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抗震設計受力方向應與地震沖擊力相適應—不能與地震沖擊力相對抗

文章出處:網責任編輯:作者:人氣:-發表時間:2014-06-18 15:53:00【

抗震設計受力方向應與地震沖擊力相適應—不能與地震沖擊力相對抗

陸建衡
(北京泰中建科技發展有限公司)
  摘 要:現行建筑結構抗震(理論)技術存在嚴重安全隱患,世界各國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構(對地球而言),即將建筑物的基礎和上部結構設計為絕對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計, 就不得不從結構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并直接將沖擊力傳遞給上部結構,上部結構的作用力(荷載)加上地震產生的內力又反作用于基礎,因而建筑物基礎的強度設計要求,應是地震力和上部結構反作用力的疊加。本文將針對地震暴發時:1、建筑結構抗震設計受力與地震水平沖擊力相對抗;2、建筑結構抗震設計受力與地震水平沖擊力相適應。進行較深入的分析,從而找到正確的建筑結構抗震設計理論,避免現行建筑結構抗震(理論)存在嚴重安全隱患所造成的后果。
  關鍵字:受力方向;地震;沖擊力

  現行建筑結構的抗震設計,是根據結構力學和建筑結構設計的理論基礎而來的。結構力學和結構抗震設計規范,將地震破壞力簡化并規定為在建筑物上部結構中的水平運動力,對建筑物的水平作用力與反作用力的硬抗平衡,這一規定實質上存在著嚴重的問題和錯誤。
  其一:地震爆發時,首先是大地在做往覆水平運動,由于建筑物基礎插入大地,因而必然隨大地的往覆水平運動而運動,建筑物上部結構也因此被迫運動,但是建筑物上部結構的運動形式不是水平運動(因而根本就沒有受水平的作用),而是因基礎在受地震水平力運動中,產生的運動力傳遞到上部結構,迫使上部結構沿地震受力方向,作反方向S形式傾斜擺動。
  其二:地震爆發時的沖擊波只有兩個方向,而現在所有城市的建筑物的規劃設計,是根據城市的道路按東西南北方向和建設的需要各自排列的。將建筑物上部結構視為受水平運動,也只能有30%的建筑物的結構抗震設計受力方向與地震沖擊波受力方向相同,而70%的建筑物的抗震設計受力方向與實際地震沖擊波的沖擊方向,處于非常不利的位置,當地震爆發時,只有少數正好與地震沖擊波方向協調一致的建筑物不一定破壞,而大多數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。地震對建筑物的沖擊破壞,主要是對建筑物基礎產生的水平往覆沖擊剪切力,從而使基礎被沖擊破壞失去穩定后,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,而不是破壞上部建筑結構,所謂萬丈高樓從地(基)起,就是這個道理。基礎都破壞了,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,又以基礎深度的差別體現在地震沖擊波的大小上,基礎越深、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施不少(如:地下建筑、地鐵、地下大型管道等),都是構成城市地震場地效應發生互相變化的種種直接因素。現行抗震設計中,都沒有考慮地下建筑設施的自身抗震,以及對地面建筑物基礎和地基的地震場地效應所產生的嚴重問題。
  a) 現行建筑結構抗震樁基設計與地震場地效應的嚴重問題
  現行抗震設計中的樁基礎的設計有兩種類型,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,構成對上部建筑物作用力(壓力)的平衡。摩擦樁是通過樁基礎與一定深度的地基土層十分緊密的擠壓結合中產生足夠的反作用力,通過樁傳遞到地面,構成對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在對上部建筑物的作用力(壓力)構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,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定作用,由此,可以定義:樁端的承載力,樁身的強度是和樁身四周的土層構成了端樁基礎的整體,缺一不可。
  在摩擦樁中,樁身的強度與樁身四周土層緊密擠壓所產生的反作用力,構成了摩擦樁基礎的整體,也是缺一不可的。這兩種類型的樁基礎在地震爆發時,強大的地震水平往覆沖擊波,完全改變了上述狀態,使端承樁在地震沖擊波中,使端承樁的承載力發生水平往覆運動,不但失去對樁身的穩定,反而對樁身構成了往覆水平沖擊,其結果:端承樁不是破壞,就是下沉失穩。隨著端承樁的破壞和失穩,建筑物上部結構自然也就處于破壞倒塌的危險境地,而摩擦樁的危險就來的更快了,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,并且土層對樁身構成水平沖擊力,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,其上部建筑物隨之處于時刻會破壞和倒塌的危險之中。
  b) 現行予應力建筑結構在地震中的嚴重問題
  所謂予應力建筑結構,是人為的在建筑結構的主要承力構件中,對主要承力構件中混凝土施加予應力,一般是通過對結構中承力構件的鋼筋進行張拉,利用鋼筋的回彈力擠壓混凝土來實現的。根據對承力構件中鋼筋的張拉,與混凝土的先后關系,又可分為先張法和后張法兩大類。從建筑結構中的予應力構件,到予應力結構的發展,已經有較長的時間了,在建筑結構中應用予應力構件和發展予應力結構的優勢,在很多城市的建設中,得到了較廣泛的應用。在城市建設和發展中,推廣和應用予應力構件和予應力結構,的確能起到一定的積極作用。但是,有一個十分重要的結構動力學問題需要特別注重,所謂建筑結構動力學方面的問題,也就是地震爆發時,地震沖擊波迫使建筑結構產生振動的動態反應,地震沖擊波沖擊建筑結構,使其產生的內力在結構中傳遞,而予應力構件和予應力結構的力學模型是:
  1)予應力張拉兩端的固端成支座,是不允許有任何改變的。
  2)予應力構件或予應力結構在使用過程中,其構件和結構是不允許發生水平推動,振動彎曲和上下振動的。也就是說,予應力構件和予應力結構,只有在沒有任何外力的情況下,才能達到予應力構件和予應力結構設計的使用要求。因此可以定義:予應力構件和予應力結構的安全使用條件,是不能承受任何外力(尤其是地震沖擊力)的靜力使用狀態。
  地震沖擊波在建筑結構中,將無情的迫使建筑結構中的所有梁、柱、板、墻體等受力構件發生變形,即地震沖擊力能完全改變予應力構件和予應力結構的兩端邊界條件,使其構件和結構中的予應力償失。任何在使用中的予應力構件和予應力結構,當予應力衰退和償失后,其構件和結構必然破壞。因此,在地震設防城市的建設中,是不能使用予應力構件和予應力結構的。但是,現在許多城市的建設中都使用了予應力結構,這是十分危險的。因此,應盡快在地震爆發之前,采取補救措施,否則,后果一定是十分嚴重的。
  綜上所述,現行世界各國所實行的建筑結構體系,是與地震沖擊波相對抗、硬抗(死抗)的捆住地震內力的結構體系。從結構動態平衡的根本原理來分析,這種與地震力相對抗的結構體系的靜態平衡在地震中完全破壞了。也就是說,現行的建筑結構體系,只能滿足靜態(無地震沖擊波)狀況下的作用力與反作用力的平衡。當地震爆發時,建筑結構內力的靜態平衡被破壞了。這就是現行建筑結構體系抵抗不了地震沖擊破壞的根本原因所在。現行建筑結構的抗震設計,只是加大了建筑結構的剛變,使其增加了對地震沖擊力的對抗力(死抗力),沒有從結構動態平衡的基礎上去尋求,建筑結構與地震沖擊波的動態平衡,建立一個與地震內力相適應(不是相違背)的“釋放地震內力的建筑結構動態平衡體系”。
  總之,幾百年來,人類所推行的靜態(加大剛度)的建筑結構體系,違背了地球地震的客觀規律。因此,給人類自己造成了巨大的災難。人類為了在地球上更好的生存和發展下去,就得從根本上解決適應地球地震客觀規律的建筑結構體系。因此,一種與地震力相適應的“釋放地震內力的建筑結構動態平衡體系”的動態平衡的力學理論的建立,并制定新的建筑結構釋放地震沖擊波的設計標準(在也不是對抗的標準),將是人類發展的方向和目標。
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