在开始结构设计之前,结构设计人员应初步掌握建筑场地的地质情况,明确建筑物所在地区设防烈度和结构抗震等级,才能对结构做出正确的总体规划。
(一)阅读和应用工程地质勘察报告
工程地质勘察报告是房屋结构设计的重要依据,正确使用勘察报告成果,可正确进行基础选型,甚至上部结构的选型,从而使结构设计更经济合理。
1.工程地质勘察报告的主要内容
工程地质勘察报告一般有文字说明和图纸两个部分。
文字部分通常对拟建场地的地形地貌、地质构造、地层特征、不良地质现象、地下水位、水质、冻结深度及所在地区的地震烈度等都有交待;通常将各个地层岩土的物理力学性质、室内和野外试验结果列表说明;对地基土承载力标准值、压缩模量、桩端土的承载力标准值、桩周土的摩擦力标准值提出明确的数据;对建筑场地的稳定性、采用天然地基或是桩基、地下水对混凝土的腐蚀性、施工降水方案等做出评价。
图纸部分包括勘探点平面布置图,井孔地质柱状图,工程地质剖面图,载荷试验和试桩的Q-s曲线、双桥探触的qp、qs 曲线等原位测试成果。
2.正确使用勘察报告
(1)工程地质剖面图可以使结构设计人员对地层构造一目了然,包括土壤的分层标高、物理力学性能、地下水位等,可以用来选择持力层,了解下卧层,确定基础埋置深度和桩尖入土深度。同时应注意是否有不良地质现象,如滑坡、断层、溶洞、裂隙等,以便采取必要措施。
(2)地基承载力设计值,可以用来验算基底持力层和下卧层,确定基底的形状和面积,验算基础强度和计算配筋。
(3)压缩系数和压缩模量可以判定土的压缩性质,可以用来计算基础的最终沉降量、相对沉降量和整体倾斜。
(4)剪切试验结果可以确定土的抗剪强度,评价地基的稳定性;粘聚力C和内摩擦角φ可以用来计算挡土墙的土压力。
(5)勘察报告提供的桩尖阻力qp 和桩侧摩擦力qs 可以用来估算单桩承载力、设计试桩。
(6)黄土的湿陷系数可以用来评价地基土的湿陷性质,计算湿陷量;判定湿陷等级,以便制定防止湿陷的措施。
通过阅读工程地质勘察报告,要对场地土层的分布和性质取得清楚和完整的概念,特别应注意对工程起关键作用的土层及土工问题。对于报告中提出的基础设计方案及地基处理意见的建议,设计人员在采纳之前应分析其依据是否合理充分,勘察方法是否可靠,对本工程是否适用。若有矛盾或疑问,应设法查明或进行补充勘察,以保证工程质量。
(二)明确地区设防烈度和结构抗震等级
地震作用是建筑结构承受的主要荷载之一,而地震作用的随机性和巨大破坏力会给人们生命财产造成严重损失。首先明确地区设防烈度和结构抗震等级,关系到安全使用和建造成本,它对结构选型、平面布置、材料选用、构造措施、结构计算、施工技术等都有相应的要求,因此对结构设计具有重要的指导意义。
1.地区设防烈度
一般工业与民用建筑结构的设计基准期定为50年。地震作用分为三个水准:即多遇地震(小震,以符号Im 表示),基本烈度地震(中震,以符号I0 表示),罕遇地震(大震,以符号Is 表示)。设计原则为“小震不坏,中震可修,大震不倒”。
地震的大小用震级来表示,而地震烈度则是表示某一地区地面和建筑物受到一次地震影响的强弱程度。一次地震只能有唯一的震级,但不同的地区则有不同的烈度。我国对基本烈度的定义是:某地区今后50年内在一般场地条件下可能遭遇的超越概率为10%的地烈度值。全国各省市地区的基本烈度,可按国家地震局颁发的《中国地震动参数区划图》及其补充文件确定。抗震设防烈度是一个地区作为抗震设防依据的地震烈度,在一般情况下可采用基本烈度作为抗震设防烈度。(www.xing528.com)
规范规定抗震设防烈度为6 度及以上地区的建筑,必须进行抗震设计。
2.地震影响参数
建筑物遭受的地震影响,与建筑物所在地区的地震环境密不可分。所谓地震环境,系指建筑物所在地区及周围可能发生地震的震源机制、震级大小、建筑物所在地区与震源的距离远近以及建筑物所在地区的场地条件等。表征地震影响的参数有设计基本地震加速度、设计特征周期Tg 或规范规定的设计地震动参数。
《建筑抗震设计规范》的反应谱特征周期Tg 规定为根据近震、远震和场地类别来确定,这是一种粗略划分。新修订的2001 规范中Tg 取值则综合考虑建筑物所在地区的地震环境,根据建筑物所在地的设计地震分组和场地类别确定。新规范全国各省市地区的设计地震共分为三组。建筑场地类别划分为4 类。如对Ⅱ类场地,第一组、第二组和第三组的设计特征周期,应分别按0.35s、0.40s 和0.45s 采用。
抗震设防烈度和设计基本地震加速度取值的对应关系,应符合表3-1-1的规定。设计基本地震加速度为0.15g 和0.30g 地区内的建筑,应分别按7度和8度的要求进行抗震设计;若此时建筑场地为Ⅲ、Ⅳ类,还宜分别按抗震设防烈度8 度(0.20g)和9 度(0.40g)的要求采取抗震构造措施。
表3-1-1 抗震设防烈度和设计基本地震加速度值的对应关系
注 g 为重力加速度。
3.建筑物抗震分类
由于建筑物的使用性质各不相同,地震破坏造成的后果也不相同,因而其抗震设防的要求应根据破坏后果的严重程度加以区别对待,我国对建筑物按其重要性划分了四类:
甲类建筑:属于重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑。
乙类建筑:属于地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑。
丙类建筑:属于除甲、乙、丁类以外的一般建筑。
丁类建筑:属于抗震次要建筑。
甲类建筑的地震作用按专门研究的地震动参数进行设计计算,相应采取特殊的抗震构造措施。乙类建筑按本地区的设防烈度设计计算,相应提高一度采取抗震构造措施。丙类建筑按本地区设防烈度设计计算和按该设防烈度采取抗震构造措施。丁类建筑按本地区设防烈度设计计算,抗震措施允许比本地区抗震设防烈度要求适当降低(6 度时不应降低)。
4.结构抗震等级
钢筋混凝土多、高层房屋由于总高度,结构体系(框架、框剪、剪力墙及底层框支剪力墙)不同,抗震能力存在很大差异。因此,须按其抗震能力加以区分。抗震等级共分四级,其中一级要求最严,四级要求最低。
抗震等级不同,将影响结构的建造高度、内力调整(框架结构的强节点弱杆件,强柱弱梁调整,强剪弱弯调整,柱根弯矩与剪力墙墙角的剪力调整)、柱轴压比和配筋要求(框架柱最小配筋率,柱端箍筋加密区,抗震墙墙身及边缘构件)等。因此根据房屋总高度及所选定的结构体系决定抗震等级是设计的先决步骤。
砌体结构属于刚性体系,由于延性较差,设计时首先应控制建房高度,因此不再区分抗震等级。
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