美洲银行大厦的建筑抗震概念设计

“什么样的大厦可以在地震中屹立不倒?

 

 

林同炎(1912-2003),生于中国福建福州,是预应力混凝土理论及设计领域的奠基人之一和世界闻名的土木工程结构大师。在长跨度桥梁和高层建筑的抗震结构等方面作出了创造性贡献。

 

 
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经典工程之美洲银行大厦

 

 

林同炎一生设计了许多经典工程,获得了非常多的奖项,其中一个著名的经典工程就是美洲银行大厦美洲银行大厦位于尼加拉瓜首都马那瓜,林同炎设计于1963年,高61米,地上18层,地下2层。由于设计合理,工程采用的预应力混凝土结构比普通的混凝土结构轻很多,常被认为偷工减料,大家怀疑它的抗震性能。

 

 

林同炎作品集

 

1972年12月23日,尼加拉瓜首都马拉瓜发生6.5级强烈地震,市中心511个街区成为一片废墟,而这座18层的美洲银行大厦巍然不倒,周围已经是一片废墟,就在它前面的街道上,地面上下错动了 1/2 英寸。但这个18 层的大厦的损坏却仅限于电梯井壁联系梁开裂。

 

下面两幅图分别是地震前和地震后的画面:

 

 

 

中央银行大厦之所以会发生毁灭性破坏的主要原因如下:

1) 4个楼梯间偏置塔楼西端,导致了结构的平面不规则

2) 塔楼上部在北、东、西三面布置了密集的小柱子(共64根),这些柱子支承在4楼的过渡大梁上,大梁又支承在其下面的10根柱子上,导致了结构的竖向不规则

 

后对其进行计算分析发现:

1) 结构扭转效应十分严重;

2) 地震作用下,柔而长的楼板发生了显著的竖向位移

 

 
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大厦的抗震概念设计

 

在对大厦进行抗震设计的时候,林同炎运用了一种反向思维。并非一味的增加结构的刚度,而是在该强的地方强,该弱的地方弱,甚至故意在某些次要部位进行削弱,以控制破坏形式,来吸收地震能量并减小结构对地震的反应。

 

他在设计时把思维的着重点放在反面:采用框筒结构,刚柔相济。在一般情况下,建筑物有足够的强度来承受外力;而当受到突如其来的强烈的外力作用时,可由房屋内部结构中某些次要构件的开裂,使房屋的总刚度骤然减弱,从而大大减少对地震力的反应。

 

这种以建筑物次要构件开裂的损失来避免整个建筑物倒塌的设计思想就突破了一般常规思维的框架,突破了以刚对刚的正面思维模式,从而创造了世界建筑史上少有的奇迹。

 

美洲银行大厦平面图

 

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大厦的结构特点

 

 

美洲银行大厦的结构是均匀对称的,基本的抗侧力体系包括四个L形筒体,同时,大厦有着刚柔相济的结构特点。刚:通过密柱深梁的框筒和内部剪力墙形成的筒来抵抗水平力,形成筒中筒结构体系。柔:剪力墙之间的连梁在地震过程中开裂,耗能,降低结构刚度,减小地震作用,从而形成多道设防

其次要说到其筒体的优势。首先,如果是独立剪力墙,竖向的两片墙平面外受弯,抗弯能力可以忽略不计;连成筒体后,竖向的两片墙承受拉压力,因为力臂很大,所以效果明显。密柱深梁框架的受力形态类似于剪力墙,所以刚度比普通框架大很多。

林同炎在美洲银行大厦的设计中也提出了很多新型设计理念和技术,例如双连梁理念,通过增大跨高比,设置斜交叉配筋,让梁发生弯曲型破坏。这些抗震设计思想,现已被广泛应用于国内外的诸多实际工程中,也塑造了一个又一个的结构奇迹。

 

剪力墙双连梁示意图(右图)

 

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图书推荐

 

 

《结构概念和体系》

林同炎先生的传世佳作,书中阐述了结构设计方案中的基本力学概念,特别介绍了用整体概念来规划设计结构总体方案的方法。

 

 

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