抗震設(shè)計(jì)在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用

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摘要：房屋建筑在使用過程中，假如不能抵抗外力作用，尤其是地震所施加的力，輕則致使房屋受損，喪失部分應(yīng)用功能，存在安全方面問題，重則直接在地震中倒塌，使內(nèi)部人員失去生命或者是殘疾，且引發(fā)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。當(dāng)前隨著地震災(zāi)害率上升，需要在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間，不斷提高抗震設(shè)計(jì)水平，增強(qiáng)房屋抵抗外力能力，增強(qiáng)建筑安全性。文章以房屋建筑為對(duì)象，針對(duì)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中強(qiáng)化抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，概括設(shè)計(jì)原則，并介紹了抗震設(shè)計(jì)應(yīng)用狀況。

關(guān)鍵詞：房屋建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；抗震設(shè)計(jì)；原則；應(yīng)用研究

在遇到比較大地震情況下，房屋建筑抗震能力不足，將直接引起坍塌，導(dǎo)致大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。在地震災(zāi)害呈現(xiàn)出增長態(tài)勢(shì)的當(dāng)下，房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第一要?jiǎng)?wù)是保障質(zhì)量，提高抗震設(shè)計(jì)水平，以保證房屋有極強(qiáng)的抵御地震力的能力，促進(jìn)建筑安全性提升。

1建筑抗震設(shè)計(jì)需遵循原則

1.1整體性

房屋建筑抗震能力如何，主要取決于結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性怎么樣，以及抵御地震力能力高低。所以房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是嚴(yán)格執(zhí)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)標(biāo)注，確保建筑結(jié)構(gòu)的整體合理性，以增強(qiáng)房屋安全系數(shù)，使其在遇到地震力的時(shí)候具有一定的化解能力。房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中抗震設(shè)計(jì)要遵循整體性原則，就是在實(shí)際操作中要從全局著手分析和設(shè)計(jì)，正確合理的進(jìn)行結(jié)構(gòu)總體布置，確保建筑結(jié)構(gòu)的整體剛度、承載力、穩(wěn)定性等屬性滿足抗震的基本要求，力求整個(gè)建筑有良好抗震能力，而不是某一個(gè)部分。房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中抗震設(shè)計(jì)雖然會(huì)被落實(shí)到各個(gè)環(huán)節(jié)，但設(shè)計(jì)需從整體上考慮，系統(tǒng)進(jìn)行分析，掌握可能出現(xiàn)影響結(jié)構(gòu)抗震性因素，然后通過科學(xué)設(shè)計(jì)去消除。房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要具有協(xié)調(diào)性，明確各個(gè)部分力的特點(diǎn)，做好調(diào)整、協(xié)調(diào)、控制等，然后從整體上提升抗震性能[1]。

1.2簡化原則

一般情況下，房屋建筑結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，抗震設(shè)計(jì)難度會(huì)越大。因此在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)在契合對(duì)功能需求同時(shí)，考慮抗震的要求，簡化結(jié)構(gòu)形式，以促進(jìn)房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的提高。通常情況，平面形狀簡單、規(guī)則、對(duì)稱，盡量使質(zhì)心和剛心重合。偏心越大的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)越大，會(huì)加大端部構(gòu)件的位移，導(dǎo)致應(yīng)力集中。當(dāng)由于使用功能與建筑的要求，結(jié)構(gòu)平面布置嚴(yán)重不規(guī)則時(shí)，應(yīng)將其分割成若干比較簡單、規(guī)則的獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元。結(jié)構(gòu)豎向布置最基本的原則是規(guī)則、均勻。結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則，將使地震時(shí)某些變形特別集中，常常在該樓層因過大的變形而引起倒塌。結(jié)構(gòu)剛度宜為下大上小，自下而上逐漸減小。下層剛度小，將使變形集中在下部，形成薄弱層，嚴(yán)重的會(huì)引起建筑的全面倒塌。結(jié)構(gòu)平面規(guī)則及豎向規(guī)則，可以更為準(zhǔn)確進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，確?？拐鹪O(shè)計(jì)有可靠的依據(jù)，從而在設(shè)計(jì)中有效控制與平衡，最終增強(qiáng)抗震設(shè)計(jì)成果。房屋建筑結(jié)構(gòu)簡化，結(jié)構(gòu)整體承受地震影響能力提升，地震對(duì)房屋破壞性會(huì)比較小，房屋建筑可以得到比較好的保護(hù)。但需要注意，房屋建筑結(jié)構(gòu)簡單化不能盲目進(jìn)行，需要在符合各項(xiàng)要求情況下盡量簡化。

1.3抵抗性

房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，最為關(guān)鍵的是要堅(jiān)持結(jié)構(gòu)整體抵抗性原則。結(jié)構(gòu)必須要整體穩(wěn)固與可靠來抵抗外力作用。實(shí)際抗震設(shè)計(jì)中需要掌握各個(gè)部分力學(xué)特征，準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)構(gòu)整體抵抗力。還要做好預(yù)測(cè)，針對(duì)抵抗性，確保最終抗震設(shè)計(jì)效果可達(dá)到抗震預(yù)期目標(biāo)，將地震對(duì)房屋破壞控制在最小范圍[2]。房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)在符合抵抗性要求外，應(yīng)做好抵抗力的管理和控制，使房屋在受到地震力時(shí)受力平衡，進(jìn)一步提高房屋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，增強(qiáng)房屋整體抗震性能。

2建筑結(jié)構(gòu)中抗震設(shè)計(jì)應(yīng)用分析

2.1合理選擇場(chǎng)地

房屋建筑要提高抗震性能，應(yīng)從最為基礎(chǔ)的選址著手，把地震及影響的不確定性和規(guī)律性結(jié)合起來，了解所選場(chǎng)地的地震危險(xiǎn)性和小區(qū)域因素，合理確定建設(shè)場(chǎng)所。由地震引發(fā)的次生災(zāi)害如火山、洪水、滑坡、泥石流等造成建筑物的嚴(yán)重破壞，所以從選址工作開始就應(yīng)該選擇對(duì)抗震有利的地段，盡量避開不利的地段，避不開時(shí)應(yīng)采取有效措施確保地基的穩(wěn)定性，任何情況下均不考慮在抗震危險(xiǎn)地段建造建筑物。房屋建筑要建設(shè)在地震發(fā)生率低的地方，以減少由于區(qū)域問題而導(dǎo)致承受過多的地震力，從而使房屋遭到破壞。其次房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)過程中應(yīng)研究土質(zhì)，盡量選擇基土硬度符合要求的地方進(jìn)行建設(shè)。地震作用下，由于地基承載力下降或地基土液化，使得地基部分失效甚至于完全失效，最終導(dǎo)致建筑物傾斜、倒塌。遇到不能滿足需求但必須在這個(gè)區(qū)域內(nèi)建造的，應(yīng)當(dāng)利用技術(shù)去改善，比如換土、加固等手段，以避免地基在地震作用下出現(xiàn)垮塌、位移、變形等。

2.2建筑高度和寬度設(shè)計(jì)

房屋結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，控制好建筑高度尤為重要。房屋建筑高度如果超出抗震規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的A級(jí)高度，抗震性能會(huì)下降，相應(yīng)的抗震等級(jí)要求需提高。房屋建筑高度如果超出抗震規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的B級(jí)高度，則需要進(jìn)行專門論證分析。房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中一旦出現(xiàn)高度超高的現(xiàn)象，不能置之不理，而是要重新調(diào)整結(jié)構(gòu)體系，最后確保高度在抗震規(guī)范所要求的范圍之內(nèi)，減少側(cè)移的發(fā)生，有效達(dá)到抗震作用。房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)還要控制建筑寬度，提高房屋建筑寬度與高度比的合理性。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生的時(shí)候，房屋建筑會(huì)出現(xiàn)一定的波動(dòng)，當(dāng)房屋建筑達(dá)到一定高度時(shí)，容易出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象。當(dāng)房屋建筑高度不變，寬度減少的情況時(shí)，會(huì)加地震的波動(dòng)效應(yīng)。通過合理控制房屋建筑的高寬比，有效防止房屋在地震力作用下出現(xiàn)嚴(yán)重傾斜，或者是因?yàn)榱ψ饔冒l(fā)生移動(dòng)而引發(fā)比較大問題發(fā)生。

2.3確定好抗震等級(jí)

房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)過程中，必須確定好建筑結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)。一般情況下，先判斷建筑的抗震設(shè)防類別。甲類建筑屬于重大工程和地震時(shí)可能發(fā)生嚴(yán)重災(zāi)害的建筑，乙類建筑屬于地震時(shí)使用功能不能中斷或需盡快恢復(fù)的建筑，丙類建筑屬于一般建筑，丁類建筑屬于抗震次要建筑。確定好抗震設(shè)防類別后，再結(jié)合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度來確定建筑結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)。合理設(shè)置抗震等級(jí)，可保證在地區(qū)發(fā)生地震以后，房屋不受破壞，或者是破壞小，輕易不會(huì)出現(xiàn)建筑坍塌的問題，起到保護(hù)生命安全的作用。這個(gè)主要針對(duì)的是常規(guī)地震，而房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中需要考慮到異常情況，也就是說地震等級(jí)大的問題，必須要保證具備一定的抗震能力，至少也能夠?yàn)榉课輧?nèi)群眾逃離爭(zhēng)取時(shí)間，使其不至于在瞬間倒塌。房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)應(yīng)從當(dāng)?shù)貙?shí)際狀況出發(fā)，搜集地震數(shù)據(jù)信息，明確歷年來發(fā)生地震等級(jí)和周期性，在此基礎(chǔ)上根據(jù)抗震需要，合理確定抗震等級(jí)。

2.4剪力墻設(shè)計(jì)

房屋建筑結(jié)構(gòu)中與抗震相關(guān)比較多，例如常見的剪力墻，就是經(jīng)常使用的一種抗震結(jié)構(gòu)形式。目前主流房屋建筑為高層建筑或是超高層建筑，一般都會(huì)設(shè)置剪力墻，以達(dá)到抗震的目的。剪力墻在自身平面內(nèi)剛度很大，平面外剛度很小，因此剪力墻結(jié)構(gòu)盡量采用雙向布置。一般情況，剪力墻宜均勻?qū)ΨQ的布置在建筑物的外圍四周、樓梯間和電梯間四周及平面形狀變化較大的部位。剪力墻布置時(shí)，如因建筑使用需要，一個(gè)方向無法設(shè)置剪力墻，應(yīng)采用其他抗側(cè)力構(gòu)件，使縱橫兩個(gè)方向在水平力作用下的位移值接近。剪力墻在豎向布置需上下連續(xù)均勻，如果出現(xiàn)自上而下不連續(xù)性，會(huì)導(dǎo)致剛度突變，這個(gè)時(shí)候需要通過調(diào)整墻體的厚度來提升剪力墻的抗側(cè)性。剪力墻的洞口布置對(duì)剪力墻在房屋結(jié)構(gòu)中抗震性能有比較明顯的影響。對(duì)于剪力墻開洞，要有規(guī)則，避免到處開洞及散亂開洞，盡量讓剪力墻的洞口以列的形式設(shè)計(jì)。不規(guī)則開洞會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力不均衡，造成建筑物潛在的薄弱環(huán)節(jié)。當(dāng)開洞無法避免時(shí)，應(yīng)對(duì)開洞周邊進(jìn)行一定加強(qiáng)措施。剪力墻設(shè)置優(yōu)勢(shì)在于，可使建筑上半部分可靠性和穩(wěn)定性提升，當(dāng)出現(xiàn)地震后可抵抗力的作用，保證房屋安全，或者是延緩倒塌的時(shí)間，為逃生和救援換取時(shí)間。剪力墻設(shè)計(jì)結(jié)合抗震規(guī)范的構(gòu)造要求，使房屋結(jié)構(gòu)中剪力墻的支撐能力提升，承受一定的荷載，從而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗震能力。剪力墻在結(jié)構(gòu)中主要起到的是支撐作用，并在受力的時(shí)候隨著情況變化而變化，提高結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，使建筑有比較強(qiáng)的抗震性能。連梁是剪力墻結(jié)構(gòu)中抗震關(guān)鍵構(gòu)件，它是指剪力墻與剪力墻相連，跨高小于5的梁。連梁具有跨度小，截面大的特點(diǎn)。在地震作用下與之相連的剪力墻構(gòu)件剛度大，容易出現(xiàn)剪切斜裂縫。連梁在地震作用下, 端部產(chǎn)生的彎矩, 剪力和軸力, 能夠減小與之相連的剪力墻的內(nèi)力和變形, 對(duì)剪力墻起到一定的約束作用, 改善剪力墻的受力狀態(tài)。在剪力墻和連梁的協(xié)同工作中，剪力墻應(yīng)該具有足夠的剛度和強(qiáng)度。在地震作用下，結(jié)構(gòu)允許進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，連梁可以產(chǎn)生塑性鉸。根據(jù)抗震設(shè)計(jì)要求，剪力墻的設(shè)計(jì)應(yīng)該保證不發(fā)生剪切破壞，也就是要求剪力墻和連梁的設(shè)計(jì)符合強(qiáng)剪弱彎的原則。因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)，就需對(duì)連梁剛度進(jìn)行折減。一般在實(shí)際設(shè)計(jì)中我們?cè)?.55~1之間取值，以符合截面設(shè)計(jì)的要求。在連梁設(shè)計(jì)中，剛度折減后，仍可能發(fā)生連梁正截面受彎承載力或斜截面受剪承載力不夠的情況，這時(shí)可以增加連梁跨度以減少連梁剛度，或者增加連梁截面寬度，使連梁的承載力不超限。高層建筑的剪力和連梁的設(shè)計(jì)受很多因素的制約。連梁的內(nèi)力和剪力墻的多少、每片剪力墻的水平力大小、連梁的剛度、與之相連的墻肢剛度等都有關(guān)。因此在進(jìn)行連梁設(shè)計(jì)時(shí)，要把互相制約的因素統(tǒng)一協(xié)調(diào)，以取得比較理想的設(shè)計(jì)結(jié)果。

2.5保證建筑剛性符合要求

從當(dāng)下設(shè)計(jì)來看，主流房屋建筑基本上都是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，具有加固的效果，通?？稍鰪?qiáng)建筑強(qiáng)度與剛性。當(dāng)前針對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有明確的要求，上部分和下部分的結(jié)構(gòu)體系要保持一致[4]，否則難以達(dá)到抗震要求，也不符合抗震設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范。以建筑上半部分為鋼結(jié)構(gòu)，下半部分為混凝土結(jié)構(gòu)為例，結(jié)構(gòu)體系不一樣，相關(guān)部分也會(huì)有比較大的差異，比如阻尼和剛性，這種情況下抗震性能難以達(dá)到要求。如果在房屋建筑中出現(xiàn)屋蓋是鋼結(jié)構(gòu)，在抵抗側(cè)立設(shè)計(jì)中依然主要依靠的是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)需要具體問題具體對(duì)待，嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計(jì)規(guī)范和要求。要提到的是并非結(jié)構(gòu)剛性越強(qiáng)越好，超出了界限之后，建造成本會(huì)升高，除了會(huì)存在嚴(yán)重浪費(fèi)外，還會(huì)導(dǎo)致承受的力過大，從而使房屋建筑出現(xiàn)嚴(yán)重問題。但結(jié)構(gòu)的剛性也不能過低，因?yàn)闀?huì)在地震力作用下出現(xiàn)變形，情況一般比較嚴(yán)重，使房屋有被地震力損壞的風(fēng)險(xiǎn)，故而在任何情況下都要保證剛性符合相關(guān)規(guī)定。

2.6整體分析與協(xié)調(diào)

通常情況下房屋建筑具有一定的規(guī)則，但也有特殊狀況，就是建筑不屬于規(guī)則型的。這類房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，必須優(yōu)化防震縫的設(shè)計(jì)，將不規(guī)則結(jié)構(gòu)分割成若干比較簡單、規(guī)則的獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元。房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中力的計(jì)算極為關(guān)鍵，但需要注意不能僅依靠計(jì)算，而是要在設(shè)計(jì)中堅(jiān)持從整體出發(fā)，分析力的情況，然后做好協(xié)調(diào)工作，增強(qiáng)豎向抗側(cè)力的能力，使建筑在遇到地震時(shí)各個(gè)部分能一起消減能量和外力，降低對(duì)房屋的破壞性。設(shè)計(jì)中可進(jìn)行模擬可靠性分析，通過掌握的材料參數(shù)，從全局出發(fā)，既要分析房屋結(jié)構(gòu)所要承受的荷載力，又要對(duì)存在的可能性和不確定性進(jìn)行研究[5]。此外，地震涉及到了烈度的問題，與結(jié)構(gòu)抗震性能有比較大關(guān)聯(lián)，結(jié)構(gòu)抗震分析中要掌握相關(guān)情況。在此基礎(chǔ)上可明確地震發(fā)生之時(shí)，各項(xiàng)因素對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，而且是從不同視角上得出的結(jié)果，可靠性更強(qiáng)。緊接著要依據(jù)掌握的信息和情況，對(duì)結(jié)構(gòu)體系展開分析和研究，從抗震角度上準(zhǔn)確客觀評(píng)價(jià)，促進(jìn)結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)幫助房屋建筑提高抗震性能的目的。

2.7位移設(shè)計(jì)和消能減震設(shè)計(jì)

房屋建筑在遇到地震以后，在力的作用下會(huì)出現(xiàn)位移，使其出現(xiàn)嚴(yán)重質(zhì)量問題或者是傾斜.位移反映了房屋建筑結(jié)構(gòu)的合理性和平衡性, 位移現(xiàn)象越嚴(yán)重，就說明房屋建筑結(jié)構(gòu)的抵抗力越低。所以抗震設(shè)計(jì)一個(gè)重點(diǎn)是分析位移情況，通過科學(xué)設(shè)計(jì)減少和控制在地震力作用下進(jìn)行位移，從而增強(qiáng)房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震能力。這就需要在實(shí)際操作中以承載力入手，準(zhǔn)確對(duì)位移展開計(jì)算，并要在期間做好限制計(jì)算，同時(shí)還要按照要求完成延性計(jì)算，這樣就能在期間掌握結(jié)構(gòu)耗能實(shí)際狀況，綜合考慮下進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，提高結(jié)構(gòu)抗震整體能力。設(shè)計(jì)人員必須要對(duì)結(jié)構(gòu)足夠了解，對(duì)于高層建筑來說，主要集中在框架和剪力墻兩個(gè)部分。掌握相關(guān)部分的關(guān)系，最后依據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生彈塑后會(huì)出現(xiàn)變形，應(yīng)做好分析和研究，掌握其和其他變形之間存在的聯(lián)系，集中在構(gòu)件變形部分，最后從優(yōu)化抗震和降低變形出現(xiàn)率出發(fā)做好房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)。房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中還可采用消能減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。相對(duì)傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)，消能減震結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)越性。消能減震結(jié)構(gòu)由于設(shè)置消能裝置，它們具有很強(qiáng)的耗能能力，在強(qiáng)地震中能率先消耗結(jié)構(gòu)的地震能量，迅速衰減結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，并保護(hù)主體結(jié)構(gòu)和構(gòu)件免遭損壞，確保結(jié)構(gòu)在強(qiáng)地震中的安全。消能減震結(jié)構(gòu)雖然增設(shè)消能裝置，但主體結(jié)構(gòu)所承受的地震作用大大減小，故可減少構(gòu)件斷面，減少構(gòu)件配筋，擴(kuò)大跨度，增加高度等等，結(jié)構(gòu)物的總造價(jià)反而節(jié)省。由于采用消能減震結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)本身所受的地震作用大大減少，因而可以突破傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的某些嚴(yán)格限制，按照建筑結(jié)構(gòu)的功能要求，做成非規(guī)則結(jié)構(gòu)、大跨度結(jié)構(gòu)、大開間結(jié)構(gòu)、超高層抗震抗風(fēng)結(jié)構(gòu)等等。使建筑師從“抗震”限制中解放出來，比較自由地進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)。

3結(jié)語

總之，改善房屋建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，可以有效減少地震造成的破壞，以增強(qiáng)使用的安全性，保護(hù)好人民生命，同時(shí)確保不會(huì)因?yàn)榉课輪栴}帶來經(jīng)濟(jì)損失。房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)極為重要，需提高設(shè)計(jì)能力，堅(jiān)持整體性、簡化、抵抗性原則，同時(shí)從整體上出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)抗震性能，以增強(qiáng)房屋建筑安全性。

作者:周一凡 單位:中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司