摘 要:很多砖结构遭到7度地震作用时,顶部就会被拉断呈平缝,有些上部还曾经跳起。所以,分析7度及以上地震区结构的地震力,应该考虑上部跳起和结构受拉等各种影响;但至今尚无人加以考虑。本文作者提供的办法是:先按任何规范算出各种结构的各种地震应力,然后以震害规律为唯一依据,对各种结构的不同部位、不同应力和不同烈度等提出各种调整系数加以修正,使计算的最后结果能较好地解释震害。
关键词:震害规律;结构上部跳起或受拉;弯矩调整系数;剪力调整系数;竖力向上的调整系数;竖力向下的调整系数
1 前言
传统观点认为:水平地震力(简称平力)对结构破坏起决定性作用,竖向地震力(简称竖力)微不足道,其主要根据是强震记录和对它们分析的结果。1994年美国洛杉矶地震仅6•6级,损失就达两百亿美元;1995年日本神户7•2级地震的震中距市中心约30公里,损失更高,达千亿美元,6000多人死亡,近30万人无家可归,震害非常严重。作者1957年开始提出竖力起主要作用的新观点,完全是以实际震害为根据。我国1975及1976年海城与唐山地震等,提供了极为丰富的震害资料,新观点才得到普遍的支持,有关专著两本及数10篇文章,才得到发表,并应邀在国内外报告50多次。1992年世界著名学者e.rosenblueth邀作者讲学,写成的著作中[1],分析了大量震害,从八个方面全面地证明传统观点是完全错误的。很多科技人员希望能提出一套接近震害的计算办法,但难度极大。本文作者提出的初步建议,供讨论和改进。由于没有任何学者进行过类似考虑,没有可参考的资料,其中缺点和错误一定不少,请多指教。制定规范的专家们对震害非常熟悉和重视,在1990年开始执行的新规范中,特别强调“概念设计”(如砖房在一定条件下不验算弯矩和可修多层、对某些结构不验算基础等,都是总结震害经验得出的)比计算设计更重要。若能再提出一套与震害大致符合且和“概念设计”不发生严重矛盾的计算设计,肯定是全世界最先进的规范。作者认为,我国大量科技人员搜集的极丰富的砖结构震害资料,是研究地震工程最有力的根据。震害资料非常全面,便于分析。需要特别说明的是:地震时结构的强度、荷载情况等都和设计情况相差较大,破坏性更复杂,地震的强度及特性以及地基的复杂影响等也难以弄清,所以,地震工程是一门极粗糙的学科。根据震害规律探讨地震力,当然不可能像分析强震记录那样可以得出形式上似乎非常精确的结果,但这决不是缺点。作者除了阐述砖烟囱中上部发生8~10条环缝而不倒的破坏机理,进行较复杂的纵波应力分析外[2,3],其余文章都是根据工程常识分析震害。作者虽然对传统观点加以全面否定,但仍非常尊重学者们过去按传统观点进行的一切工作。因为地震现象非常复杂,学者们在一片漆黑中进行探索,不仅非常辛苦,也是完全必要的,即使作者指出的问题基本正确,也应肯定其贡献。
2 对竖力的初步建议
从大量砖结构的震害资料来看,结构受到6度及以下地震的作用仍基本完好,仍可按弹性理论进行分析。但对于定量问题,提出如下两点建议:
(1)文献[4],[5]分析9度区很多火车箱及变压器跳出轨外和7度区地面上很多物体移位的现象得出:地面的竖向加速度常大于强震记录最大值的12倍,本文作者建议取12倍(即水平加速度的6倍)。国内外记载类似现象的资料也不少。
(2)很多砖烟囱和多层砖房受到7度地震作用时,常在顶端或顶部破坏,经过分析,这些部位应受到拉力作用[9]。由于结构的阻尼、地震时的荷载情况以及地震的特性等很多因素都无法弄清,所以,对于高振型的影响等,作者建议只在概念上加以考虑,在定量上应尽量使它与震害接近。但这里只讨论计算简便破坏在下部的水塔等倒摆结构,其它结构另文讨论。
(3)6度区及以下水塔等的竖力,建议采用中国规范中计算平力的简便计算法,但将kh变为kv=6kh,即vvo= kvq =6khq (1)式中 vvo,q为水塔等底端的(或总的)竖力及总的重量;kv,kh为竖向与横向的地震系数,7度kv=6kh=0.6,8度加倍,9度再加倍,6度减半,5度再减半……。以qi,hi及svi表示i点的重量、高度及竖向地震荷载,66则svi=qihi∑
iqihivvo(2)
若近似地将筒身单位长度的重量视为相等,表示为q;x,h表示筒身任一点及顶点的高度;qt及ht表示水箱总的重量及重心高度;vvi表示i点的竖力(i点以上svi之和),则svi=qihi∫hoqxdx+qthtvvo即svi=2qihiqh2+2qthtvvo(3)
-vvi= 1-qh2iqh2+2qthtvvo(4)计算竖向地震应力σvi时,建议考虑筒身截面沿高度改变的实际情况。对于砖筒水塔,暂建议按1%比例减小。当烈度高于6度时,水塔中的水或其它物体都会上抛或减轻自重,使筒身受到的竖力大大减小;当某一截面被拉断跳起后,竖力更小,一般不会再产生断裂(有的水塔曾产生两条甚至3条断裂,可能是纵波应力在极短时间内形成的,与砖烟囱出现多条环缝的情形相似);当跳起物体落下时,筒身各部位都将受到很大的冲击力,建议将竖力加大来替代。这说明,计算筒身向上及向下的竖力应有很大差异,本文作者建议先按(1)~(4)式计算并算出σvi后,再根据震害情况加以调整。表1中的dv及d′v为计算向上及向下竖力初步建议的调整系数。为竖力向上时的调整系数;竖力向下时应有所加大,但抗剪与抗弯强度也大大加大,有关震害很少,故暂不考虑。表2列出海城地震及邢台地震(最后一个)4个水塔的计算结果。建议的计算结果显然能较好地解释震害。请大家再用其它水塔的震害加以检验,现以1号水塔为例计算如下:qt=80 t,ht=16 m,q=11.3 t/m,h=14 m,筒底截面积约为7•0 m2,海城地震时位于9度区,震害见表2。-vvo=6×0.4×(80+14×11.3)=571 t以σvi及σwi表示i截面未经上述调整前的竖向应力及自重压应力;σvi(-)及σvi(+)为经过调整并考虑σwi后的拉应力及压应力,负号表示受拉,以高5 m的截面(σw5=2.6 kg/cm2)为例,根据上述可得-vv5= 1-11.3×5211.3×142+2×80×16×571=537 tσv5=537×10007×10000(1-5×0.01)=8.08 kg/cm2σv5(-)=-0.7×8.08+2.6=-3.06 kg/cm2
σv5(+)=3×8.08+2.6=26.8 kg/cm2
3 对平力的初步建议
在结构未发生破坏之前,对结构进行弹性分析,虽然没有多大问题,但由于很多假设条件无法证实,任何分析结果都无法判断其可靠性多大。所以,很多国家的规范虽然都采用较通用的反应谱理论,但差异都很大。我国规范采用的精确法和简便法,相差有时也达百分之二三百。本文作者有如下两点建议:
(1)根据很多结构的破坏现象看来,平力比很多学者分析强震记录得到之值小很多[8,9];
(2)检验任何分析结果的唯一标准是实际震害规律,即使分析计算形式上十分精密,也不能轻易相信。如前所述:在6度以上地震作用下,结构(特别是顶部)将产生拉力,使结构易于产生剪切破坏或上跳,使下部受到的剪力稍有降低,在抗弯最危险的底部,弯矩降低更多,显然过去常用的计算方法已不能再用。但如何建立新的计算理论或公式,难度极大甚至不可能。本文作者建议,以我国1974年规范的计算结果为依据,根据震害规律,对剪力与弯矩采用不同的调整系数dh及d′h加以调整(当然也可以用其它规范或学者分析的结果为依据,采取不同的调整系数)。暂时建议对结构上、下部都采用相同的调整系数(见表1),表
2中的σhi及τhi为按本文作者建议所得之值,括号中为按1974年规范算得者,k=1。
4 结语
这里仅对表2中的4个水塔略加讨论,建议读者再分析其它水塔等倒摆结构的震害,加以比较和改进。
(1)按很多国家规范计算,σhi及τhi约为表2括号中值的1/3左右;σvi约为表中数值的1/12左右;水塔受到9度地震作用不会受拉,抗剪强度远高于抗弯。后来有些学者认为,竖力应有所加大,但即使加大到表中数值的1/4甚至1/2,在竖力与平力共同作用下,也应产生弯矩破坏和倾倒,但实际震害却不是如此。
(2)根据建议的方案,σhi很小,作者认为:平缝是竖力拉断筒身产生的,若当时平力稍大,就会产生错位,若稍有扭矩,也会扭转;当结构受到较大拉力,使抗剪强度大大降低,就可能产生斜缝;竖缝是很大的压力σvi(+)作用,使筒身横向受拉产生的。若上述破坏一齐出现,就形成酥裂,因σhi不大,故仍能站立。
(3)作者已年过八旬,条件又差,工作较为困难,但根据新观点深信能研究出很多经济有效的抗震措施来。每想起地震造成人民生命财产的严重损失,现在,政府正大力开发多地震的西部,深感有责任撰写此文,供制定规范的专家和关心地震区建设的学者与工程师们参考和指正。
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