房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震技術(shù)分析

高炳鵬

(同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海 200092)

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)是房屋設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵內(nèi)容，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)將會(huì)嚴(yán)重影響房屋的安全、質(zhì)量和使用壽命。作為地震頻發(fā)的國(guó)家，我國(guó)每年有大量的房屋因?yàn)榈卣鸲?，給人民生命財(cái)產(chǎn)和安全造成了極大的損失。所以，在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮抗震技術(shù)的應(yīng)用，在各個(gè)環(huán)節(jié)體現(xiàn)出來(lái)，涵蓋梁、柱、墻體和地基等，房屋整體抗震質(zhì)量提升了，承受能力才會(huì)增強(qiáng)，人民才能更安全放心地居住。

1 房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用抗震技術(shù)的必要性

作為當(dāng)今世界主要自然災(zāi)害之一，地震以其破壞力大、不可預(yù)測(cè)而給很多房屋建筑工程結(jié)構(gòu)帶來(lái)嚴(yán)重的破壞。國(guó)家的抗震規(guī)范中對(duì)建筑物的要求為:“小震不壞、中震可修、大震不倒?！奔丛谛≌鹣碌卣鸩荒芷茐慕ㄖ?、中震時(shí)建筑可以維護(hù)加固、大震時(shí)建筑不倒。根據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)在建筑物建設(shè)時(shí)不斷探索和實(shí)踐，取得了較大的進(jìn)步，地震時(shí)因?yàn)榻ㄖ锊焕喂潭斐傻娜藛T傷亡也在不斷下降。盡管在控制人員傷亡方面有進(jìn)步，反映了人們進(jìn)行房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以生命安全為主要目標(biāo)的原則，但是很多房屋建筑在經(jīng)歷小震后建筑物會(huì)出現(xiàn)很大的損壞，很多原有的建筑物功能也不能再發(fā)揮作用。在當(dāng)今社會(huì)條件下，很多房屋建筑內(nèi)的技術(shù)配備和裝修花費(fèi)比建筑物本身的價(jià)值要多得多，因此地震帶來(lái)的損失還是比較嚴(yán)重的。在這樣的背景下，進(jìn)一步優(yōu)化房屋抗震設(shè)計(jì)，在避免人員傷亡的同時(shí)保護(hù)房屋建筑功能已經(jīng)成為一個(gè)亟待解決的課題，也是建筑設(shè)計(jì)單位必須考慮的問(wèn)題。

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

作為房屋建筑施工中的最關(guān)鍵的地方，房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理才能保證房屋的安全系數(shù)，才能提高整個(gè)工程質(zhì)量。大多房屋在設(shè)計(jì)時(shí)都遵循“經(jīng)濟(jì)、實(shí)用和安全”的原則，而抗震設(shè)計(jì)同樣也是以這條原則為基礎(chǔ)，結(jié)合地震本身的瞬時(shí)破壞和不確定性的特點(diǎn)，探討了保證安全和應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害的設(shè)計(jì)思路。

2.1 房屋整體平面和豎向布局設(shè)計(jì)

在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一項(xiàng)最基礎(chǔ)的內(nèi)容就是對(duì)構(gòu)件的豎向和平面進(jìn)行合理布置，因?yàn)閴Α⒅钠矫嫖恢脮?huì)很大程度的影響其抗震性能。因此在設(shè)計(jì)中，為了增強(qiáng)房屋結(jié)構(gòu)的抗震功能要遵循以下原則:豎向和平面構(gòu)件簡(jiǎn)潔整齊，剛度中心和質(zhì)量中心重合。在豎向設(shè)計(jì)中，要杜絕頭重腳輕的現(xiàn)象出現(xiàn)，即盡量使房屋的中心降低，另外要減少錯(cuò)落的豎向結(jié)構(gòu)這種方式的設(shè)計(jì)。嚴(yán)格控制房屋結(jié)構(gòu)豎向高強(qiáng)度和剛度，保障其均勻性。另外為了避免鞭梢效應(yīng)的出現(xiàn)，高出屋面的建筑部分要嚴(yán)格控制?？偠灾鞣矫娴脑O(shè)計(jì)均要考慮抗震性能，避免不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案，如果因?yàn)榻ㄖ锏奶厥庖蠖坏貌贿M(jìn)行嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計(jì)時(shí)，一定要做好補(bǔ)救措施，即設(shè)置抗震縫，對(duì)建筑物進(jìn)行劃分，使其形成一個(gè)個(gè)獨(dú)立個(gè)體，這樣才能達(dá)到要求。在保證房屋造型優(yōu)美和滿足使用的同時(shí)，兼顧抗震能力是現(xiàn)代建筑的主要設(shè)計(jì)原則。

2.2 提高房屋結(jié)構(gòu)的抗震能力設(shè)計(jì)

提高抗震能力需要綜合分析，考慮地基、抗防線、材料重量、空間等各種因素，具體可以按照以下幾點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì):1)地基要打結(jié)實(shí)。地基是所有建筑物防震最根本的部分，必須保持其穩(wěn)定性，因此要使用抗震能力較強(qiáng)的地基，不能使地基變形。并且同一房屋的結(jié)構(gòu)單元的地基性質(zhì)要一致，整體設(shè)計(jì)要充分發(fā)揮地基的抗震作用。2)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要均勻、對(duì)稱，使得承受力能夠均勻分布，借助結(jié)構(gòu)對(duì)稱來(lái)降低地震的影響力，防止受力集中而引發(fā)的部分扭曲坍塌現(xiàn)象的出現(xiàn)。整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，要采取多重保護(hù)措施來(lái)增加抗震能力，對(duì)于容易發(fā)生坍塌的薄弱環(huán)節(jié)要針對(duì)性地采取牢固措施，從而減少危險(xiǎn)因素，防止安全事故的發(fā)生。3)在進(jìn)行房屋設(shè)計(jì)時(shí)，在保證建筑物牢固性的基礎(chǔ)上，要盡可能地減少自身的重量，從而減輕地基的壓力，這樣一旦發(fā)生地震，能夠有效緩解地震對(duì)建筑物的沖擊力度。延長(zhǎng)屋內(nèi)人員的逃生時(shí)間，同時(shí)也能對(duì)普通級(jí)別的地震起到很好的抵抗效果。4)在設(shè)計(jì)的時(shí)候要注意各個(gè)環(huán)節(jié)不同平面上的連接，使其成為一個(gè)整體，空間結(jié)構(gòu)相對(duì)統(tǒng)一。另外建筑的豎向結(jié)構(gòu)的剛度必須要滿足能夠支撐整個(gè)建筑重力。

2.3 降低地震對(duì)房屋結(jié)構(gòu)的破壞作用設(shè)計(jì)

在降低地震對(duì)房屋結(jié)構(gòu)的破壞作用方面，使用最廣泛的就是隔震層。隔震層被安裝在房屋的主體和基礎(chǔ)部分連接的地方，有的設(shè)計(jì)師會(huì)添加一個(gè)反擺在建筑物的頂部，反擺的作用是在地震發(fā)生時(shí)偏移房屋至反方向。在反擺設(shè)置合理的情況下，能夠大幅度削弱地震的破壞作用。因?yàn)榉磾[在地震發(fā)生時(shí)，會(huì)產(chǎn)生阻尼運(yùn)動(dòng)，針對(duì)地震方向的加速度會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相反的加速度，兩兩抵消從而使地震方向的加速度變小，最大限度的降低地震引發(fā)的房屋受損程度。目前這種方式的應(yīng)用還不成熟，但是已經(jīng)應(yīng)用在建筑抗震方面的效果是十分明顯的。

2.4 房屋結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)

建筑物剛度的合理設(shè)計(jì)是房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵內(nèi)容，所以選材的時(shí)候必須考慮鋼筋混凝土型號(hào)。特別要注意的是在使用“鋼結(jié)構(gòu)”進(jìn)行雙層加固時(shí)，要明確已有的鋼筋混凝土的剛度，保證上下兩層的剛度和阻尼比相同，如果不相同則會(huì)埋下安全隱患，必須杜絕這種情況的出現(xiàn)。假設(shè)鋼筋混凝土作為整個(gè)房屋結(jié)構(gòu)抗側(cè)力的主要體系，屋蓋的部分則采用鋼結(jié)構(gòu)，就必須要按照相關(guān)的規(guī)定對(duì)抗震進(jìn)行設(shè)計(jì)。特別注意的是不能使房屋結(jié)構(gòu)剛度過(guò)大，否則地震發(fā)生時(shí)，房屋結(jié)構(gòu)將會(huì)承受太多的力，引發(fā)嚴(yán)重的后果。另外這樣也會(huì)浪費(fèi)很多建筑材料。如果地震剛度不足的，房屋結(jié)構(gòu)會(huì)特別容易變形，這樣嚴(yán)重影響到建筑的本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及日常生活中的正常使用功能。

3 抗震技術(shù)在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新

在上文中，我們提到兩項(xiàng)新的技術(shù):隔震技術(shù)和消能減震技術(shù)。這兩項(xiàng)技術(shù)目前在國(guó)外正在嘗試使用，但是在國(guó)內(nèi)建筑物中的應(yīng)用還比較小，這也是本文在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新之處，具體應(yīng)用在房屋建筑工程中，將會(huì)大大降低地震對(duì)建筑物造成的損壞。下面針對(duì)這兩項(xiàng)新技術(shù)的具體應(yīng)用，做進(jìn)一步的闡述。

3.1 隔震技術(shù)

隔震技術(shù)的主要工作原理是使房屋結(jié)構(gòu)的自振周期增長(zhǎng)，從而減弱地震發(fā)生時(shí)輸入上半部分的作用。因此建筑施工人員在施工時(shí)必須采用先進(jìn)的建筑施工設(shè)備，根據(jù)圖紙規(guī)范操作，熟練的應(yīng)用架設(shè)和鋪設(shè)技術(shù)。建設(shè)過(guò)程中，要將底部和上層分割進(jìn)行，鋪設(shè)隔震裝置時(shí)，要保證其穩(wěn)定性，這樣才能更好的發(fā)揮作用。整個(gè)建設(shè)過(guò)程中，要實(shí)時(shí)采用精確度較高的儀器進(jìn)行檢測(cè)，保證上層和底部建筑分割的有效性。隔震裝置的選擇也是要注意的地方，不能以次充好，使用假冒偽劣產(chǎn)品，要選用較高質(zhì)量、壽命長(zhǎng)、牢固的裝置，從而使其承載能力足夠。除此之外，還要做好足夠的措施，對(duì)隔震裝置進(jìn)行保護(hù)，并在以后的使用過(guò)程中進(jìn)行定期保養(yǎng)，從而延長(zhǎng)其使用壽命。

3.2 消能減震技術(shù)

阻尼元件設(shè)備能夠有效的保護(hù)房屋結(jié)構(gòu)的重要部位，但是如果施工和安裝不合理，這些元件將不能發(fā)揮作用，因此必須合理的鋪設(shè)這些阻尼元件。消能減震技術(shù)在施工過(guò)程中，要把握好關(guān)鍵部位的安裝，特別是墻體內(nèi)部的一些細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，必須安裝到位，保證每個(gè)環(huán)節(jié)都被加固。為了使內(nèi)部結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，阻尼元件要選用架構(gòu)兼顧類型的。選用安裝技術(shù)要統(tǒng)籌兼顧，把握關(guān)鍵環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

抗震技術(shù)的應(yīng)用是房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，在日常的工作中，要不斷實(shí)踐和探索，把握好抗震機(jī)理，這樣才能保證房屋在面對(duì)地震時(shí)屹立不動(dòng)，保證人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

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