房屋建筑中結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)的應(yīng)用探討

姚 毅

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西太原 030012)

1 概述

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和建筑行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，對房屋建筑的設(shè)計(jì)要求也不斷嚴(yán)格，不僅滿足綜合功能的要求，還要美觀和牢固，這給建筑設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)布置帶來了極大的難度，而且很多建筑師缺乏對建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的了解，更為施工帶來困難。建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)功能，也是關(guān)鍵部分，越來越受到建筑師的重視。

2 房屋建筑中抗震概念設(shè)計(jì)的定義

建筑抗震設(shè)計(jì)指的是按照一定的原則合理使用抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，參考建筑結(jié)構(gòu)的整體抗震反應(yīng)與破壞機(jī)制、過程，對建筑物進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)布置。建筑物抗震性能受到多方面的影響，所以不能精確的估算地震作用，因此先對數(shù)值計(jì)算來說，概念設(shè)計(jì)發(fā)揮的作用更大。概念設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，決定建筑物結(jié)構(gòu)抗震性能。

3 影響建筑物結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的不確定因素

由于近年來不斷的地震災(zāi)害，使得人們越來越關(guān)注建筑物抗震性能，很多研究也由此展開。不過由于我國目前抗震設(shè)計(jì)各方面的水平還不成熟和嚴(yán)密，因此目前要做好抗震概念設(shè)計(jì)工作就需要從大的方面出發(fā)，通過以往的經(jīng)驗(yàn)和案例，找到建筑物的破壞規(guī)律，針對性的進(jìn)行要點(diǎn)設(shè)計(jì)。

3.1 地面運(yùn)動不確定性

地震發(fā)生時(shí)，地面會發(fā)生多維運(yùn)動，即兩個(gè)水平分量和一個(gè)豎向分量，這三個(gè)正交平動分量都能破壞建筑物。另外，除了這三個(gè)正交平動分量外，還有地面運(yùn)動的轉(zhuǎn)動分量。

3.2 結(jié)構(gòu)分析影響

結(jié)構(gòu)力特性和動力反應(yīng)受很多因素的影響，比如難以確定的質(zhì)量分布、節(jié)點(diǎn)的非剛性轉(zhuǎn)動、上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用、扭矩和偏心效應(yīng)、柱軸向變形等。節(jié)點(diǎn)非剛性轉(zhuǎn)動和柱軸向變形對結(jié)構(gòu)特性和動力反應(yīng)的影響是巨大的，體現(xiàn)在自振周期、加速反應(yīng)和位移等方面。

3.3 材料的影響

混凝土的彈性模量并不是一直不變的，隨著時(shí)間的改變，彈性模量會逐漸降低，例如施工結(jié)束后會降低到50%，并且還會持續(xù)降低，這樣的結(jié)果是鹽城自振周期達(dá)25%，加速度反應(yīng)減小10%。

3.4 阻尼的變化

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比同樣不是一成不變的，當(dāng)受到地震影響后，阻尼比和自振周期會發(fā)生較大的改變。例如某項(xiàng)工程的一般阻尼比為8%，受到松動后阻尼比變?yōu)?1%，而自振周期則高達(dá)55%。

3.5 地基承載力

地震具有偶然性和短期突然加載的特點(diǎn)，根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，在地震對地基的影響計(jì)算時(shí)，往往會提高地耐力取值33%～55%，由于這個(gè)數(shù)值并不是科學(xué)計(jì)算出來的，而是人為估計(jì)的，因此在設(shè)計(jì)時(shí)也會出現(xiàn)不同的結(jié)果。

4 抗震概念設(shè)計(jì)遵循的基本原則

4.1 整體合理性

首先各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)置必須符合建筑物相關(guān)的規(guī)定，然后為了實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)中不同荷載的有效傳遞，必須將結(jié)構(gòu)剛度和承載力完美的結(jié)合起來。借助整體的構(gòu)件布置，將一個(gè)個(gè)單獨(dú)的建筑物部分組合成一個(gè)整體，從而很好的提高建筑物的整體抗震性。

4.2 結(jié)構(gòu)合理性原則

建筑物本身對稱的布局是很重要的，只有這樣實(shí)現(xiàn)整體質(zhì)量布置的對稱，當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，建筑物的各個(gè)結(jié)構(gòu)才能均衡的承擔(dān)地震的作用力，從而大大加強(qiáng)抗側(cè)力和整體抗震能力。

4.3 形狀簡單原則

建筑物的形狀簡單會使結(jié)構(gòu)更加明確，因此能夠更好地對不同的結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對性的受力分析。并且很多先例證明，形狀簡單的建筑物在發(fā)生地震時(shí)受到的破壞程度相對較輕，而且一些相對容易被破壞的地方也容易被控制和修復(fù)。

4.4 豎向均勻原則

建筑物在剛度不足時(shí)容易出現(xiàn)突發(fā)性結(jié)構(gòu)扭曲現(xiàn)象，因此必須通過合理的設(shè)計(jì)增強(qiáng)建筑物的整體強(qiáng)度和剛度，而豎向均勻則能夠很好的減小建筑外力作用。這就要求設(shè)計(jì)師在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要重點(diǎn)考慮建筑物豎直向上的受力情況。合理的控制建筑物轉(zhuǎn)換層所對應(yīng)的上下部分的結(jié)構(gòu)比例，以使得轉(zhuǎn)換層所承受的荷載相均衡。另外，為了建筑物不同構(gòu)件更好的吸收和傳遞地震產(chǎn)生的能量，不能忽視內(nèi)部墻柱等承重結(jié)構(gòu)上下連接的一致性，這樣設(shè)計(jì)能夠有效地減少地震產(chǎn)生的能量對建筑物的破壞?？拐鹂p能夠保證結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，在不影響建筑物整體受力情況下，在設(shè)置填充墻的時(shí)候要重點(diǎn)考慮墻柱之間的結(jié)構(gòu)狀況。

5 結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)在建筑物各層面的運(yùn)用

5.1 選擇科學(xué)的建筑方案

科學(xué)合理的建筑方案是至關(guān)重要的，建筑師在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)不能單純的依靠計(jì)算機(jī)等工具進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，要結(jié)合自己的經(jīng)驗(yàn)和掌握的理論知識來進(jìn)行合理的選擇。在平面選擇的時(shí)候，要采用對稱性較強(qiáng)的方案，因?yàn)檫@種方案會降低質(zhì)量和剛度之間的偏差，提高建筑物的整體性，均勻地震時(shí)的破壞力，從而減少建筑物扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象的出現(xiàn)。目前很多建筑工程為了追求美感，建造了很多細(xì)腰型建筑，這種平面不規(guī)則的建筑如果是低層的話問題不明顯，但是如果層數(shù)高以及發(fā)生地震的情況下，很容易發(fā)生腰部損壞的現(xiàn)象。因此在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)的時(shí)候，要減少不對稱或者過長的外凸內(nèi)凹的形體，盡量選擇抗震效果不錯(cuò)的對稱形體。

5.2 選擇合適的結(jié)構(gòu)體系

建筑物各部分整體協(xié)調(diào)性和結(jié)構(gòu)體系息息相關(guān)，結(jié)構(gòu)體系合理的話，能夠有效的抵抗變形和沖擊，這就要求建筑物設(shè)計(jì)時(shí)必須選擇合適、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系。不僅滿足承受自身的荷載而不變形，還要在地震發(fā)生時(shí)不會發(fā)生局部受損的現(xiàn)象。為了避免地震發(fā)生時(shí)建筑物出現(xiàn)局部破壞和傾斜的狀況，在選擇結(jié)構(gòu)時(shí)，要明確建筑物傳力途徑和受力計(jì)算。

5.3 布置科學(xué)的抗震防線

在選擇結(jié)構(gòu)抗震體系時(shí)，要減少單一抗震防線的使用。這種防線大多僅有一道，因此當(dāng)?shù)卣鸲啻伟l(fā)生時(shí)，如果防線破壞，就會出現(xiàn)很嚴(yán)重的坍塌現(xiàn)象。因此要合理的多設(shè)置抗震防線，針對不同構(gòu)件的特點(diǎn)，設(shè)置強(qiáng)弱程度不同的防線，提高建筑物的整體抗震性。

5.4 選擇高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)材料

材料因素也是影響建筑物結(jié)構(gòu)抗震能力的關(guān)鍵，因此在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不能忽視材料的強(qiáng)度、剛度和延伸性，要根據(jù)不同材料的特性，進(jìn)行合理的選擇。另外還要考慮經(jīng)濟(jì)性能，在滿足需要的情況下盡可能優(yōu)化材料性能，實(shí)現(xiàn)單個(gè)性能和整體性能的完美結(jié)合。

5.5 處理建筑物中比較薄弱的部位

建筑各個(gè)部件的強(qiáng)度和延展性會直接影響整體的協(xié)調(diào)和配合，進(jìn)而一項(xiàng)結(jié)構(gòu)整體性，一個(gè)環(huán)節(jié)不達(dá)標(biāo)則會使整體大打折扣，因此建筑薄弱環(huán)節(jié)的處理是結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，必須采取合理的措施針對性的進(jìn)行解決。強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)柱弱梁以及對柱、梁、節(jié)點(diǎn)與構(gòu)件之間的關(guān)系是建筑物結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)中需要注意的地方，另外為了防止隨著構(gòu)件的不斷老化導(dǎo)致的承載力和剛度發(fā)生變化，在對構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的承載力設(shè)計(jì)時(shí)要保證連接構(gòu)件的承載力小于建筑物構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的承載力。另外需要注意的是，選用符合規(guī)范的材料對建筑物梁、柱端部進(jìn)行箍筋加密，砌體結(jié)構(gòu)的建筑物整體性和延性加強(qiáng)的方式可以采用設(shè)置圈梁、構(gòu)造柱等方法，建筑物預(yù)埋件的錨固承載力與連接件承載力之間的關(guān)系要把握好，避免因?yàn)轭A(yù)埋件的承載力不符合承載要求而出現(xiàn)影響建筑物整體性的現(xiàn)象。對于裝配式構(gòu)件整體性的考慮，裝配式連接構(gòu)件中的抗側(cè)力構(gòu)件一定要采取必要的措施對其結(jié)構(gòu)空間的整體性進(jìn)行處理。

6 結(jié)語

近年來多發(fā)的地震災(zāi)害和人們生活水平提高后對建筑物的多樣化和高水平化的要求，使得加強(qiáng)建筑物的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為很多建筑工程的首要任務(wù)，給建筑設(shè)計(jì)師帶來了更為嚴(yán)格的挑戰(zhàn)。建筑師在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)，要熟練運(yùn)用概念設(shè)計(jì)，貫穿到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方方面面，把握整體，不放過任何一個(gè)環(huán)節(jié)，保證設(shè)計(jì)的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，創(chuàng)造更多的精品工程，保證建筑物的安全性能。

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