今天我们讲一讲各种建筑结构类型在地震情况下是怎么工作的。
我们都知道,一座建筑物竖立在地球上,正常情况下,需要承担自身重量和各种装修、使用、活动等带来的负荷,我们把这些重量统称竖向荷载。那么最先承担这些荷载的是楼板,楼板由梁支撑,而梁由柱支撑,所有上部竖向荷载通过柱传到基础,基础由地基支撑,这样整个结构体系处于稳固而安全的状态,我这样说我想大多数人是可以理解和接收的。
而在大自然中还有一种力量-风和地震,这些我们可以统称为横向荷载,他们看不见摸不着,所以不是那么直观。比如遇到风荷载,对于框架结构就是由框架梁、柱形成的抗侧力体系来抵抗横向力;对于框剪结构就是由框架梁、柱墙形成的抗侧力体系来抵抗横向力;对于剪力墙结构,由平面内剪力墙和梁形成抗侧力体系来抵抗横向力。尽管风产生的横向力对于大多数建筑物里的人来说基本觉察不到,但确是真实存在的,只是风还没有大到一定程度,建筑物还没有足够高而已。
另一种横向荷载-地震作用,与刚才提到的竖向荷载和风荷载有一个本质区别,就是他属于动力荷载,所以考虑结构受力不仅仅是简单计算一个横向作用力,还需要考虑结构的动力特性(如自振周期、振型)。那么当地震真的来临时,结构工程师最希望结构是怎样受力工作或破坏呢?
对于框架结构,当地震来临时,地震波通过大地传给结构,首先由抗侧力体系-框架梁柱承担,随着地震波的持续输入,框架梁纵向筋屈服,梁端形成塑性铰,在地震作用下形成往复运动耗能机构,梁端屈服后产生剪力增大,超过梁的受剪承载力后,框架梁产生剪切破坏。如果遇到强烈地震,柱子的箍筋会屈服,发生剪切破坏,柱端混凝土局部压碎,柱筋屈服,柱端形成塑性铰,直至整个结构倒塌。在整个过程中,我们希望柱子的破坏晚于梁的破坏,因为只有这样,才不至于让建筑物瞬间倒塌,给予人们足够逃生的时间;我们还希望梁柱的剪切破坏晚于弯曲破坏,因为剪切破坏是脆性破坏,来的毫无预兆,而弯曲破坏是延性破坏,破坏有个过程,足以给人们警示和逃生时间。同时弯曲破坏后的塑性铰形成耗能机构有利于耗散地震能量。
对于剪力墙结构,在地震来临时,由抗震墙和框架梁形成抗侧力体系承担地震作用,随着地震波的不断输入,剪力墙连梁纵筋屈服,此时对剪力墙有一定约束作用,可与剪力墙形成耗能机构。当遇到强烈地震时,剪力墙底部纵筋屈服形成塑性铰。
对于框架-剪力墙或框架-筒体结构,当地震来临时,地震波首先由剪力墙或筒体承担,当剪力墙或筒体屈服之后,框架将接替他们的工作,继续承担抗侧力体系的工作,在这两种抗侧力体系中,抗震墙或筒体是第一道防线,而框架是第二道防线。因此,能够有多道防线的结构体系相对一道防线结构体系更有安全冗余度。因为一道防线一旦破坏就会造成建筑物倒塌,而有多道防线的建筑物在强震作用下万一破坏,第二道防线能立即接替抵抗后续地震波冲击,可最大限度保证建筑物的安全。
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