探討房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系選型及抗震設(shè)計(jì)

【摘要】本文從房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)原則及要求、設(shè)計(jì)體系選型、具體設(shè)計(jì)內(nèi)容等方面，探究了堂屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系的選型及抗震設(shè)計(jì)。從理論基礎(chǔ)和工程實(shí)踐等方面對(duì)現(xiàn)有技術(shù)做出了總結(jié)，對(duì)我國未來房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系選型和抗震設(shè)計(jì)做出了展望。

【關(guān)鍵詞】房屋建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);體系選型;抗震設(shè)計(jì)

我國幅員遼闊，自然災(zāi)害多發(fā)，保障人民群眾的基本生命、財(cái)產(chǎn)安全成為最基本、最迫切、最長(zhǎng)期的攻堅(jiān)任務(wù)。因此，我國的房屋建筑中必須充分考慮其抗震設(shè)計(jì)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系選型之初便應(yīng)該充分選擇能夠提升建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、保證房屋質(zhì)量的設(shè)計(jì)。因此，本文就房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系選型及抗震設(shè)計(jì)方面進(jìn)行粗淺探討，以期為本領(lǐng)域設(shè)計(jì)建造理論添磚加瓦，從而進(jìn)一步保障我國人民群眾的生命、財(cái)產(chǎn)安全，維護(hù)國家長(zhǎng)治久安。同時(shí)，在滿足抗風(fēng)、抗震、抗洪等一切自然災(zāi)害的同時(shí)，還應(yīng)滿足國家對(duì)于居住建筑的使用時(shí)間規(guī)定，除考慮結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性和耐久性以外，還必須滿足居住者的舒適性要求。

1、房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震原則及要求

1.1房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)原則

（1）保證房屋建筑結(jié)構(gòu)完整性

建筑結(jié)構(gòu)的完整性體現(xiàn)在建筑能夠具有較為優(yōu)秀的承載力、延展性、穩(wěn)定性，在建筑的全生命周期的設(shè)計(jì)階段強(qiáng)調(diào)強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎等基本原則。根據(jù)文獻(xiàn)資料和實(shí)際項(xiàng)目情況，預(yù)估危害房屋建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的易失穩(wěn)區(qū)域，提前在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行早期預(yù)防，比如使用較為堅(jiān)固的物料、多層加固等方法。

（2）抗震防線合理性

對(duì)于地震高發(fā)區(qū)，或歷史上發(fā)生過大震的地理分區(qū)，在進(jìn)行房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候必須增設(shè)抗震防線，如增設(shè)延性框架、剪力墻所構(gòu)成的框剪結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性較一般結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，且對(duì)于地震頻發(fā)的地區(qū)，針對(duì)余震可進(jìn)行更多層地震防線布設(shè)的措施增加結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，降低經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失及人員傷亡。

（3）系統(tǒng)研判筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的耦合關(guān)系

分析其強(qiáng)度，區(qū)分其強(qiáng)弱水平，對(duì)針對(duì)地震波的主要耗能構(gòu)件受地震波影響發(fā)生形變后，次要抗震構(gòu)件可以保證建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并能展現(xiàn)出一定彈性。

1.2房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要求

（1） 水平荷載

通常來說，水平荷載承受度對(duì)建筑物抗震、防風(fēng)能力起到關(guān)鍵決定性作用。

根據(jù)大量文獻(xiàn)分析結(jié)果，結(jié)合工程實(shí)踐，彎矩、軸力設(shè)計(jì)參數(shù)是與建筑樓層高度相關(guān)。對(duì)于高層建筑，經(jīng)過實(shí)踐和模擬驗(yàn)證，可認(rèn)為具有相對(duì)穩(wěn)定的高度荷載，相較于豎向荷載，水平荷載的影響相對(duì)較低。在對(duì)風(fēng)荷載進(jìn)行地震參數(shù)模擬時(shí)發(fā)現(xiàn)，兩者之間往往出現(xiàn)一定的變化關(guān)系。

（2） 側(cè)向位移。

側(cè)向位移在建筑的穩(wěn)定性中起到關(guān)鍵性作用，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，必須保證其處于安全數(shù)值。理由如下：結(jié)合水平荷載的影響，隨著建筑層數(shù)的升高，側(cè)向位移的數(shù)值與之呈現(xiàn)正相關(guān)性。因此，對(duì)于高層、超高層建筑，必須嚴(yán)格控制其側(cè)向位移參數(shù)。

（3）軸向變形

軸向變形來源于豎向荷載過大，由于外部不穩(wěn)定因素，豎向荷載超過房梁受力極限，往往伴隨房梁的軸向變形，長(zhǎng)時(shí)間的軸向變形會(huì)影響連續(xù)梁彎矩?cái)?shù)值，從而進(jìn)一步影響連續(xù)梁中部支座處的負(fù)彎矩?cái)?shù)值，使之持續(xù)降低。對(duì)于高層建筑，豎向荷載量趨于穩(wěn)定，但如果豎向荷載持續(xù)超出房梁受力極限，加之遭遇地震影響，豎向荷載在短時(shí)間內(nèi)急劇增加，則很難保證房屋的穩(wěn)定性，建筑構(gòu)件將無法保持穩(wěn)固，建筑物很有可能被地震摧毀。

2、房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)體系選型

2.1選型影響因子

對(duì)于房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)體系選型，首先應(yīng)該確定其選型影響因子，具體分為周邊環(huán)境影響、建筑功能需求、結(jié)構(gòu)材料特性三點(diǎn)，具體如下：

（1）周邊環(huán)境

在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)之前，設(shè)計(jì)師必須仔細(xì)研判基地周邊環(huán)境。房屋結(jié)構(gòu)與大地直接相接，因此設(shè)計(jì)師對(duì)周邊地質(zhì)條件應(yīng)有一定認(rèn)識(shí)，包括淺層的地質(zhì)參數(shù)及周邊地形地貌，分別對(duì)應(yīng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的穩(wěn)定性和建筑風(fēng)貌設(shè)計(jì)。

（2）建筑功能需求

隨著人民生活水平的提高，城市居民對(duì)建筑的審美要求也提升到了一個(gè)新的層次，以往只注重建筑實(shí)用性的設(shè)計(jì)思路已經(jīng)跟不上時(shí)代。根據(jù)建筑的不同使用功能，可對(duì)建筑內(nèi)部空間布局做更為細(xì)致的劃分，在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)體系選型的過程中，應(yīng)考慮從建筑內(nèi)部空間功能出發(fā)，多樣化選型。

（3）建筑材料特性

建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)依托于建筑結(jié)構(gòu)材料，因此在房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)體系選型的過程中，應(yīng)合理考量建筑材料的特性，充分發(fā)揮不同建筑材料的物理特性，結(jié)合材料工程，既考慮新材料的優(yōu)勢(shì)，又以審慎的態(tài)度為結(jié)構(gòu)安全負(fù)責(zé)，從多方面為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供新思路。

2.2設(shè)計(jì)體系分析

（1）豎向承重結(jié)構(gòu)

豎向承重結(jié)構(gòu)一般適用于中、低層，抗裂能級(jí)低的建筑中，其對(duì)建筑材料的強(qiáng)度、剛度要求較高，承重點(diǎn)較低，需加強(qiáng)建設(shè)工程中豎向結(jié)構(gòu)的承重能力控制。豎向承重結(jié)構(gòu)不適用于高層建筑。

（2）水平承重結(jié)構(gòu)

水平承重結(jié)構(gòu)一般適用于高層建筑中，由水平結(jié)構(gòu)強(qiáng)化建筑的重力承載力，具體類型包括：無梁樓蓋結(jié)構(gòu)、平板體系和密肋樓蓋結(jié)構(gòu)等。

（3）下部結(jié)構(gòu)（基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)）

下部結(jié)構(gòu)（基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)）是目前建筑工程，特別是高層建筑施工中作為關(guān)鍵的部分，合理的下部結(jié)構(gòu)的選型是上部結(jié)構(gòu)以及造型得以實(shí)施的保障，是整個(gè)房屋建筑建設(shè)安全以及建筑經(jīng)濟(jì)效益的前提。因此，對(duì)于下部結(jié)構(gòu)的選型應(yīng)合理分類，具體處理：

①交叉梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（十字交叉基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)）：交叉梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)適用于地基軟弱、柱網(wǎng)荷載不均、需具有空間剛度調(diào)整不均勻沉降的案例，一般適用于層數(shù)不多的框架剪力墻結(jié)構(gòu)或框架中，計(jì)算相對(duì)復(fù)雜，具體指在柱網(wǎng)的雙向布置并于柱位處相交的柱下交叉條形基礎(chǔ)。

②柱下獨(dú)立基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)：柱下獨(dú)立基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是指為單個(gè)柱子設(shè)置且不與其他基礎(chǔ)聯(lián)系的鋼筋混凝土基礎(chǔ)，此類結(jié)構(gòu)適用于層數(shù)不高且地基土質(zhì)較好的建設(shè)項(xiàng)目中，一般適用于框架結(jié)構(gòu)中。特殊地，對(duì)于巖石地基，需要使用地錨以穩(wěn)固建筑基礎(chǔ)。

③片筏基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（筏形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)）：片筏基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分為平板式和肋梁式，是一種適用于土質(zhì)條件比較差（承載力較差）的地基上，為了增加地基土承載力，減小基地壓力，提升基礎(chǔ)整體性，將墻或柱下基礎(chǔ)相連形成一整塊版，將建筑物較高的上部荷載負(fù)擔(dān)在此板上的一種滿堂式板式基礎(chǔ)。這種基礎(chǔ)也可以調(diào)整不均勻沉降。但此類基礎(chǔ)由于基礎(chǔ)剛度較差，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)需做好裂縫、地下水位、基礎(chǔ)沉降變形量的勘察和驗(yàn)算工作，計(jì)算筏形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)抗浮能力。特殊地，對(duì)于富藏地下水的地區(qū)，地表淺處持力層厚度較大，承載力較好，為降低成本，減少工期，往往使用片筏基礎(chǔ)。

3、房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容

3.1抗震設(shè)計(jì)要求

對(duì)于建筑抗震設(shè)計(jì)的要求要從建筑構(gòu)件承載力和結(jié)構(gòu)變形時(shí)是否能夠滿足彈性設(shè)計(jì)要求的角度進(jìn)行。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)、建設(shè)項(xiàng)目實(shí)踐積累、模擬計(jì)算和實(shí)際地震檢驗(yàn)，主軸方向的振動(dòng)是相似的，因此，通過建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建筑材料選擇，控制結(jié)構(gòu)周期、振型和位移是滿足抗震設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，應(yīng)從實(shí)際出發(fā)，對(duì)樓層剪力與質(zhì)量系數(shù)嚴(yán)格選取，使建筑指標(biāo)特別是建筑高度嚴(yán)格對(duì)應(yīng)相應(yīng)建筑結(jié)構(gòu)，從選型上符合抗震規(guī)范。

3.2房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的原則

房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)首先應(yīng)對(duì)建筑側(cè)拉力進(jìn)行考量，從建筑整體布局和結(jié)構(gòu)出發(fā)，保證建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，防止建筑失穩(wěn)坍塌。房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)還應(yīng)遵循整體合理性原則。隨著人民生活水平的提高，僅僅滿足建筑結(jié)構(gòu)要求已經(jīng)無法滿足城市居民對(duì)住房的需要，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)應(yīng)統(tǒng)籌考慮建筑空間的合理性，不能舍本逐末，設(shè)計(jì)出不舒適的建筑空間。這就要求設(shè)計(jì)師擁有較高的學(xué)術(shù)素養(yǎng)，了解建筑設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)學(xué)科的知識(shí)并融會(huì)貫通。

3.3抗震設(shè)計(jì)步驟

抗震設(shè)計(jì)除了考慮建筑結(jié)構(gòu)方面，首先更應(yīng)了解地震的加速度特點(diǎn)、地震力參數(shù)、地震荷載等數(shù)據(jù)的變化曲線，最后參照具體核算結(jié)果和結(jié)構(gòu)自重，確保建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。其次應(yīng)從整體剛度、墻體布置、建筑層數(shù)、抗震加固四個(gè)方面對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有較好的整體剛度，對(duì)地震的防護(hù)能力較好，可設(shè)置構(gòu)造柱和構(gòu)造鋼筋以進(jìn)一步提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

多層磚混結(jié)構(gòu)建筑在抗震設(shè)計(jì)方面則應(yīng)更多的考慮將建筑內(nèi)部橫墻、縱墻共同布置為承重墻，同時(shí)使用鋼筋混凝土加固易損部位，如在橫縱交接處設(shè)置構(gòu)造柱。

隨著建筑技術(shù)的發(fā)展，許多城市熱衷于建造高層、超高層建筑，目前國家以對(duì)類似行為做出了規(guī)范，限制超高層建筑的建設(shè)。這是由于隨著建筑層數(shù)的增加，其穩(wěn)定性逐步降低，抗震難度直線增加，受地震影響也比普通建筑大得多，建筑倒塌后的影響也更大。因此對(duì)建筑層數(shù)做出限制，建立審批制度是對(duì)建筑抗震的制度保障。

目前較為成熟和普遍使用的抗震加固方式為結(jié)構(gòu)阻尼，在滿足企業(yè)控制成本的要求下，盡量在關(guān)鍵部位增加結(jié)構(gòu)阻尼的設(shè)置數(shù)量，能夠最大限度的增加建筑結(jié)構(gòu)整體阻尼，降低各個(gè)方向下的地震波影響，從而在地震情況下保證建筑的整體完整性。

結(jié)語：

目前建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越來越受到國家的關(guān)注，“豆腐渣工程”已淡出人們的視線，并且高強(qiáng)度環(huán)保材料的推陳出新，為未來建筑構(gòu)造技術(shù)的革新積累著基礎(chǔ)技術(shù)。設(shè)計(jì)師在現(xiàn)有材料、技術(shù)規(guī)范的指導(dǎo)下，應(yīng)統(tǒng)籌好業(yè)主和社會(huì)間的關(guān)系，既為業(yè)主負(fù)責(zé)考慮經(jīng)濟(jì)效益做足空間，也擔(dān)負(fù)起設(shè)計(jì)師的社會(huì)責(zé)任，在設(shè)計(jì)師負(fù)責(zé)制的社會(huì)背景下做好房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從選型開始，做好建筑全生命周期的抗震設(shè)計(jì)工作。

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作者簡(jiǎn)介：

鄧超（1981-），男，高級(jí)工程師，碩士，湖南寧鄉(xiāng)人，主要從事建筑設(shè)計(jì)工作。