車海奕

摘要：建筑結(jié)構(gòu)體系選型及施工和震害累積等方面因素也是導(dǎo)致震害發(fā)生的重要原因，良好的選型和進(jìn)行抗震概念設(shè)計(jì)對于抵抗和防止地震危害具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)、抗震概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)選型的原則

一、建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)

概念設(shè)計(jì)（ConceptualDesign）屬初步設(shè)計(jì)階段。國內(nèi)外歷次大地震及風(fēng)災(zāi)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)使人們越來越認(rèn)識到建筑物概念設(shè)計(jì)階段中結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的重要性，尤其是結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)對結(jié)構(gòu)的抗震性能將起到?jīng)Q定性的作用。

1.1 結(jié)構(gòu)的規(guī)則性

簡單的平、立面圖形是方形或圓形的，而復(fù)雜的圖形是有凹角的，容易造成有應(yīng)力集中或變形集中的薄弱環(huán)節(jié)?？拐鹪O(shè)計(jì)能做到平、立面簡單當(dāng)然是較理想的，但實(shí)際工作中，建筑的平、立面出現(xiàn)凹角是經(jīng)常的，比較現(xiàn)實(shí)的做法是要求建筑體型規(guī)則一些，規(guī)則的意思是有一定的對抗震有利的要求，也允許帶有一定限度區(qū)的復(fù)雜性質(zhì)。區(qū)分規(guī)則與不規(guī)則的界限很難劃定。我國的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程給出了一些劃分原則：

1）豎向規(guī)則指沿建筑物豎向的建筑造型和結(jié)構(gòu)布置比較均勻，剛度、承載力和傳力途徑?jīng)]有太大變化，從而可以限制結(jié)構(gòu)在某一層或極少數(shù)幾層出現(xiàn)敏感的薄弱部位。這些部位一旦出現(xiàn)，將產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中或過大的變形，從而容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過早的坍塌。

2）平面規(guī)則指建筑平面比較規(guī)則，平面內(nèi)結(jié)構(gòu)布置比較均勻，使建筑物的分布質(zhì)量和地震慣性力能以比較短和直接的途徑進(jìn)行傳遞，并使質(zhì)量分布和結(jié)構(gòu)剛度協(xié)調(diào)，以限制質(zhì)量和剛度間的偏心。平面規(guī)則，布置均勻有利于防止薄弱的子結(jié)構(gòu)過早破壞、倒塌，能使地震作用在各個(gè)子結(jié)構(gòu)間重分布，增加結(jié)構(gòu)的贅余度數(shù)量，發(fā)揮整個(gè)結(jié)構(gòu)耗散地震能量的作用。

3）設(shè)計(jì)時(shí)可在以下幾個(gè)方面進(jìn)行處理：盡可能滿足建筑豎向均勻性。均勻性問題存在于建筑的豎向布置中，無論是幾何圖形還是樓層剛度變化，其規(guī)則勻稱應(yīng)該是立面設(shè)計(jì)中優(yōu)先考慮的。布置不均勻的結(jié)果產(chǎn)生了剛度、強(qiáng)度的突變，引起豎向的應(yīng)力集中或變形集中，以致在中小型地震中損壞，在大震時(shí)倒塌。但是，要使結(jié)構(gòu)做到完全均勻性，在實(shí)際設(shè)計(jì)中也有一定的困難。均勻性問題表現(xiàn)如下：其一，豎向收進(jìn)問題。豎向收進(jìn)是常見的建筑處理方式，結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的問題是在凹角處應(yīng)力集中。由于房屋的不同部分其振動特征不同，所以在收進(jìn)處的橫隔（樓蓋或屋面板）產(chǎn)生應(yīng)力突變，為此，在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，可考慮幾種處理方法：限制收進(jìn)尺寸；當(dāng)設(shè)置防震縫有利時(shí)，可設(shè)縫把復(fù)雜的體型劃分成若干簡單、規(guī)則的獨(dú)立單元，分割后的建筑體型應(yīng)是均衡的，不致過分細(xì)高；不設(shè)縫時(shí)應(yīng)進(jìn)行較細(xì)致的空間動力分析；對剛度突變的構(gòu)件采取加強(qiáng)措施。其二，柔性層框架。建筑上往往因底層需要開敞或任意層需要大的空間，使結(jié)構(gòu)處于上下不連續(xù)狀況，產(chǎn)生豎向剛度突變，特別是柔性底層建筑，在歷次大地震中，震害都很普遍，甚至完全倒塌。分析研究表明，這類構(gòu)件的應(yīng)力和變形集中是非常嚴(yán)重的，所以在抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)力求避免，底層應(yīng)盡可能配置具有相當(dāng)強(qiáng)韌性的構(gòu)件以承受大的側(cè)移。其三，同一層間的柱子剛度不同。建筑上由于空間需要或由于藝術(shù)構(gòu)思，使得同一層間柱子的剛度差異較大，通常在剛性較大的柱子上產(chǎn)生較大的內(nèi)力。為此設(shè)計(jì)時(shí)宜從抗震的角度重新安排結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，以使剛度盡量均衡。

1.2 結(jié)構(gòu)的剛度和延性

在地震作用下，一味地追求結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度并不可取，結(jié)構(gòu)的延性是非常重要的，結(jié)構(gòu)主要靠延性來抵抗較大地震作用下的非彈性變形。結(jié)構(gòu)水平方向的剛度應(yīng)能使結(jié)構(gòu)抵抗任何方向的水平地震作用，并有助于減少結(jié)構(gòu)的變形。結(jié)構(gòu)還應(yīng)具有足夠的抗扭剛度和抵抗扭轉(zhuǎn)振動的能力。由于現(xiàn)有的抗震設(shè)計(jì)計(jì)算不考慮地震地面運(yùn)動的扭轉(zhuǎn)分量，所以在概念設(shè)計(jì)中還應(yīng)注意提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度和抵抗扭轉(zhuǎn)振動的能力。結(jié)構(gòu)的延性是指結(jié)構(gòu)吸收地震能量后的變形能力。延性好的結(jié)構(gòu)能吸收較多的地震能量，能經(jīng)受住較大的變形。增加結(jié)構(gòu)的延性，能削弱地震反應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)抵抗地震的能力。結(jié)構(gòu)對延性的需求與地震力降低系數(shù)是相適應(yīng)的。地震力降低系數(shù)的大小決定了設(shè)計(jì)地震力取值的大小，從而決定了對延性要求的大小。用于承載力設(shè)計(jì)的地震作用可以取到小震水平，當(dāng)更大的地震來臨時(shí)，則靠結(jié)構(gòu)的延性去抵抗。所以，我們并不采用設(shè)防烈度地震作用力來進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載力設(shè)計(jì)，而需要把設(shè)防烈度地震力降低一個(gè)系數(shù)，稱為地震力降低系數(shù)。

地震力降低系數(shù)對設(shè)防烈度地震作用的整體降低實(shí)際上決定了結(jié)構(gòu)的屈服水準(zhǔn)和對結(jié)構(gòu)延性需求的大小。地震力降低系數(shù)取得越大，設(shè)計(jì)地震作用就取得越?。坏卣鹆档拖禂?shù)取得越小，設(shè)計(jì)地震作用就取得越大。在同一個(gè)設(shè)防烈度下，地震力降低系數(shù)取為中等，地震作用也為中等，因而對延性提出的要求也為中等。這樣，地震力降低系數(shù)的大小實(shí)際上就決定了設(shè)計(jì)地震力取值的大小，從而決定了對延性要求的大小。

二、 建筑結(jié)構(gòu)選型的原則

2.1影響建筑結(jié)構(gòu)選型的因素

作為單體的建筑物具有統(tǒng)計(jì)性差、影響因素多的特點(diǎn)，并且其各因素間的相互作用較大，具體表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)方案上不僅僅取決于力學(xué)分析，而是應(yīng)該從環(huán)境、經(jīng)濟(jì)以及安全使用等因素進(jìn)行綜合考慮，因此該種綜合決策十分復(fù)雜，在選型過程中應(yīng)分清因素的主次，同時(shí)應(yīng)考慮到這些因素具有層次性和耦連性以及各因素對選型的影響具有一定的模糊性等，一般在建筑選型過程中除了對建筑美學(xué)考慮外其他方面主要應(yīng)考慮：環(huán)境條件指場地條件、風(fēng)壓、設(shè)防烈度等；方案特征、指建筑高度、高寬比、長寬比以及建筑的平面和立面體型等。

2.2結(jié)構(gòu)選型的原則

安全性。各類建筑結(jié)構(gòu)選型及平面、豎向布置應(yīng)符合規(guī)范要求，不可出現(xiàn)嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)單元，對于體型復(fù)雜結(jié)構(gòu)不規(guī)則的建筑應(yīng)通過調(diào)整建筑方案或設(shè)防震縫等形式以滿足規(guī)范要求；各種結(jié)構(gòu)建筑高低能反映出其承載能力及抗風(fēng)抗震能力，因此各種結(jié)構(gòu)選型應(yīng)在最大適用高度范圍內(nèi)選擇；通用建筑材料木材的腐爛和蟲蛀、鋼結(jié)構(gòu)的銹蝕、砌體材料的風(fēng)化等都可能對結(jié)構(gòu)安全造成威脅，因此對各類建筑應(yīng)根據(jù)其材質(zhì)來充分考慮其有足夠的耐久性以滿足結(jié)構(gòu)安全。

先進(jìn)性。建筑物的先進(jìn)性主要是指在結(jié)構(gòu)體系中應(yīng)盡量推廣成熟的新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)、新材料新工藝，以利于加快建設(shè)速度，推動建筑行業(yè)工業(yè)化、現(xiàn)代化并確保工程質(zhì)量，因各種結(jié)構(gòu)均有其適用范圍，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型時(shí)應(yīng)根據(jù)其功能來決定結(jié)構(gòu)類型。

2.3結(jié)構(gòu)體系選擇

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系。該種結(jié)構(gòu)形式可以合理利用鋼筋及混凝土兩種材料的受力性能特點(diǎn)，并方便就地取材、工程造價(jià)較低、耐火性及耐久性較好、結(jié)構(gòu)造型靈活、整體性能好等優(yōu)點(diǎn)，但其也具有自重大，構(gòu)件截面大、抗裂性能差以及修復(fù)及不強(qiáng)等。施工難度大等。

鋼結(jié)構(gòu)體系。其具有構(gòu)件截面小、自重輕、抗震性能好和建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn)，但其材料較昂貴、且易于腐蝕、防火性較差以及施工技術(shù)復(fù)雜等，鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系主要有框架、框架-支撐、筒體以及懸掛體系等多種形式。

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系。其主要包括型鋼混凝土結(jié)構(gòu)和鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)是指混凝土內(nèi)含型鋼的勁性配筋混凝土結(jié)構(gòu)體系，其具有承載力高，抗裂性及抗震性較好等優(yōu)點(diǎn)；鋼管混凝土是指在鋼管內(nèi)填充混凝土而形成的構(gòu)件，其利用鋼和混凝土兩種材料相互作用，該種結(jié)構(gòu)在三向受壓狀態(tài)下使混凝土性質(zhì)得到極大改善，并使其承載力較鋼筋混凝土有較大幅度提高，同時(shí)其截面尺寸小塑性和韌性好，能提高其抗震性能等系列優(yōu)點(diǎn)。

三、結(jié)語

文章詳細(xì)分析了高層建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)，并就建筑結(jié)構(gòu)選型的思路原則進(jìn)行了探討。通過分析研究，可為同行工程設(shè)計(jì)人員參考、借鑒，從而完善高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。