文獻綜述報告-抗震概念設計的認識及文獻綜述報告-深基坑工程的發(fā)展現狀及發(fā)展趨勢

文獻綜述報告抗震概念設計的認識土木工程專業(yè)1.前言自從上世紀70年代提出“抗震概念設計”以來，人們越來越意識到僅靠精確的計算已很難設計出良好的抗震結構了。因抗震不只是要求承載力，還要求有吸收能量的能力（或稱延性）。由于地震作用本身的隨機性，各種結構之間的差異性以及結構本身的復雜性，加上遭受地震作用后結構破壞機理和破壞過程的復雜性，更是計算設計所無法考慮到的。因此，建筑除了地震作用的設計計算外，還應充分考慮建筑物所應具備的延性和塑性。人們從大量地震災害調查研究中得知，一個良好的抗震結構必須首先在一開始的總體設計方案上考慮其抗震能力，這樣就逐步形成了“抗震概念設計”的思想[1]。一旦明確了抗震設計的思想，會使設計人員更靈活、更恰當地運用抗震設計原則，并不致陷入盲目的計算工作中，從而做到比較合理地進行抗震設計。2.抗震概念設計的含義概念設計是相對于計算設計而言，是指不經數值計算，尤其在一些難以作出精確理性分析或在規(guī)范中難以規(guī)定的問題中，根據地震災害和工程經驗等所形成的基本設計原則和設計思想,從整體的角度來確定建筑結構的總體布置和抗震細部措施的宏觀控制的一個過程[2]。它著眼于結構的總體地震反應，按照結構的破壞機制和破壞過程，靈活運用抗震設計準則，全面合理地解決結構設計的基本問題，既注意總體布置上的大原則，又顧及到關鍵部位的細節(jié)，從根本上提高結構的抗震能力。3.抗震概念設計的要求3.1 場地選擇（1）選擇有利地段選擇工程場地時，首先應進行詳細的勘察，搞清楚地形、地質、地貌以及地下的情況，挑選對建筑物抗震有利的地段[3]。建筑場地盡可能要求寬闊平坦而且避開斜坡和崖地,要盡量選擇堅實均勻的場地土。微風化和中等風化的基巖,堅實的砂土層,不含水的粘土層等都屬好的場地土。（2）避開不利地段對建筑抗震不利地段提出避開要求,當無法避開時應采取有效措施。不利地段就是指軟弱土、液化土、條狀突出的山嘴、高聳孤立的山丘、非巖質陡坡、采空區(qū)、河岸和邊坡邊緣,平面分布有成因、巖性狀態(tài)明顯不均勻的土層等。(3)不在危險地段建設[4]不應在抗震危險地段建造甲、乙、丙類建筑,建筑抗震危險地段一般是指地震時可能發(fā)生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流及地震斷裂帶上可能發(fā)生地表位錯的部位。3.2 地基和基礎設計地基和基礎設計應符合下列要求：（1）同一結構單元的基礎不宜設置在性質截然不同的地基上（2）同一結構單元不宜部分采用天然地基部分采用樁基（3）地基為軟弱粘性土、液化土、新近填土或嚴重不均勻土時，應估計地震時地基不均勻沉降或其他不利影響，并采取相應的措施[5]。（4）提高基礎的整體性采用整體性好的基礎方案,使基礎、結構能夠整體傳力,這對于保證建筑結構的抗震可靠性非常重要,也可以部分消除基礎的不均勻沉降。3.3 建筑的平立面布置結構平面布置是指在結構平面圖上布置柱和墻的位置以及樓蓋的傳力方式。從抗震的角度看，其中最主要的是使結構平面的質心（質量中心）和剛心（剛度中心）相重合或者說盡可能的靠近，主要原因是為了減少結構的扭轉反應。因此，結構平面布置宜簡單、對稱和規(guī)則[6]。這樣的做法使設計者容易準確計算出地震反應，可以保證地震作用具有明確直接的傳遞途徑，容易采取抗震構造措施和進行細部處理，在地震時不易被破壞；反之，如果房屋體形不規(guī)則，平面上凸出凹進，立面上高低錯落，在地震時就容易產生震害。3.4 抗震結構體系3.4.1結構體系的選擇(1)在多層砌體房屋中,宜優(yōu)先采用橫墻承重的結構體系。(2)在裝修水準較高的高層鋼筋混凝土房屋中,宜采用抗震墻或框架抗震墻結構體系。(3)在框架抗震墻砌體房屋的底部,鋼筋混凝土抗震墻優(yōu)于砌體抗震墻的結構體系。(4)超靜定結構優(yōu)于靜定結構,框架結構優(yōu)于排架結構,空間框架結構優(yōu)于平面框架結構,剛接框架結構優(yōu)于半剛接框架和鉸接框架結構[7]。(5)抗震墻結構優(yōu)于框架結構,聯肢抗震墻結構優(yōu)于單肢抗震墻結構。(6)鋼筋混凝土結構優(yōu)于砌體結構,鋼筋混凝土彎曲構件優(yōu)于其剪切構件。(7)配筋砌體結構優(yōu)于無筋砌體結構。3.4.2結構的布置盡可能布置多道抗震防線，因為地震有一定的持續(xù)時間，并且會多次反復作用，使得建筑物的結構破壞基本都是喪失了承載力。眾所周知，框架結構中柱子倒了梁也會跟著破壞，緊接著導致整個結構產生破壞；而梁破壞了柱卻不一定倒，可見柱承擔的責任比梁的大[8]。為了保證柱是在最后失效，在結構構件安全的前提下把梁設計成相對薄弱的環(huán)節(jié)。使梁在破壞前，以最大限度變形消耗地震能量，使框架柱退居到第二道防線，這就是所說的“強柱弱梁”的概念[9]。在同一類型的構件中，其破壞后果的嚴重性也不盡相同，也就是“強剪弱彎”的概念了。彎曲破壞是一種延性破壞，是有預兆的現象如開裂或下撓等，而剪切破壞是一種脆性的破壞，沒有預兆的，瞬時發(fā)生，使人沒有防范，所以我們要避免發(fā)生剪切破壞！這就是我們設計時要結構達到“強柱弱梁、強剪弱彎”這個目標。人為的控制不利的、更危險的破壞發(fā)生。3.5 結構的整體性3.5.1構件間的可靠連接——強節(jié)點弱構件構件的連接既要牢固可靠,又要有足夠的變形能力,才能保證結構的整體性,發(fā)揮各構件和整個結構的抗震能力。從多次地震災害調查中我們可以看出,造成房屋倒塌的最主要和直接的原因之一,就是構件之間的連接遭到破壞,結構喪失了整體性,各個構件尚未發(fā)揮其抗震能力之前,就發(fā)生平面外失穩(wěn),或從支承構件上滑脫墜地。所以,要提高房屋的抗震性能,保證各個構件的強度能充分發(fā)揮,首要的是加強構件間的連接,使之能滿足傳遞地震力時的強度要求和適應地震時大變形的延性要求。構件連接不破壞、不失效,整個結構就能始終保持其整體性[10]，這就需要滿足“強節(jié)點弱構件”的要求了。為了確保結構的整體性。各構件之間的連接必須可靠，符合下列要求。（1）構件節(jié)點的承載力不應低于其連接構件的承載力，當構件屈服、剛度退化時，節(jié)點應保持承載力和剛度不變。（2）預埋件的錨固承載力不應低于連接件的承載力。（3）裝配式的連接應保證結構的整體性，各抗側力構件必須有可靠的措施以確?？臻g協(xié)同工作。（4）結構應具有連續(xù)性，注重施工質量，避免施工不當使結構的連續(xù)性遭到削弱甚至破壞。3.5.2增強房屋的豎向剛度軟弱地基上的房屋,由于砂土、粉土液化或軟土沉陷引起的地基不均勻沉降,會造成房屋嚴重開裂。所以建造于軟弱地基上的房屋,首先要確定恰當的地基處理措施,其次使上部結構具有足夠的整體豎向剛度,并使房屋基礎具有較強的整體性,以抗御地震時可能發(fā)生的地基不均勻沉降,以及地面裂隙穿過房屋時所造成的危害。4.總結由于地震力的不可預見性和復雜性，及目前我們對地震認識的局限性，要想精確地計算出地震作用有很大難度。而概念設計是可以在施工圖設計（或者說初步設計）之前的，以迅速有效的對結構的總體方案進行構思、比較及選擇，而不是馬上進行數據計算，這給后續(xù)的設計提供了正確的思路。就像是一個人為了夢想而奮斗，如果連努力的方向都弄錯了，那以后的道路肯定會更加艱難，甚至這條路就走不下去了，所以概念設計更像是整個結構設計的方向標。對設計人員來說，需要把握“強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點弱構件”等必要的抗震設計要求。尤其是高度重視計算設計的今天，更加需要推廣的是概念設計的思想。只要我們把握好這些抗震設計的原則，重視概念設計，再做好計算設計，才能使房屋結構真正滿足“小震不壞，中震可修，大震不倒”的要求。參考文獻[1] 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土方開挖、支護結構及降水方案。根據所制定的施工方案，對全體施工人員作詳細的安全與技術交底工作。2)基坑開挖前，通過降水提高坑內土體的水平抗力，減少基坑的變形量。施工降水不宜過快，降水過程中應加強周邊建筑物、地下管線和地表沉降的監(jiān)測，同時在坑外地面設回灌井，必要時應采取回灌措施，確保周邊建筑物安全[10]。在基坑開挖施工中，發(fā)現監(jiān)控數據接近或超過警戒值時，應立即分析原因，準確地找出施工過程中存在的問題及時調整施工步驟，采取相應的對策，便能有效控制基坑變形，確保基坑安全。3)為防止邊坡失穩(wěn)，施工前先清除基坑邊堆土等荷載，防止由于荷載過大引起基坑坍塌等事故的發(fā)生。4)基坑開挖分層進行，從上到下逐層進行開挖，嚴禁超挖和掏底開挖，同時開挖過程要與支撐架設同步施工。開挖段的長度必須根據基坑深度和坡度合理確定，不宜過長。當基坑挖至設計標高后，必須馬上澆筑墊層混凝土，進一步減小基坑變形值。底板混凝土必須在5d-7d內完成，相應結構層施工及時跟上，以建立永久的受力平衡體系，從根本上控制住基坑變形[10]。5)在采用拱圈墻方案時，拱墻本身可采用水平分縫及垂直分縫的逆作拱墻方法施工，拱腳穩(wěn)定性很重要，設計施工應予重視，挖土時應維持拱圈荷載對稱，受力均衡。2.2.5基坑工程尚未完全解決的問題1)由于開挖深度、周邊環(huán)境、地層性質等多因素的影響，基坑支護方案會根據所選物理力學參數的不同而選擇不當。2)基坑支護的內力和變形的精確計算是一個比較復雜的問題，其計算模型需要考慮圍護結構、支撐體系和土三者的共同作用，但是，目前將其簡化為平面問題，難以準確反映空間效應。3)在軟土地區(qū)，淤泥、淤泥質土等具有蠕變特性，圍護結構會隨著無支撐時間的延長而逐漸增大變形，即所謂的“時間效應”，目前時間效應尚未精確考慮到理論計算中。4)由于受到多種未知因素(如暴雨等自然災害)的影響，深基坑土體的變形和位移無法精確計算。5)當基坑平面尺寸較大，支撐體系較復雜時，由氣溫變化引起的溫度應力和收縮應力會使支撐桿件內力增加，但在圍護結構設計時該理論只加以概略估算。6)在建筑物密集地區(qū)設計深基坑的支護結構，多以變形控制，但在設計時如何控制周圍地面沉降尚有一定難度，這是由于計算方面尚難以提供精確值。三、深基坑工程的發(fā)展趨勢及國內外深基坑支護技術的研究發(fā)展3.1深基坑工程的發(fā)展趨勢1)基坑向著大深度、大面積方向發(fā)展，周邊環(huán)境更加復雜，深基坑開挖與支護的難度愈來愈大。因此，從工期和造價的角度看兩墻合一的逆作法將是今后發(fā)展的主要方向。但逆作法施工受樁承載力的限制很大，采用逆作法時不能采用一柱一樁，而是一柱多樁，增加了成本和施工難度[15]。如何提高單樁承載力，降低沉降，減少中柱樁(中間支承柱)，達到一柱一樁，使上部結構施工速度可以放開限制，從而加快進度，縮短總工期，這將成為今后的研究方向。2)土釘支護方案的大量實施，使得噴射混凝土技術得以充分運用和發(fā)展。為減少噴射混凝土的回彈量以及保護環(huán)境的需要，濕式噴射混凝土將逐步取代干式噴射混凝土。3)目前，在有支護的深基坑工程中，基坑開挖大多以人工挖土為主，效率不高，今后必須大力研究開發(fā)小型、靈活、專用的地下挖土機械，以提高工效，加快施工進度，減少時間效應的影響[1]。4)為了減少基坑變形，通過施加預應力的方法控制變形將逐步被推廣，另外采用深層攪拌或注漿技術對基坑底部或被動區(qū)土體進行加固，也將成為控制變形的有效手段被推廣。5)為減小基坑工程帶來的環(huán)境效應(如因降水引起的地面附加沉降)，或出于保護地下水資源的需要，有時基坑采用帷幕型式進行支護。除地下連續(xù)墻外，一般采用旋噴樁或深層攪拌樁等工法構筑成止水帷幕。目前，有將水利工程中防滲墻的工法引入到基坑工程中的趨勢[1]。6)在軟土地區(qū)，為避免基坑底部隆起，造成支護結構水平位移加大和鄰近建(構)筑物下沉，可采用深層攪拌樁或注漿技術對基坑底部土體進行加固，即提高支護結構被動區(qū)土體的強度的方法。3.2國內外深基坑支護技術的研究發(fā)展3.2.1國內外深基坑支護技術的研究現狀國外20世紀30年代，太沙基和皮克等最先從事基坑工程的研究，20世紀60年代在奧斯陸等地的基坑開挖中開始實施施工監(jiān)測，從20世紀70年代起，許多國家陸續(xù)制訂了指導基坑開挖與支護設計和施工的法規(guī)[16]。除了明挖法、暗挖法、蓋挖法、盾構法、沉管法、凍結法及注漿法等開挖技術外又有了新進展[17][12]。我國城市地下工程建設起步較晚，20世紀80年代前，國內為數不多的高層建筑的地下室多為一層，基坑深不過4m，常采用放坡開挖就可以解決問題。20世紀80年代初才開始出現大量的基坑工程[18]。到20世紀80年代，隨著高層建筑的大量興建，開始出現兩層地下室，開挖深度一般在8m左右，少數超過10m[19]。進入20世紀90年代后，在我國改革開放和國民經濟持續(xù)高速增長的形勢下，全國工程建設亦突飛猛進，高層建筑迅猛發(fā)展，建筑高度越來越高，同時各地還興建了許多大型地下市政設施、地下商場、地鐵車站等，導致多層地下室逐漸增多，基坑開挖深度超過10m的比比皆是，其埋置深度也就越來越深，對基坑工程的要求越來越高，隨著人防、地鐵、地下商場、倉庫、影劇院等大量工程的建設，特別是近年來的工程實踐，城市地下空間開挖技術得到了長足發(fā)展和提高[20]。我國城市地下工程、隧道及井孔工程等先后采用了明挖法、暗挖法、蓋挖法、盾構法、沉管法、凍結法及注漿法等，這些技術有的己達到國際先進水平。促進了建筑科學技術的進步和施工技術、施工機械和建筑材料的更新與發(fā)展。為了保證建筑物的穩(wěn)定性，建筑基礎都必須滿足地下埋深嵌固的要求。隨之出現的問題也越來越多，這給建筑施工、特別是城市中心區(qū)的建筑施工帶來了很大的困難[21][22]。3.2.2國外深基坑支護技術的發(fā)展國外許多國家陸續(xù)制訂了指導基坑開挖與支護設計和施工的法規(guī)。除了明挖法、暗挖法、蓋挖法、盾構法、沉管法、凍結法及注漿法等開挖技術外新進展有：(l)全過程機械化。從護坡、土方開挖、結構施工，包括暗挖法施工的拱架安裝、噴射混凝土、泥漿配制和處理等工序的機械化，同時采用計算機技術進行監(jiān)控，從而保證了施工安全、快速施工和優(yōu)良的工程質量[23]。(2)盾構法得到較大發(fā)展。近30年內英、美、法、日等國大量采用盾構施工技術，日本已生產盾構近萬臺，用于地鐵、鐵路、公路，水工及管網施工，己出現雙聯、三聯、四聯盾構，能完成三跨地鐵車站，開挖寬度達17m。日本正設想設計直徑80m的盾構，在地下建造人造太陽和住宅區(qū)[24]。(3)微型盾構和非開挖技術已廣泛應用。主要用于建造各種直徑的雨、污水、自來水管道和電纜管道。微型盾構就是直徑2m以下的盾構。刀盤掘進，遙控和衛(wèi)星定位控制方向和坡度，然后安裝管片。非開挖技術就是采用微型鉆機，通過切割輪成孔，退回鉆桿后安裝管線或電纜[25]。(4)預砌塊法施工技術。拱圈是在土方開挖后采用拼裝機安裝，管片上留有注漿孔，襯砌拼裝完成后，由注漿孔向壁后注漿，堵塞空隙，增強圍巖與襯砌的共同作用。法國用此法施工的最大單拱跨度達24.48m。(5)預切槽法施工技術。意、法等國制造了一種地層預切槽機，采用鏈條沿拱圈將地層切割出一條寬15cm，長4-5m的槽縫，然后向槽縫內噴射混凝土，并在其保護下開挖土方，做防水層及二次襯砌，形成隧道。(6)頂管大管棚法。修建地鐵車站時，在頂管內灌混凝土，形成大管棚，再在其保護下進行暗挖施工。(7)微氣壓暗挖法。就是在具有1個大氣壓以下的壓縮空氣環(huán)境下，按照“新奧法”原理進行施工。優(yōu)點是可以排出地下水，保證工作面干燥；由于氣壓存在，可減少地面沉降；還可降低襯砌成本[26]。(8)數字化掘進，又稱計算機化掘進(Datadrilling，eomputeriseddrilling)，應用于硬巖工程的開挖。在數字化掘進時，鉆桿的推進是程序化的，從一個洞到另一個洞也是自動的。掘進機手可以同時管理3套鉆桿，其作用是監(jiān)督鉆桿的運動，必要時予以調整?？孜?、孔深和掘進序列預先已在掘進機的計算機軟件中安排，掘進方向由激光束控制，實現了孔的嚴格定位，從而可以實現掘進工藝的最優(yōu)化以及曲線隧道的掘進。數字化掘進的優(yōu)點是：控制隧道掘進的超挖；實現掘進方案的優(yōu)化；消除了工作面上的人工測量[27]。參考文獻1.余志成，施文華.《深基坑支護設計與施工》，中國建筑工業(yè)出版社，1999.2.黃運飛.《深基坑工程實用技術》，兵器工業(yè)出版社，1996.3.錢家歡.土力學[M].河海大學出版社，1995.第二版.139-167，184-186.4.陳東佐，李靜.巖土工程的現狀與發(fā)展[J].太原大學學報，2003.4（3）：35-38.5.李鐘.深基坑支護技術現狀與發(fā)展趨勢（一）[J].巖土工程界，.2001.6.崔江余，梁仁旺.建筑基坑工程設計計算與施工[M].中國建筑工業(yè)出版社，1999.第一版11-73.7.陳肇元.土釘支護技術.深基坑開挖土釘支護技術研討會，199