陈一文:央视新楼全面违背抗震建筑所有基本原则!


央视新楼“概念设计”全面违背高层抗震建筑所有基本原则:建筑(上部结构与非结构部件)应当轻并避免无必要的质量;在平面上与侧面上都应当简单、对称与形状规则,防止显著的扭转力、避免过大的高宽比与过大的平面区域;上部结构应当具有比不抗震结构更短跨越结构,同时避免使用长的悬臂结构。
 
央视新楼“概念设计”全面违背世界公认抗震建筑首要所有基本原则!
--央视新楼是“世界第一危楼”“第十一次征求意见稿”(依据四)
 
1972年以来,获得美国加州大学伯克莱分校以及“地震工程在线档案”成员支持的“地震工程国家信息服务部”一直为重大地震工程信息资源提供指导。该机构推荐的抗震建筑指导基本原则显然具有权威性:[1]

概念设计的重要性
 
    “概念设计”可定义为应用对于建筑物地震中行为的理解,而不是数字计算,避免或最大限度减少地震激发效应造成的问题。
 
上部结构必须选择合适的系统与外形
 
影响建筑上部结构承受地震地面摇动作用最为关键性的决定是基本平面形状与外形。
 
建筑结构可以有许多类型和外形,对于任何特定类型的建筑当然没有通用的理想外形。然而,抗震设计有某些基本的或指导性的原则,它们可以用来作为选择适当的建筑外形结构布置、结构系统、结构材料以及非结构部件的指导原则。这些基本指导原则如下:
 
1、建筑(上部结构与非结构部件)应当轻并避免没有必要的质量。
 
从事抗震设计时,最为重要的是,设计者必须从一开始就认识到,通过适度选择其结构系统及受影响反应的质量的大小及其分布(指对建筑地基摇动时反应的质量)可以控制建筑结构中的动态作用力。受影响有所反应的质量越小,地震力(惯性力)就越小。
 
2、建筑及其上部结构在平面上与侧面上都应当简单、对称与形状规则,防止显著的扭转力、避免过大的高宽比与过大的平面区域。
 
对于建筑在地震中的表现进行的现场调查表明,建筑越简单它们的表现越好。如Dowrick所指出的那样,这种情况由于两项主要的原因:首先,与复杂的建筑相比,容易对于更简单的建筑的总体地震表现有更好的理解;其次,更容易将这种理解形成到图纸中,同时,与复杂建筑相比,更容易建造简单结构的细节。平面图中对称与规则形由于大致同样的理由更为可取。平面图中两个方向对称性同等重要。缺乏对称性(无论在质量分布上和/或在刚性、强度或展延性上)导致扭转作用,不易正确估计且可能非常有破坏性)。
 
3、建筑及其上部构造应当具有均匀连续分布的质量、刚性、强度与展延性,避免形成柔弱区域。
 
振动建筑时,地震的地面运动将寻找所有的结构弱点。这些弱点通常由刚性、强度和/或展延性出现突然变化处造成,而且结构质量差劣的分布将加剧这些弱点的效应。最近几次地震期间数座现代建筑遭受的严重结构破坏充分说明避免横向刚性与强度突然变化的重要性。
 
4、上部结构应当具有比不抗震结构更短的跨越结构,同时避免使用长的悬臂结构。
 
5、非结构性部件应当与主结构很好分开,尽量使其与结构的其余部分不会相互影响。
 
后一种情况下,结果应当具有充分的横向刚性,防止在微小或中等地震震动造成显著的破坏,同时在强震激烈地面运动引起的反复往返变形条件下具有足够的韧性及稳定表现(即,强度、刚性与形变方面的稳定性)。主结构的刚性越好,它影响相互作用的非结构部件的灵敏度就越低;主结构的韧性越好,它对非结构部件突然破坏的相互作用的灵敏度也越低。

200810月第14世界地震工程大会提供更多抗震建筑基本原则科学依据
 
央视新楼的国外概念设计单位、国内结构工程设计单位工程施工单位、建筑安全审查单位肯定认为抗震建筑的上述基本原则“已经过时”,否则全面违反抗震建筑上述基本原则斜塔悬角结构的央视新楼不会这样设计,不会获得批准,更不可能批准施工建造出来!
 
20088-10月在肿瘤医院放疗期间,本顾问本文的基本内容已经完成,恰逢第14世界地震工程大会2008年10月12-17在北京举行,为此等到出席会议的周锡元院士向我提供了会议论文进行深入研究。
 
从我所查阅到的国内外抗震建筑领域所有文献来看,国内外没有任何研究论文能够说明抗震建筑的这些基本原则“已经过时”,所有相关研究论文为抗震建筑这些基本原则提供了更多的科学证据。
 
重庆大学土木工程学院韩军等的论文对多层扭转不规则结构的非线性地震响应分析[2]

历史性地震破坏已证明非规则结构设计容易导致扭转破坏(Chandler 1986 [3], Wei Lian 2005[4]),这在结构破坏中可普遍看到,它对人类社会造成极大的威胁
 
1972年危地马拉地震期间有一个有说服力的实例。地震期间,非对称侧向抗力结构设计导致15层的中央银行塔楼垮塌,附近的18层钢管框架结构的美国银行大厦仅受到微小的损坏。这是非对称侧向抗力结构设计受到破坏的典型事例。
 
事实上,1985年墨西哥地震期间,受到损坏的结构的大约50%直接或间接由于结构扭转导致破坏多样变化的当代建筑风格,使建筑结构中的扭转问题今天更加突出
 
尽管许多研究论文与国家规范不断强调建筑结构扭转破坏问题,对结构的线性表现或单水平非线性的研究也证明富有成效,非规则结构的非线性扭转表现有待进一步研究。
 
结论
对结构异常率不同的框架进行强调非线性扭转作用的多波非线性动态时间历史分析,表明如下情况:
 
1随着结构异常率增大,楼层位移与漂移角度在刚性一侧减少,楼层位移在柔性一侧增大,其较低量在刚性一侧。楼层的漂移角度在规范限度附近不显示任何明显的变化。
 
2随着结构异常率增大,楼层的相对扭转以及楼层的扭转位移率增大,表明扭转作用增大
 
3随着结构异常率增大,两侧之间的楼层漂移差增大
 
4)对于依照规范设计的框架,结构异常率增大对平面扭曲不造成太大变化,但是显著增大扭转角度,这进一步增大了结构组件中的扭转力矩,特别是垂直结构组件中的扭转力矩。这种扭转力矩,及其弯曲与剪切强度的耦合作用,较小受到工程师们的考虑,表明有理由对这种作用给予更多的注意

重庆大学土木工程学院刘建伟等不对称结构的非线性扭转响应》[5]

地震中的扭转响应通常加剧结构破坏。例如,1985年墨西哥地震中15%的结构破坏由扭转响应造成(Esteva 1987)。2008年汶川地震中,许多非对称性结构严重破坏也是由于扭转响应。因此,在地震作用下,扭转响应对非对称结构损害有显著作用。
 
为了减少扭转响应的冲击,中国《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)提出控制结构扭转变形的某些规范。但是,在考察扭转响应时,这些规范未能考虑抗横向负载构件的非线性表现,因而该规范对扭转响应的计算依然基于立柱与墙壁的弹性表现。

罗马尼亚土木工程技术大学M. Iancovici1 et. al.《受到Vrancea长时间地面运动影响的高层建筑中能量分布》[6]

非规则柔性系统比对称性系统更易遭遇地震活动破坏,受到长时间的地面运动的影响。

(墨西哥)自治都市大学的论文《非规则性建筑设计的影响》
 
墨西哥自治都市大学Universidad Autónoma Metropolitana)材料系Raúl González Herrera等向大会提交的论文《非规则性建筑设计的影响》强调:[7]

在地震活动作用之下建筑能够遭受多种破坏,尽管相同结构形状、在相同区域与地震作用下的破坏既不相同又不一致。因此,多种因素,如结构系统、地震特征、建筑质量、土壤区域,以及建筑的维护,共同决定建筑结构的地震活动表现。然而,与过去和近期地震的情况一致,大部分的破坏与建筑结构设计特征、高度与现场地面作用有关。
 
在许多近年的地震中,人们观察到地震活动对非规则结构导致的作用的影响。大部分资料仅定性地描述这些作用,建筑规范所使用的某些百分比对结构性能有所限制,但是它们不是大范围深层调查研究的结果。
 
自过去以来的这些资料继续向技术界表明建筑的非规则性的负面作用,Arnold and Reitherman写的教科书[8]是这方面的一个好例子。这本书图解说明了结构形状、平面与垂直方向的建筑非规则性,并且列举了扭转、质量非规则分布、弱楼层、非连续元件等具体例子。
 
表1.1概括归纳了近期地震对建筑的作用。建筑类型基本为石制与混凝土制建筑。这个表以及所研究的某些地震基于Solomon et al. (2008)[9]文献的调查研究。表1.1首先列出了与非规则性相关的破坏(该表第1至4列)。如同可以从这些列中观察到的那样,21次地震中的19次至少包括两种类型这些非规则毛病。认真研究该项概括归纳,我们可以确定任何类型的非规则性继续是所有类型建筑中最为常见的地震破坏的主要原因之一。
 
    这些资料教育我们,对于一项非规则结构需要进行更加仔细的结构分析才能实现一个更加合适的抗震系统。为此,由于不正确的分析简化了这些结构所导致的小错误,发生地震时可能导致重大的破坏,同时代表所有情况下某些简化的方法未能正确量化易于遭受地震攻击的状况。
 
结论:
 
本文提出不同类型设计非规则系统弹性位移响应影响的参变量研究。为此,对于弹性模型或规则系统(正方形设计)以及矩形的非规则模型,包括T型、L型与U型设计,在十种不同特征的加速度图条件下进行研究。所实现的参变量研究允许我们在不同情况下对易于遭受地震攻击破坏的方面定性与定量化识别最为重要的状况。我们到目前为止获得的最重要结果表明:
 
· 对于1980年至2008年最重要的地震事件进行的概括归纳中,对不同非规则导致的建筑破坏进行了观察。我们结论:越加不规则的建筑越加易于遭受地震攻击破坏。
 
· 具有平面或/和垂直方向非规则问题的建筑中地震加速度的分布在许多情况下超过了联邦地区规范所确定的水平要求。这种反映迫使我们继续研究这个问题,应用更加限制性的限定或要求更加严格的分析。
 
· 如同我们所研究的那样,线形分析对薄弱结构的扭转表现提供了重要的信息。尽管我们已经理解,一旦巨大结构进入非线性性能范畴进入了扭转模式后,弹性分析开始低估楼层之间的漂移作用。

土耳其伊斯坦布尔技术大学土木工程系K. Güler教授等提交的论文《垂直向非规则混凝土建筑的性能评价[10]

过去的地震经验表明,无论平面还是垂直向非规则性对于结构的地震性能都至关重要。土耳其的建筑群中,加固过的建筑占有相当比例。除了平面向非规则型,垂直向非规则建筑在现有建筑中占相当部分。
 
一般讲,目前通常使用的经加固建筑有两种:第一种在建造中使用悬臂梁(cantilever beams)。这种情况下,建筑的外围立柱(periphery columns)没有用梁(beams)连接在一起;因而外围梁偏移在悬臂梁端部(cantilever beams)之外。其结果,无法形成建筑的外围框架系统。第二种加固建筑应用中,由于建筑外围地面的立柱轴线与第一层外围立柱轴线不一致,这种建筑结构系统成为垂直方向不规则。地面与第一层的立柱通过两层立柱之间枕梁(corbels)连接。
 
对垂直向不规则混凝土建筑的分析
 
本文分析的加固混凝土建筑物是一座六层楼的经加固的直角相交框架系统混凝土结构,当初的设计考虑了土耳其抗震规范TERDC-1975的规定。图1中显示了该建筑的地面层楼层与垂直向设计。然而,自土耳其抗震规范TERDC-1998发布后这种类型的非规则不再允许,在土耳其抗震规范TERDC-2007发布后则更绝对不允许。
 
结论:本文对当初依据土耳其抗震规范TERDC-1975设计的具有上述第二种类型垂直向非规则性结构的一座六层建筑,依据新的土耳其抗震规范TERDC-2007并考虑生命安全性能水平,进行了详尽考察。对于建筑的结构系统首先采用SAP2000软件进行3D模拟,然后采用ZEUS-NL进行模拟。从x-x与y-y方向采用容量频谱法进行基于非线性静态推倒分析(pushover analysis)的3D推倒分析,获得现有结构系统的性能水平。作为另一种情况,以类似程序的方法对加固系统进行分析,基于要求与容量曲线获得了性能评估结果。到目前为止对于现有这样的垂直向非规则加固混凝土建筑获得如下结果:
 
l         计算推导的分析结果表明,依照目前建造结构的该座建筑未能够达到生命安全性能水平。通过增加通过建筑整个高度的四面剪切墙来加强其结构,生命安全性能水平能得到满足。
 
l         尽管目前的工程实践倾向于采用非线性静态程序对现有建筑的地震表现进行评估,人们应当记得这些分析方法受到平面向与垂直向非规则程度、高度、楼层与第一状态质量参与因素的限制。
 
l         对枕梁造成的几何学不连续进行非线性模拟可能导致模拟错误。

对于上述论文,本顾问于2008年12月28日致电向卡迪尔·古勒教授(Kadir Guler)询问:“如果在土耳其抗震规范要求达到抗震烈度8的地区提议建造一个类似于古勒教授所描述的垂直向不规则性建筑,但是该建筑不是混凝土框架结构而是超过20层的钢框架结构建筑,那么依据土耳其抗震规范TERDC-2007版,这样一个建筑是否允许还是不允许?”
 
卡迪尔·古勒教授(Kadir Guler)于2009年1月2日明确回电如下:

土耳其抗震设计规范2007版不允许设计和建造任何我们所研究的那种垂直向非规则性。楼的层数没有关系,即便两层也不可以。另外一个事实,作为结构系统采用的材料也不重要,如果结构由钢建造,规范也不允许。

韩国首尔世宗大学建筑工程系Kien Le-Trung副教授等的论文《具有垂直向非规则性的钢制SMF建筑的地震表现与评价》[11]

来自过去地震的经验表明,垂直向非规则建筑的地震表现与规则性建筑相比有重大的区别。……最近,为了更好的理解垂直向非规则建筑的表现,对这样的建筑的研究有所增长。本研究的目的与此相同。对规则性的SMF建筑以及非规则建筑的地震表现进行了研究与评估。从楼层漂移与信度水平方面对规则性建筑与非规则性建筑的分析结果进行了比较。
 
建筑模型:1表示了作为研究对象的20层建筑的平面与垂直向构造。
 
所有的建筑假定位于洛杉矶、硬土层状况为国际建筑规范2000 IBC规定的现场D级。外侧外围立柱以及楼角的箱形钢立柱采用W24段面。
 
……通过改变与规则性结构相比不同位置的非规则性量(即楼层质量、刚度或强度)对垂直向非规则建筑施加不同的影响。
 
……为了对规则性与有规则性的建筑进行适当的比较,改变了非规则量之后,对建筑采用均一性的比例以便保持同样的基本期限与设计基础剪切强度。
 
结论:
 
对总共24座20层的建筑及其原始对应建筑用非线性静态与动态分析方法进行了研究。对推倒曲线(pushover curves)、楼层漂移在高度上的分布、最大楼层漂移要求、整体垮塌楼层漂移容量(global collapse story drift capacities)、信度水平进行估计并与原始建筑物相同指标进行了比较,同时与相关抗震规范规定进行了比较。
1、……。
 
2、通过该项研究的调查,它表明顶层越软弱(SI-50-20、SI-80-20、KI-50-20或KI-70-20的情况)对垂直非规则性的考虑没有必要,但是,对质量非规则性而言,较高楼层存在更大的质量需要考虑。它造成较高楼层更大的楼层漂移并且可能引起所研究的整个建筑物更大的最大楼层漂移。然而,这种质量非规则性或许应当与抗震规范规定中描述的较高限值一并考虑。
3、……;
4、……;
 
5、在该项研究中,在三个楼层中放置非规则性的建筑物的地震表现往往比仅一个楼层中放置非规则性的建筑物时再最大楼层漂移要求与可信度方面情况更加严重。因此,具有垂直非规则性的楼层数具有需要仔细考虑对建筑物的可信度水平的显著影响。
 
6、本研究中所研究的建筑物,最大漂移通常发生在较低楼层中并且比其他楼层的漂移大很多。因此,可以认为置于较低层的垂直向非规则性导致比其它楼层垂直向非规则性更为严重的作用。由于这个理由,区别正常建筑与非规则建筑的限值可能需要依据垂直向非规则所存在的位置而有所不同。

研究了美国“地震工程国家信息服务部”推荐的抗震建筑首要基本原则以及国内外学者向2008年10月在北京举行的14世界地震工程大会提交的大量最新研究成果论文后,我们不能不认定央视新楼怪异的基本结构全面违背了世界公认抗震建筑所有基本原则!
 
试问央视新楼的国外概念设计单位(荷兰大都会建筑事务所)、国内结构工程设计单位上海现代设计(集团)有限公司)、工程施工单位(中建三局钢结构公司)、建筑安全审查单位(建设部全国超限高层建筑审查委员会):
 
如果你们不同意这个结论,请你们公开提出你们不同意“央视新楼怪异的基本结构全面违背了世界公认抗震建筑所有基本原则”的理由!
 
参考文献:
 
[1] National Information Service for Earthquake Engineering, Earthquake-Resistant Construction
 
[2] Han Jun, Zhang Yi, Zheng Nina, Wang Liping, Analysis on Nonlinear Seismic response of Multi-story Torsion-Irregular Structures, The 14th World Conference on Earthquake Engineering October 12-17, 2008, Beijing, China
 
[3] Chandler, A. M. (1986). Building damage in Mexico City earthquake. Nature 320:6062,497-501
 
[4] Wei Lian, Wang Sen and Wei Cheng-ji. (2005). Torsional design method of asymmetric and irregular building under horizontal earthquake action. Building Structure 35:8, 12-17.
 
[5] Liu Jian-wei et. al., Nonlinear Torsional Response of Asymmetric Structures, The 14th World Conference on Earthquake Engineering October 12-17, 2008, Beijing, China
 
[6] M. Iancovici1 et. al., Energy distribution in high-rise buildings subjected to Vrancea long period ground motions, The 14th World Conference on Earthquake Engineering October 12-17, 2008, Beijing, China
 
[7] Raúl González Herrera et. al, Influence of plan irregularity of buildings, The 14th World Conference on Earthquake Engineering October 12-17, 2008, Beijing, China
 
[8] Arnold C. y Reitherman R. (1982). Building configuration and seismic design. John and
Willey sons, New York, United States.
 
[9] Solomon, T., and Murat, S. (2008). Risk-Based seismic evaluation of reinforced concrete
buildings. Earthquake Spectra, 24, 3-795-821. United States.
 
[10] K. Güler1, Performance evaluation of a vertically irregular RC building, The 14th World Conference on Earthquake Engineering October 12-17, 2008, Beijing, China
 
[11] Kien Le-Trung, Kihak Lee and Do-Hyung Lee, Seismic behavior and evaluation of steel SMF buildings with vertical irregularities, The 14th World Conference on Earthquake Engineering October 12-17, 2008, Beijing, China

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