“韧性城市”是如何炼成的?— — 建筑结构体系抗震设计的转变

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“韧性城市”是如何炼成的?— — 建筑结构体系抗震设计的转变

前言

抗震设计是建筑结构设计中举足轻重的一部分,抗震设计的过程贯穿结构设计的始终。从项目伊始的建筑选址开始,建造者与设计师应如何进行结构选型,采取怎样的抗震分析手段与抗震措施,从而满足地震作用下结构的安全性与经济性。这一系列的决策将影响新建工程的整个未来,随着近年来地壳运动活跃性的提高,结构抗震或抗侧的韧性也成为工程师们设计时最为关注的问题之一。

▲《重建克赖斯特彻奇——建筑结构体系抗震设计的转变》(Reconstructing Christchurch:A Seismic Shift in Building Structural Systems)

《重建克赖斯特彻奇——建筑结构体系抗震设计的转变》(Reconstructing Christchurch:A Seismic Shift in Building Structural Systems)是2019年6月,由中国建筑工业出版社出版,同济大学土木工程学院王伟教授所翻译的一本新书。这本书记录了新西兰克赖斯特彻奇地区震后重建所采用的结构体系,并对新建建筑中每种结构体系的采用情况进行了量化。

本书背景

▲新西兰 克赖斯特彻奇 2010~2011强震

新西兰是一个地质条件很不稳定的国家,被称为“摇晃之岛”,它跨越了澳大利亚板块和太平洋板块,位于两者之间的边界地带。

克赖斯特彻奇在2010年9月4日经历了7.3级大地震,这之后该地区以及周边区域又经历了4000次左右的余震,包括2011年2月22日的一场6.3级余震,震源深度5公里,这是新西兰近70年来破坏性最大的地震。这场地震造成的人员伤亡较小但经济损失巨大,城市中央商务区大面积破坏,致使上千户人家无家可归。除却一些19世纪的教堂,20世纪早中期的现代化商业建筑同样也产生严重破坏,甚至变成废墟,许多无配筋的砌体结构发生了倒塌,部分钢筋混凝土建筑以及木结构建筑也同样发生倒塌,几乎所有的多层建筑都产生了结构损伤。

就这样,克赖斯特彻奇在震后被夷为“站立着的废墟”(Standing ruins)。

内容简介

本书作者为加拿大工程院院士、美国纽约州立大学布法罗分校教授米歇尔·布鲁诺与国际地震工程协会新西兰国家代表、新西兰坎特伯雷大学教授格雷格·麦克雷。原书出版于2017年10月。

本书的研究包含了一系列对结构工程师的采访,这些工程师们在克赖斯特彻奇的CBD中负责建造了超过60%的震后建筑(共计74座建筑),此外还有对来自于惠灵顿和奥克兰的工程师、建筑师、项目管理人员和开发商的采访。本次研究还从各种途径收集数据,对所研究的74座建筑进行了结构形式和决策驱动的定量分析。

本书主要研究结论包括一下几个方面:

➤ 虽然在地震发生之前,克赖斯特彻奇CBD和阿丁顿地区几乎所有的建筑均采用钢筋混凝土框架结构体系或钢筋混凝土剪力墙结构体系,但在2011年后的重建过程中,新建结构分别采用钢结构、钢筋混凝土结构和木结构作为抗侧力体系的建筑数量比约为10:10:1.然而钢结构往往被用于建筑面积更大的结构之中,这些新建建筑采用钢结构、混凝土结构和木结构作为抗侧力体系的建筑面积之比率约为79:20:1.此外,对于上述的钢筋混凝土建筑,其内部约四分之三的重力框架其实也是钢框架结构。

➤ 新建的混凝土结构几乎都是剪力墙体系,除了以下两个例外情况:

❶ 在一个基础隔震建筑物的正交方向上使用了钢筋混凝土抗弯框架;

❷ 在一个建筑的某个方向上使用了钢筋混凝土摇摆墙。

➤ 新建钢结构采用了多种抗侧向力体系。按照应用的建筑数量从多到少,对抗侧力体系进行了排序:屈曲约束支撑(BRB)框架,传统的抗弯框架(MRFs),削弱梁截面的抗弯框架,具有可更换耗能连梁的偏心支撑框架(EBFs),中心支撑框架(CBFs),传统偏心支撑框架,摇摆钢框架体系,以及具有摩擦型节点的抗弯框架。大部分新建的基础隔震建筑都用在抗弯钢框架和中心支撑钢框架结构体系中。如果仅考虑非基础隔震建筑,BRB框架的建筑面积已经占所有新建建筑面积的近40%。

➤ 木结构框架用于约3%的新建建筑之中,它们大部分采用了单板层积材。

➤ 在74座建筑中,9%的建筑采用了混合体系,14%为基础隔震体系,3%采用了粘滞阻尼器。

▲本书目录与中文版序

本书对重建的项目分门别类进行了分析研究,并清晰地列出每项建筑的整体信息、结构体系、业主需求或设计说明以及推动工程师决策的各项重要因素,为我们的设计师进行结构选型、抗侧力体系选择与布置、基础设计、隔震或减震措施、与各专业协同设计、抗震性能设计等提供了重要的参考与思路。下图选择书中对几个不同建筑的分析供参考:

译者介绍

王伟:教授,工学博士。博士生导师,曙光学者,浦江人才计划入选者,同济大学土木工程学院建筑工程系副主任。

方成:副教授,博士,博士生导师,同济大学“青年百人计划”入选者。

译者近年来专注于多灾害下钢结构性能和新型可恢复功能钢结构体系的研发、设计及推广工作,并实地考察和体验了克赖斯特彻奇震后7年的城市恢复状况。

“前事不忘,后事之师”, 现代结构抗震理论是从一次次的大地震中发展而来的。从20世纪初的美国旧金山地震、日本关东地震,到20世纪中后期的墨西哥城地震、美国北岭地震、日本阪神地震,100多年来,结构抗震理论经历了几次变革。在近些年随着科技飞速发展,各种新技术相互融合。主动控制、被主动控制的减隔震技术,高性能材料等也在工程抗震中迅速地得到应用。本书中的项目对这些新的技术均有应用。王伟教授团队致力于多种类型灾害下钢结构性能的研发,所研究的多项抗震技术在喜鹊房屋的技术体系中均有应用。

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来源:喜鹊房屋微信公众号(ID:xiquefangwu)