房屋建筑結(jié)構(gòu)體系選型及抗震設(shè)計探討

摘要：隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，越來越多的功能多樣、體型復(fù)雜的多層、高層及超高層建筑應(yīng)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(zāi)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(zāi)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(shè)防區(qū)域已實現(xiàn)全國覆蓋，這對建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計也提出了全新的要求，結(jié)構(gòu)體系的選取是否合理對建筑的抗震性能和經(jīng)濟(jì)性起主要作用。本文簡要分析房屋建筑結(jié)構(gòu)體系的選型以及抗震方面的設(shè)計要點。旨在為多高層建筑結(jié)構(gòu)選型及抗震設(shè)計提供一些思路。

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

影響房屋建筑結(jié)構(gòu)體系的選擇的因素有：建筑功能及高度、抗震設(shè)防類別及烈度、場地條件、地基、材料性能及施工等因素。現(xiàn)階段投資商需求的多元化，建筑功能的綜合化趨勢導(dǎo)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(fù)雜化，這為結(jié)構(gòu)體系選型增加了更多的復(fù)雜性影響因素，對結(jié)構(gòu)體系提出了更高的要求。因此結(jié)構(gòu)體系的選型不是結(jié)構(gòu)單一專業(yè)問題，需要同建筑等相關(guān)專業(yè)密切配合，在方案的制定階段建筑設(shè)計應(yīng)充分考慮方案布置對抗震性能的影響，這樣才能設(shè)計出抗震性能良好的建筑。盡管影響結(jié)構(gòu)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(shù)經(jīng)濟(jì)和適用條件綜合比較，選擇安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)體系。

一、房屋建筑結(jié)構(gòu)體系選型設(shè)計的基本原則

（一）適應(yīng)建筑功能的同時堅持簡單、受力明確的原則

我國當(dāng)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(gòu)本身又具備了一定的復(fù)雜性，建筑結(jié)構(gòu)選型應(yīng)在滿足建筑功能的前提下，堅持簡單性的原則，使得結(jié)構(gòu)體系有明確的計算簡圖和合理的傳力路線。只有當(dāng)結(jié)構(gòu)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(gòu)的抗震分析更符合結(jié)構(gòu)在地震時的實際表現(xiàn);才能讓設(shè)計師更加充分的對建筑結(jié)構(gòu)模型、側(cè)向位移以及應(yīng)力情況有一個清晰的了解，能更加容易在設(shè)計之中把薄弱的環(huán)節(jié)找出來，采取構(gòu)造措施和進(jìn)行細(xì)部處理。這對提高結(jié)構(gòu)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(shè)計時應(yīng)重視其平面、立面、豎向剖面規(guī)則性對抗震性能及經(jīng)濟(jì)合理性的影響，抗震性能良好的建筑，需要建造師與結(jié)構(gòu)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(gòu)件的平面及豎向布置應(yīng)遵循規(guī)則性和均勻性的原則，豎向抗側(cè)力構(gòu)件材料強(qiáng)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(gòu)不得不采用不規(guī)則甚至特別不規(guī)則的方案，這不僅嚴(yán)重削弱了結(jié)構(gòu)的抗震性能，也增加了工程的建設(shè)費用。此時結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)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(gòu)平面布置的關(guān)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(gòu)的質(zhì)量中心和剛度中心一致或基本一致，復(fù)雜的平面可通過設(shè)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(gòu)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(gòu)自身慣性力，降低地震帶給建筑結(jié)構(gòu)的破壞程度。結(jié)構(gòu)立面及豎向剖面布置的關(guān)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(yīng)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(yīng)力集中現(xiàn)象，不利于建筑的抗震設(shè)計。

（三）具備必要的強(qiáng)度和良好延性及多道設(shè)防原則

結(jié)構(gòu)體系的抗震能力綜合表現(xiàn)在強(qiáng)度、剛度和變形能力三者的同意，也就是抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具備良好的強(qiáng)度和良好的變形耗能能力或者說延性。如果結(jié)構(gòu)體系有較高的強(qiáng)度但缺乏足夠的延性（如不設(shè)置圈梁構(gòu)造柱的砌體結(jié)構(gòu)）時，在地震時候很容易被破壞。另一方面，如果結(jié)構(gòu)有較大的延性但強(qiáng)度不足（如純框架結(jié)構(gòu)），在強(qiáng)烈地震下必然產(chǎn)生很大的變形、破壞嚴(yán)重甚至倒塌。因此，在設(shè)計中重視結(jié)構(gòu)的整體性與變形能力，對結(jié)構(gòu)的其強(qiáng)度延性予以充分保障，由此能夠保證建筑結(jié)構(gòu)所具有的穩(wěn)定性，是防止在大震中倒塌的關(guān)鍵。震害調(diào)查表明：破壞性強(qiáng)震具有持續(xù)時間長，脈沖往復(fù)次數(shù)多的特點。單一結(jié)構(gòu)體系只有一道防線，一旦被破壞就會造成建筑物倒塌。當(dāng)房屋采用多道防線（兩道或三道）時，第一道防線在強(qiáng)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(shè)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(shè)防的結(jié)構(gòu)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(gòu)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(gòu)件予以承擔(dān)，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(shè)防。

二、有關(guān)于高層建筑中常用的結(jié)構(gòu)體系及其特點的概述

（一）剪力墻結(jié)構(gòu)概述

剪力墻結(jié)構(gòu)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(gòu)。也就是說剪力墻結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)力構(gòu)件都是由剪力墻組成。剪力墻結(jié)構(gòu)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(gòu)有更好的抗側(cè)力能力。第二剪力墻結(jié)構(gòu)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(gòu)屬于剛性體系，結(jié)構(gòu)也具有一定的延性，具備較好的抗震性能。由于在結(jié)構(gòu)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(gòu)一般適用高層住宅、公寓和旅館。

（二）框架-剪力墻結(jié)構(gòu)概述

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)簡稱框剪結(jié)構(gòu)，豎向受力構(gòu)件由框架柱和剪力墻組合而成。框架柱和剪力墻協(xié)同承受豎向及水平荷載。它具有框架結(jié)構(gòu)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(gòu)承受。框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系是符合多道抗震防線要求的結(jié)構(gòu)體系，在該結(jié)構(gòu)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。框剪結(jié)構(gòu)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(gòu)的概述

筒體結(jié)構(gòu)又分為框加-核心筒及筒中筒兩種結(jié)構(gòu)，框筒結(jié)構(gòu)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(gòu)。筒中筒結(jié)構(gòu)即中央為薄壁筒，外圍為框筒組成的結(jié)構(gòu)。筒體結(jié)構(gòu)具有造型美觀、使用靈活、受力合理，以及整體性強(qiáng)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(gòu);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(gòu)。筒體結(jié)構(gòu)也是符合多道設(shè)防的結(jié)構(gòu)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(gòu)的概述

混合結(jié)構(gòu)是指由鋼、鋼筋混凝土、組合構(gòu)件三類構(gòu)建中的任意兩種或兩種以上構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)。是近年來在我國迅速發(fā)展的一種新型結(jié)構(gòu)體系，主要結(jié)構(gòu)形式有：混合框架結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻混合結(jié)構(gòu)、筒中筒混合結(jié)構(gòu)。混合結(jié)構(gòu)兼有混凝土結(jié)構(gòu)剛度大、材料施工成本較低、抗火性能好的特點及鋼結(jié)構(gòu)自重輕、構(gòu)件截面尺寸小、抗震性能好、施工進(jìn)度快的特點。 已引起工程界和投資商的廣泛關(guān)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(gòu)的抗震設(shè)計

（一）抗震設(shè)防的目標(biāo)及目標(biāo)的實現(xiàn)

我國現(xiàn)行的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》1.0.1條提出了建筑抗震設(shè)防的基本思想和原則，以“三個水準(zhǔn)”為抗震設(shè)防目標(biāo)。第一水準(zhǔn)即當(dāng)遭受低于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的多遇地震影響時，主體結(jié)構(gòu)不受損壞或不需修理可繼續(xù)使用;第二水準(zhǔn)即當(dāng)遭受相當(dāng)于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的設(shè)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(zhǔn)即當(dāng)遭受高于本地區(qū)抗震設(shè)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(yán)重破壞。簡便的說就是“小震不壞、中震可修、大震不倒”。三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)有明確的概率指標(biāo)，是著眼于結(jié)構(gòu)抗震安全的性能目標(biāo)。為實現(xiàn)“三水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo)”而采取了“兩階段是設(shè)計步驟”，第一階段設(shè)計為“小震”作用下的構(gòu)件截面抗震承載力驗算和相應(yīng)的構(gòu)造措施，在這一設(shè)計階段中，要根據(jù)概念設(shè)計采取有效的抗震構(gòu)造措施，從而使大多數(shù)結(jié)構(gòu)可以定性地滿足第三水準(zhǔn)的要求。對于大多數(shù)建筑結(jié)構(gòu)只需進(jìn)行第一階段的設(shè)計即可做到“大震不倒”。第二階段設(shè)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(gòu)造措施，目的是防倒塌。主要針對強(qiáng)震時易倒塌結(jié)構(gòu)、有明顯薄弱層的不規(guī)則結(jié)構(gòu)及其他有特殊要求的建筑。以實現(xiàn)第三水準(zhǔn)的設(shè)防要求。對大多數(shù)結(jié)構(gòu)則無需進(jìn)行第二階段設(shè)計。

（二）抗震概念設(shè)計應(yīng)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(shè)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(shè)計，是抗震設(shè)計應(yīng)把握的要點。而抗震概念設(shè)計的應(yīng)把握的要點有如下幾點：

1、結(jié)構(gòu)體系問題是結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)把握的頭等重要的問題，應(yīng)注意體系的合理性，優(yōu)先采用抗震能力強(qiáng)、延性好、耗能能力強(qiáng)、便于施工的具有多道防線的結(jié)構(gòu)體系（如采用框架-抗震墻、框架-筒體結(jié)構(gòu)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(chǔ)方案。

2、結(jié)構(gòu)布置問題，應(yīng)采用概念清晰，傳力路徑明確的結(jié)構(gòu)布置，避免造成結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)、平面和立面里出外進(jìn)、豎向傳力構(gòu)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(gòu)協(xié)同工作問題、上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)變形問題等。

3、結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的關(guān)鍵部位，注意對結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵部位、結(jié)構(gòu)構(gòu)件等關(guān)鍵部位的把握，實現(xiàn)“強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點弱桿件及強(qiáng)柱根”的設(shè)計理念。注意對加強(qiáng)部位（豎向構(gòu)件的加強(qiáng)部位、樓面結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)部位、地基基礎(chǔ)的加強(qiáng)部位等）的把握。

四、結(jié)語：

房屋建筑結(jié)構(gòu)體系選型及抗震設(shè)計設(shè)計具有較強(qiáng)的專業(yè)性、綜合性，以及系統(tǒng)性的特點。在建筑的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計過程中要求結(jié)構(gòu)工程師和建筑師相互配合，對工程實際的情況進(jìn)行有效結(jié)合，依據(jù)在學(xué)習(xí)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(gòu)整體性能，重概念、輕精度，抓大放小，這樣才能設(shè)計出經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠、抗震性能良好的建筑。

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