談房屋建筑結(jié)構(gòu)體系選型及抗震設(shè)計(jì)
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摘要：在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展日新月異的背景下，社會(huì)對(duì)建筑工程提出了更高的要求，多功能、高樓層的建筑得到廣泛應(yīng)用，作為城市規(guī)劃建設(shè)的一部分，建筑工程施工也受到了關(guān)注，與人們的利益息息相關(guān)。但受到自然災(zāi)害的影響，尤其是近年來地震發(fā)生頻率高，造成了房屋建筑結(jié)構(gòu)的損壞，威脅到住戶的生命財(cái)產(chǎn)安全。為了降低地震造成的損失，必須對(duì)房屋建筑建構(gòu)體系進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，使得在遭受外力時(shí)，房屋建筑能夠借助強(qiáng)大的穩(wěn)固性保持原狀。本文主要討論了房屋建筑結(jié)構(gòu)體系選型，立足于建筑結(jié)構(gòu)的抗震功能，提出優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方案，希望能給同行提供借鑒。
關(guān)鍵詞：房屋建筑;結(jié)構(gòu)體系;選型;抗震設(shè)計(jì);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在確定房屋建筑結(jié)構(gòu)體系時(shí)，需要綜合考慮各方面影響因素。例如，施工方案中對(duì)建筑性能的要求、建筑樓層高度和抗震級(jí)別、施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)情況以及施工材料的規(guī)格型號(hào)等。就建筑行業(yè)目前的發(fā)展趨勢(shì)來看，未來建筑功能將往綜合性方向發(fā)展，這意味著在制定工程施工方案時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)體系有著多種設(shè)計(jì)型號(hào)。不同的建筑結(jié)構(gòu)體系，對(duì)施工要求有所不同，也深刻地影響著房屋建設(shè)效果。因此，房屋建筑結(jié)構(gòu)體系選型至關(guān)重要，對(duì)工程施工進(jìn)度和整體質(zhì)量起著決定性作用。而且在選型過程中，涉及到對(duì)各種因素的考慮，具有較高的專業(yè)性和難度。房屋建筑結(jié)構(gòu)體系選型，應(yīng)該充分重視結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，將提高結(jié)構(gòu)抗震性能作為選型的參考指標(biāo)。施工人員的專業(yè)水平，也與結(jié)構(gòu)選型的合理性有著密切聯(lián)系，施工人員必須抓住重點(diǎn)，嚴(yán)格遵循相關(guān)的原則，在確保建筑施工質(zhì)量的同時(shí)，給企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。
1房屋建筑結(jié)構(gòu)體系選型設(shè)計(jì)的基本原則
1.1適應(yīng)建筑功能的同時(shí)堅(jiān)持簡(jiǎn)單、受力明確的原則
與傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)相比，現(xiàn)代建筑的樓層有了明顯增加，高層建筑逐漸成為主要的建設(shè)模式。高度的增大，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性也提出了更高要求。因此，在選擇建筑結(jié)構(gòu)體系時(shí)，不僅需要保障建筑的各功能得到滿足，還要兼顧建筑功能與結(jié)構(gòu)體系的兼容性。設(shè)計(jì)人員應(yīng)該遵循受力簡(jiǎn)單明確的原則，保障建筑各結(jié)構(gòu)受力明確，發(fā)揮著各自的作用，使得建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能顯著提升。設(shè)計(jì)人員可以對(duì)建筑結(jié)構(gòu)做抗震分析，模擬在發(fā)生地震時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)可能受到的外力和影響。并以該模型為指導(dǎo)，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，調(diào)整結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，以達(dá)到提高其抗震能力的目的。
1.2滿足建筑造型需要的同時(shí)堅(jiān)持規(guī)則性和均勻性的原則
建筑平面設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)階段中的重要部分，平面設(shè)計(jì)影響著其他部分的結(jié)構(gòu)，例如建筑的立面和豎向剖面，因此必須嚴(yán)格遵循相關(guān)的原則，以確保整體設(shè)計(jì)的規(guī)則性，而且還要充分考慮結(jié)構(gòu)的抗震能力，以及工程建設(shè)所耗費(fèi)的成本。在這一過程中，建筑人員和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員要進(jìn)行密切的溝通交流，了解彼此的想法，并能夠協(xié)調(diào)配合。首先，規(guī)則形體的建筑造型是行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可的，在該種建筑造型下，建筑的側(cè)面和豎向剖面受力較為均勻。選擇施工材料時(shí)，也要以此為依據(jù)，隨著高度的增高，豎向抗側(cè)力構(gòu)件的強(qiáng)度也要逐漸減小。但在實(shí)際施工中，部分設(shè)計(jì)人員追求建筑造型的新穎，增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度，無法滿足結(jié)構(gòu)受力規(guī)則的要求。使得結(jié)構(gòu)的抗震性能大打折扣，也增加了施工人員的工作負(fù)擔(dān)。其次，建筑結(jié)構(gòu)平面設(shè)計(jì)還要把控水平傳力的順利，通過促進(jìn)結(jié)構(gòu)的重心以及剛度中心的重合，能夠避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)或者偏心的情況，在發(fā)生地震時(shí)，建筑能夠保持良好的穩(wěn)固性。
1.3具備必要的強(qiáng)度和良好延性及多道設(shè)防原則
建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，是由多個(gè)指標(biāo)決定的。一般來說，將建筑的強(qiáng)度、剛度以及巖性，作為衡量結(jié)構(gòu)抗震能力的指標(biāo)。這意味著提高結(jié)構(gòu)體系的抗震能力，可以從三方面入手。即提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛性或者延伸性。這三者是缺一不可的，任何一個(gè)指標(biāo)不符合要求，都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震能力造成負(fù)面影響。例如，當(dāng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度較為優(yōu)良，而延展性卻達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，那么在發(fā)生地震時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)很容易因?yàn)榘l(fā)生局部斷裂而遭到損壞。同時(shí)，如果建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度較小，即使其延展性再好，在面臨地震時(shí)，也會(huì)因?yàn)樾巫兂潭冗^大又無法恢復(fù)原狀，而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)坍塌的情況。因此，設(shè)計(jì)人員必須兼顧建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度以及延展性，意識(shí)到三者是同等重要的。
2有關(guān)于高層建筑中常用的結(jié)構(gòu)體系及其特點(diǎn)的概述
2.1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(diǎn)，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。
2.2框架-剪力墻結(jié)構(gòu)概述
框架-剪力墻結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn)，可以滿足建筑對(duì)于各種不同功能的要求，又具有側(cè)向剛度較大的優(yōu)點(diǎn)，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。
2.3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(diǎn)，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)。
3建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)
3.1抗震設(shè)防的目標(biāo)及目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)
我國出臺(tái)了相關(guān)文件，用于規(guī)范建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，指導(dǎo)著結(jié)構(gòu)體系選型工作的順利進(jìn)行。并提出了三個(gè)明確的抗震目標(biāo)，被稱為“三個(gè)水準(zhǔn)”。指的是在不同級(jí)數(shù)的地震下，建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)該達(dá)到的狀態(tài)。即在地震級(jí)數(shù)較小時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)不受到影響；在級(jí)數(shù)為中等的地震下，建筑受到的損壞可通過后期維修恢復(fù)；而當(dāng)發(fā)生大地震時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)即使發(fā)生局部損壞，整體框架也能維持原狀。為了達(dá)到這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，可以分為兩個(gè)步驟開展設(shè)計(jì)工作。首先是在小地震情況下，建立建筑結(jié)構(gòu)的變化模型，結(jié)合模型對(duì)原有設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。第二階段則是對(duì)大地震情況下建筑架構(gòu)進(jìn)行分析，并采取有效的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施。
3.2抗震概念設(shè)計(jì)應(yīng)把握的重點(diǎn)問題
首先，建筑結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)水平，決定了建筑整體的建設(shè)效果。因此，要把結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)放在首要位置，確保結(jié)構(gòu)體系符合受力的規(guī)則性。將結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、延展性以及耗能情況，作為判斷體系質(zhì)量的指標(biāo)。盡量采用綜合性能優(yōu)良、各方面情況都符合要求的結(jié)構(gòu)體系，并以此為依據(jù)進(jìn)行施工方案的確定。其次，建筑結(jié)構(gòu)布置，也是不容忽視的問題。結(jié)構(gòu)布置需要遵循相關(guān)原則，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)布置的清晰明了為根本目標(biāo)，以防止各種結(jié)構(gòu)問題的出現(xiàn)，例如結(jié)構(gòu)偏心、受力構(gòu)件之間有間隔等。結(jié)構(gòu)布置出現(xiàn)問題，將會(huì)影響到結(jié)構(gòu)整體的受力均勻。通過設(shè)置科學(xué)的抗震墻間距離，以及把控結(jié)構(gòu)上下的協(xié)調(diào)性等，能夠達(dá)到提高結(jié)構(gòu)布置合理性的目的。最后，在建筑結(jié)構(gòu)中，存在關(guān)鍵的抗震部位。對(duì)這些部位進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，能夠達(dá)到優(yōu)化細(xì)節(jié)效果的目的。尤其是各種重要的結(jié)構(gòu)部件，發(fā)揮著不可或缺的作用。在實(shí)際的設(shè)計(jì)階段，積極應(yīng)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，凸顯剪力墻結(jié)構(gòu)的功能，防止彎曲現(xiàn)象的發(fā)生。并加大豎向構(gòu)件的分配規(guī)劃、地基的強(qiáng)度的管控力度。
4結(jié)論
綜上所述，房屋建筑結(jié)構(gòu)體系選型關(guān)乎著工程建設(shè)效果，為整個(gè)施工環(huán)節(jié)打下了基礎(chǔ)。如果結(jié)構(gòu)體系選型不科學(xué)，將會(huì)造成重大的負(fù)面影響。優(yōu)良的結(jié)構(gòu)體系，能夠?qū)崿F(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的提升，隨著建筑整體穩(wěn)固性的改良，建筑使用壽命也將有所延長，能夠?yàn)槠髽I(yè)帶來理想的經(jīng)濟(jì)效益。但結(jié)構(gòu)體系選型不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的工作，對(duì)設(shè)計(jì)人員的專業(yè)能力提出了要求，需要遵循各種理念和原則。相信在行業(yè)人士的共同努力下，建筑結(jié)構(gòu)抗震能力將逐步增強(qiáng)，為社會(huì)帶來更多效益。
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作者：邢海滔 單位：黑龍江省寒地建筑科學(xué)研究院