構(gòu),所謂萬丈高樓從地(基)起,就是這個(gè)道理;A(chǔ)都破壞了,上部建筑自然就保不住了;

  其三:城市中建筑物的類型是多種多樣的,主要反映在超高層、高層、多層和輕重型建筑之分,而這些不同類型的建筑,又以基礎(chǔ)深度的差別體現(xiàn)在地震沖擊波的大小上,基礎(chǔ)越深、越大,受地震沖擊波的沖擊自然很大,在加上城市地下建筑設(shè)施不少(如:地下建筑、地鐵、地下大型管道等),都是構(gòu)成城市地震場(chǎng)地效應(yīng)發(fā)生互相變化的種種直接因素。現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)中,都沒有考慮地下建筑設(shè)施的自身抗震,以及對(duì)地面建筑物基礎(chǔ)和地基的地震場(chǎng)地效應(yīng)所產(chǎn)生的嚴(yán)重問題。

  2、現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)抗震樁基設(shè)計(jì)與地震場(chǎng)地效應(yīng)的嚴(yán)重問題現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)中的樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)有兩種類型,一種是端承樁類型,另一種是摩擦樁類型。端承樁是將深層的地基反作用力通過樁傳遞給地面,構(gòu)成對(duì)上部建筑物作用力(壓力)的平衡。摩擦樁是通過樁基礎(chǔ)與一定深度的地基土層十分緊密的擠壓結(jié)合中產(chǎn)生足夠的反作用力,通過樁傳遞到地面,構(gòu)成對(duì)上部建筑物的作用力(壓力)的平衡。這里必須指出的是,這兩種類型的樁基礎(chǔ)在對(duì)上部建筑物的作用力(壓力)構(gòu)成平衡的充分條件是:靜力荷載,即在沒有外力的作用下成立的。

  在端承樁中,端樁是反作用力的頂點(diǎn),樁身是傳遞反作用力的通道,樁身四周的土層是給樁身起到了極其重要的穩(wěn)定作用,由此,可以定義:樁端的承載力,樁身的強(qiáng)度是和樁身四周的土層構(gòu)成了端樁基礎(chǔ)的整體,缺一不可。

  在摩擦樁中,樁身的強(qiáng)度與樁身四周土層緊密擠壓所產(chǎn)生的反作用力,構(gòu)成了摩擦樁基礎(chǔ)的整體,也是缺一不可的。這兩種類型的樁基礎(chǔ)在地震爆發(fā)時(shí),強(qiáng)大的地震水平往覆沖擊波,完全改變了上述狀態(tài),使端承樁在地震沖擊波中,使端承樁的承載力發(fā)生水平往覆運(yùn)動(dòng),不但失去對(duì)樁身的穩(wěn)定,反而對(duì)樁身構(gòu)成了往覆水平?jīng)_擊,其結(jié)果:端承樁不是破壞,就是下沉失穩(wěn)。隨著端承樁的破壞和失穩(wěn),建筑物上部結(jié)構(gòu)自然也就處于破壞倒塌的危險(xiǎn)境地,而摩擦樁的危險(xiǎn)就來的更快了,地震沖擊波迫使摩擦樁樁身必須與四周土層與樁基松開,失去摩擦樁身必須與四周土層緊密擠壓的必要條件,并且土層對(duì)樁身構(gòu)成水平?jīng)_擊力,隨著摩擦樁中四周土層與樁身摩擦力的解除和改變,樁不是破壞就是失穩(wěn),其上部建筑物隨之處于時(shí)刻會(huì)破壞和倒塌的危險(xiǎn)之中。

  3、現(xiàn)行予應(yīng)力建筑結(jié)構(gòu)在地震中的嚴(yán)重問題所謂予應(yīng)力建筑結(jié)構(gòu),是人為的在建筑結(jié)構(gòu)的主要承力構(gòu)件中,對(duì)主要承力構(gòu)件中混凝土施加予應(yīng)力,一般是通過對(duì)結(jié)構(gòu)中承力構(gòu)件的鋼筋進(jìn)行張拉,利用鋼筋的回彈力擠壓混凝土來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)對(duì)承力構(gòu)件中鋼筋的張拉,與混凝土的先后關(guān)系,又可分為先張法和后張法兩大類。

  從建筑結(jié)構(gòu)中的予應(yīng)力構(gòu)件,到予應(yīng)力結(jié)構(gòu)的發(fā)展,已經(jīng)有較長(zhǎng)的時(shí)間了,在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用予應(yīng)力構(gòu)件和發(fā)展予應(yīng)力結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì),在很多城市的建設(shè)中,得到了較廣泛的應(yīng)用。在城市建設(shè)和發(fā)展中,推廣和應(yīng)用予應(yīng)力構(gòu)件和予應(yīng)力結(jié)構(gòu),的確能起到一定的積極作用。但是,有一個(gè)十分重要的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問題需要特別注重,所謂建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方面的問題,也就是地震爆發(fā)時(shí),地震沖擊波迫使建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)的動(dòng)態(tài)反應(yīng),地震沖擊波沖擊建筑結(jié)構(gòu),使其產(chǎn)生的內(nèi)力在結(jié)構(gòu)中傳遞,而予應(yīng)力構(gòu)件和予應(yīng)力結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型是:

  1)予應(yīng)力張拉兩端的固端成支座,是不允許有任何改變的;

  2)予應(yīng)力構(gòu)件或予應(yīng)力結(jié)構(gòu)在使用過程中,其構(gòu)件和結(jié)構(gòu)是不允許發(fā)生水平推動(dòng),振動(dòng)彎曲和上下振動(dòng)的。也就是說,予應(yīng)力構(gòu)件和予應(yīng)力結(jié)構(gòu),只有在沒有任何外力的情況下,才能達(dá)到予應(yīng)力構(gòu)件和予應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的使用要求。因此可以定義:予應(yīng)力構(gòu)件和予應(yīng)力結(jié)構(gòu)的安全使用條件,是不能承受任何外力(尤其是地震沖擊力)的靜力使用狀態(tài)。

  地震沖擊波在建筑結(jié)構(gòu)中,將無情的迫使建筑結(jié)構(gòu)中的所有梁、柱、板、墻體等受力構(gòu)件發(fā)生變形,即地震沖擊力能完全改變予應(yīng)力構(gòu)件和予應(yīng)力結(jié)構(gòu)的兩端邊界條件,使其構(gòu)件和結(jié)構(gòu)中的予應(yīng)力償失。任何在使用中的予應(yīng)力構(gòu)件和予應(yīng)力結(jié)構(gòu),當(dāng)予應(yīng)力衰退和償失后,其構(gòu)件和結(jié)構(gòu)必然破壞。因此,在地震設(shè)防城市的建設(shè)中,是不能使用予應(yīng)力構(gòu)件和予應(yīng)力結(jié)構(gòu)的。但是,現(xiàn)在許多城市的建設(shè)中都使用了予應(yīng)力結(jié)構(gòu),這是十分危險(xiǎn)的。因此,應(yīng)盡快在地震爆發(fā)之前,采取補(bǔ)救措施,否則,后果一定是十分嚴(yán)重的。

  綜上所述,現(xiàn)行世界各國(guó)所實(shí)行的建筑結(jié)構(gòu)體系,是與地震沖擊波相對(duì)抗、硬抗(死抗)的捆住地震內(nèi)力的結(jié)構(gòu)體系。從結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)平衡的根本原理來分析,這種與地震力相對(duì)抗的結(jié)構(gòu)體系的靜態(tài)平衡在地震中完全破壞了。也就是說,現(xiàn)行的建筑結(jié)構(gòu)體系,只能滿足靜態(tài)(無地震沖擊波)狀況下的作用力與反作用力的平衡。

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