房屋建筑結(jié)構體系選型及抗震設計探討

摘要：隨著我國經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，越來越多的功能多樣、體型復雜的多層、高層及超高層建筑應運而生，房屋已經(jīng)成為城市居民財產(chǎn)的“大塊頭”。然近十年來我國地震頻發(fā)，因地震災害引發(fā)的房屋倒塌事故不斷，人民群眾生命財產(chǎn)安全受到重大損失，提高房屋建筑的防震減災能力已成為全社會的共同期待。隨著新一代《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》的頒布實施，設防區(qū)域已實現(xiàn)全國覆蓋，這對建筑結(jié)構抗震設計也提出了全新的要求，結(jié)構體系的選取是否合理對建筑的抗震性能和經(jīng)濟性起主要作用。本文簡要分析房屋建筑結(jié)構體系的選型以及抗震方面的設計要點。旨在為多高層建筑結(jié)構選型及抗震設計提供一些思路。

關鍵詞：房屋建筑;結(jié)構體系;選型;抗震設計;結(jié)構設計

影響房屋建筑結(jié)構體系的選擇的因素有：建筑功能及高度、抗震設防類別及烈度、場地條件、地基、材料性能及施工等因素?，F(xiàn)階段投資商需求的多元化，建筑功能的綜合化趨勢導致了建筑方案的平立面布置及內(nèi)部空間布置的多樣化和復雜化，這為結(jié)構體系選型增加了更多的復雜性影響因素，對結(jié)構體系提出了更高的要求。因此結(jié)構體系的選型不是結(jié)構單一專業(yè)問題，需要同建筑等相關專業(yè)密切配合，在方案的制定階段建筑設計應充分考慮方案布置對抗震性能的影響，這樣才能設計出抗震性能良好的建筑。盡管影響結(jié)構體系選型的因素很多，但我們還是得厘清矛盾的主次，堅持基本原則，經(jīng)過技術經(jīng)濟和適用條件綜合比較，選擇安全可靠、經(jīng)濟合理的結(jié)構體系。

一、房屋建筑結(jié)構體系選型設計的基本原則

（一）適應建筑功能的同時堅持簡單、受力明確的原則

我國當前城市建筑正在朝著高層和超高層的方向發(fā)展，相比從前的建筑層數(shù)也有了明顯增加，結(jié)構本身又具備了一定的復雜性，建筑結(jié)構選型應在滿足建筑功能的前提下，堅持簡單性的原則，使得結(jié)構體系有明確的計算簡圖和合理的傳力路線。只有當結(jié)構體系簡單、對稱、受力明確、傳力合理且傳力路線不間斷，才使結(jié)構的抗震分析更符合結(jié)構在地震時的實際表現(xiàn);才能讓設計師更加充分的對建筑結(jié)構模型、側(cè)向位移以及應力情況有一個清晰的了解，能更加容易在設計之中把薄弱的環(huán)節(jié)找出來，采取構造措施和進行細部處理。這對提高結(jié)構的抗震性能十分有利。

（二）滿足建筑造型需要的同時堅持規(guī)則性和均勻性的原則

建筑平立面設計時應重視其平面、立面、豎向剖面規(guī)則性對抗震性能及經(jīng)濟合理性的影響，抗震性能良好的建筑，需要建造師與結(jié)構工程師互相配合，滿足建筑造型需要的同時宜優(yōu)先規(guī)則的形體，其抗側(cè)力構件的平面及豎向布置應遵循規(guī)則性和均勻性的原則，豎向抗側(cè)力構件材料強度和截面尺寸宜自下而上逐步減小。實際工程中，為實現(xiàn)建筑平立面造型的變化，常使結(jié)構不得不采用不規(guī)則甚至特別不規(guī)則的方案，這不僅嚴重削弱了結(jié)構的抗震性能，也增加了工程的建設費用。此時結(jié)構設計應與建筑專業(yè)及業(yè)主闡明采用不規(guī)則方案所帶來的后果。結(jié)構平面布置的關鍵是避免扭轉(zhuǎn)并確保水平傳力途徑的有效性，盡量控制建筑結(jié)構的質(zhì)量中心和剛度中心一致或基本一致，復雜的平面可通過設置防震縫的方式劃分為幾個簡單規(guī)則的平面，最大程度降低建筑結(jié)構受到的偏心和扭轉(zhuǎn)的影響。一旦發(fā)生地震，能快速傳播出建筑結(jié)構自身慣性力，降低地震帶給建筑結(jié)構的破壞程度。結(jié)構立面及豎向剖面布置的關鍵是避免承載力及樓層剛度出現(xiàn)突變，避免出現(xiàn)薄弱層并確保豎向傳力路徑的有效性。建筑立面應盡量采用矩形、梯形、三角形等均勻變化的幾何形狀，避免采用帶有突然變化的階梯形立面。剛度突變部位容易出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，不利于建筑的抗震設計。

（三）具備必要的強度和良好延性及多道設防原則

結(jié)構體系的抗震能力綜合表現(xiàn)在強度、剛度和變形能力三者的同意，也就是抗震結(jié)構體系應具備良好的強度和良好的變形耗能能力或者說延性。如果結(jié)構體系有較高的強度但缺乏足夠的延性（如不設置圈梁構造柱的砌體結(jié)構）時，在地震時候很容易被破壞。另一方面，如果結(jié)構有較大的延性但強度不足（如純框架結(jié)構），在強烈地震下必然產(chǎn)生很大的變形、破壞嚴重甚至倒塌。因此，在設計中重視結(jié)構的整體性與變形能力，對結(jié)構的其強度延性予以充分保障，由此能夠保證建筑結(jié)構所具有的穩(wěn)定性，是防止在大震中倒塌的關鍵。震害調(diào)查表明：破壞性強震具有持續(xù)時間長，脈沖往復次數(shù)多的特點。單一結(jié)構體系只有一道防線，一旦被破壞就會造成建筑物倒塌。當房屋采用多道防線（兩道或三道）時，第一道防線在強震襲擊下被破壞后，后續(xù)防線能接替抵抗后續(xù)的地震沖擊，從而保證建筑物最低限度安全，免于倒塌。所以設置多道防線是必須的也是“大震不倒”的基本要求。符合多道設防的結(jié)構體系有框架—抗震墻體系、框架-支撐體系、框架—筒體體系、筒中筒體系等，這些結(jié)構體系在地震力作用下，大部分水平力首先由這些側(cè)向剛度大的抗側(cè)力構件予以承擔，而形成第一道防線，框架退居第二道防線，從而實現(xiàn)多道設防。

二、有關于高層建筑中常用的結(jié)構體系及其特點的概述

（一）剪力墻結(jié)構概述

剪力墻結(jié)構所指的是用鋼筋混凝土墻板來承受豎向和水平力的結(jié)構。也就是說剪力墻結(jié)構體系的抗側(cè)力構件都是由剪力墻組成。剪力墻結(jié)構具有如下特點，第一，其墻身平面內(nèi)的抗側(cè)移剛度很大，而其墻身平面外剛度卻很小，因此比框架結(jié)構有更好的抗側(cè)力能力。第二剪力墻結(jié)構有很好的承載能力，而且有很好的整體性和空間作用，在房間內(nèi)隱藏了梁、柱棱角等，便于室內(nèi)布置發(fā)，方便使用。第三，剪力墻結(jié)構屬于剛性體系，結(jié)構也具有一定的延性，具備較好的抗震性能。由于在結(jié)構平面布置中剪力墻的間距有一定限制，故不可能開間太大，因此對需要大空間時就不太適用。剪力墻結(jié)構一般適用高層住宅、公寓和旅館。

（二）框架-剪力墻結(jié)構概述

框架-剪力墻結(jié)構簡稱框剪結(jié)構，豎向受力構件由框架柱和剪力墻組合而成?？蚣苤图袅f(xié)同承受豎向及水平荷載。它具有框架結(jié)構平面的布置靈活，有較大空間的優(yōu)點，可以滿足建筑對于各種不同功能的要求，又具有側(cè)向剛度較大的優(yōu)點，建筑所受的水平力主要由剪力墻承受，而在豎向荷載主要由框架結(jié)構承受?？蚣芗袅Y(jié)構體系是符合多道抗震防線要求的結(jié)構體系，在該結(jié)構中抗震墻由于其側(cè)向剛度大，成為第一道防線，框架則是抗震的第二道防線。比剪力墻體系延性好，布置靈活?？蚣艚Y(jié)構多用于10～25層左右的商住樓、辦公樓、寫字樓等。

（三）筒體結(jié)構的概述

筒體結(jié)構又分為框加-核心筒及筒中筒兩種結(jié)構，框筒結(jié)構中心為抗剪薄壁筒或密柱框架圍城的框筒，外圍為普通框架所組成的結(jié)構。筒中筒結(jié)構即中央為薄壁筒，外圍為框筒組成的結(jié)構。筒體結(jié)構具有造型美觀、使用靈活、受力合理，以及整體性強等優(yōu)點，適用于較高的高層建筑。目前全世界最高的100幢高層建筑約有2/3采用筒體結(jié)構;國內(nèi)100m以上的高層建筑約有一半采用鋼筋混凝土筒體結(jié)構。筒體結(jié)構也是符合多道設防的結(jié)構體系，由延性框架和筒體兩個延性較好的分體系組成。

（四）鋼-混凝土混合結(jié)構的概述

混合結(jié)構是指由鋼、鋼筋混凝土、組合構件三類構建中的任意兩種或兩種以上構件組成的結(jié)構。是近年來在我國迅速發(fā)展的一種新型結(jié)構體系，主要結(jié)構形式有：混合框架結(jié)構、框架-剪力墻混合結(jié)構、筒中筒混合結(jié)構?；旌辖Y(jié)構兼有混凝土結(jié)構剛度大、材料施工成本較低、抗火性能好的特點及鋼結(jié)構自重輕、構件截面尺寸小、抗震性能好、施工進度快的特點。 已引起工程界和投資商的廣泛關注，目前已經(jīng)建成了一大批高度在150m～200m的建筑。

三、建筑結(jié)構的抗震設計

（一）抗震設防的目標及目標的實現(xiàn)

我國現(xiàn)行的《建筑抗震設計規(guī)范》1.0.1條提出了建筑抗震設防的基本思想和原則，以“三個水準”為抗震設防目標。第一水準即當遭受低于本地區(qū)抗震設防烈度的多遇地震影響時，主體結(jié)構不受損壞或不需修理可繼續(xù)使用;第二水準即當遭受相當于本地區(qū)抗震設防烈度的設防地震影響時，可能發(fā)生損壞，但經(jīng)一般性修理仍可繼續(xù)使用;第三水準即當遭受高于本地區(qū)抗震設防烈度的罕遇地震影響時，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴重破壞。簡便的說就是“小震不壞、中震可修、大震不倒”。三水準設防目標有明確的概率指標，是著眼于結(jié)構抗震安全的性能目標。為實現(xiàn)“三水準抗震設防目標”而采取了“兩階段是設計步驟”，第一階段設計為“小震”作用下的構件截面抗震承載力驗算和相應的構造措施，在這一設計階段中，要根據(jù)概念設計采取有效的抗震構造措施，從而使大多數(shù)結(jié)構可以定性地滿足第三水準的要求。對于大多數(shù)建筑結(jié)構只需進行第一階段的設計即可做到“大震不倒”。第二階段設計為“大震”作用下的彈塑性變形驗算，并采取提高變形能力的構造措施，目的是防倒塌。主要針對強震時易倒塌結(jié)構、有明顯薄弱層的不規(guī)則結(jié)構及其他有特殊要求的建筑。以實現(xiàn)第三水準的設防要求。對大多數(shù)結(jié)構則無需進行第二階段設計。

（二）抗震概念設計應把握的重點問題

歷次地震表明，我國地震區(qū)劃所規(guī)定的烈度有很大的不確定性，抗震設計還處在摸索階段，地震理論還有待完善。重視建筑抗震概念設計，是抗震設計應把握的要點。而抗震概念設計的應把握的要點有如下幾點：

1、結(jié)構體系問題是結(jié)構設計應把握的頭等重要的問題，應注意體系的合理性，優(yōu)先采用抗震能力強、延性好、耗能能力強、便于施工的具有多道防線的結(jié)構體系（如采用框架-抗震墻、框架-筒體結(jié)構等），注意對承載力和剛度及延性的合理把握。采用合理的基礎方案。

2、結(jié)構布置問題，應采用概念清晰，傳力路徑明確的結(jié)構布置，避免造成結(jié)構扭轉(zhuǎn)、平面和立面里出外進、豎向傳力構件的間斷等其他不規(guī)則。注意把握抗震墻的合理間距問題、結(jié)構協(xié)同工作問題、上部結(jié)構與地基基礎的協(xié)調(diào)變形問題等。

3、結(jié)構抗震設計的關鍵部位，注意對結(jié)構體系的關鍵部位、結(jié)構構件等關鍵部位的把握，實現(xiàn)“強剪弱彎、強柱弱梁、強節(jié)點弱桿件及強柱根”的設計理念。注意對加強部位（豎向構件的加強部位、樓面結(jié)構的加強部位、地基基礎的加強部位等）的把握。

四、結(jié)語：

房屋建筑結(jié)構體系選型及抗震設計設計具有較強的專業(yè)性、綜合性，以及系統(tǒng)性的特點。在建筑的結(jié)構抗震設計過程中要求結(jié)構工程師和建筑師相互配合，對工程實際的情況進行有效結(jié)合，依據(jù)在學習和實踐中所建立的正確概念，運用正確的思考和判斷力，正確和全面地把握結(jié)構整體性能，重概念、輕精度，抓大放小，這樣才能設計出經(jīng)濟合理、安全可靠、抗震性能良好的建筑。

參考文獻：

[1]GB50011-2010《建筑抗震設計規(guī)范》（2016年版）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016

[2]JGJ3--2010《高層建筑混凝土結(jié)構技術規(guī)程》[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011

[3]住房和城鄉(xiāng)建設部工程質(zhì)量安全監(jiān)管司，中國建筑標準設計研究所，《全國民用建筑工程設計技術措施-結(jié)構（結(jié)構體系）》[M].北京：中國計劃出版社，2009：53

[4]朱炳寅.《建筑抗震設計規(guī)范應用與分析GB50011-2010》[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011：3-62

作者簡介：余云龍（1983-）男 工程師 本科 主要從事建筑結(jié)構設計方面的工作。