探讨房屋建筑结构设计体系选型及抗震设计

2020-09-14 12:24:19 中国房地产业·上旬 2020年9期

【摘要】本文从房屋建筑结构抗震设计原则及要求、设计体系选型、具体设计内容等方面,探究了堂屋建筑结构设计体系的选型及抗震设计。从理论基础和工程实践等方面对现有技术做出了总结,对我国未来房屋建筑结构设计体系选型和抗震设计做出了展望。

【关键词】房屋建筑;结构设计;体系选型;抗震设计

我国幅员辽阔,自然灾害多发,保障人民群众的基本生命、财产安全成为最基本、最迫切、最长期的攻坚任务。因此,我国的房屋建筑中必须充分考虑其抗震设计,从结构设计体系选型之初便应该充分选择能够提升建筑结构强度、保证房屋质量的设计。因此,本文就房屋建筑结构设计体系选型及抗震设计方面进行粗浅探讨,以期为本领域设计建造理论添砖加瓦,从而进一步保障我国人民群众的生命、财产安全,维护国家长治久安。同时,在满足抗风、抗震、抗洪等一切自然灾害的同时,还应满足国家对于居住建筑的使用时间规定,除考虑结构稳固性和耐久性以外,还必须满足居住者的舒适性要求。

1、房屋建筑结构抗震原则及要求

1.1房屋建筑结构抗震设计原则

(1)保证房屋建筑结构完整性

建筑结构的完整性体现在建筑能够具有较为优秀的承载力、延展性、稳定性,在建筑的全生命周期的设计阶段强调强柱弱梁、强剪弱弯等基本原则。根据文献资料和实际项目情况,预估危害房屋建筑结构稳定性的易失稳区域,提前在设计阶段进行早期预防,比如使用较为坚固的物料、多层加固等方法。

(2)抗震防线合理性

对于地震高发区,或历史上发生过大震的地理分区,在进行房屋建筑结构设计的时候必须增设抗震防线,如增设延性框架、剪力墙所构成的框剪结构,其稳定性较一般结构更加稳定,且对于地震频发的地区,针对余震可进行更多层地震防线布设的措施增加结构稳定性,降低经济财产损失及人员伤亡。

(3)系统研判筑结构构件之间的耦合关系

分析其强度,区分其强弱水平,对针对地震波的主要耗能构件受地震波影响发生形变后,次要抗震构件可以保证建筑结构稳定性,并能展现出一定弹性。

1.2房屋建筑结构抗震设计要求

(1) 水平荷载

通常来说,水平荷载承受度对建筑物抗震、防风能力起到关键决定性作用。

根据大量文献分析结果,结合工程实践,弯矩、轴力设计参数是与建筑楼层高度相关。对于高层建筑,经过实践和模拟验证,可认为具有相对稳定的高度荷载,相较于竖向荷载,水平荷载的影响相对较低。在对风荷载进行地震参数模拟时发现,两者之间往往出现一定的变化关系。

(2) 侧向位移。

侧向位移在建筑的稳定性中起到关键性作用,在建筑结构设计过程中,必须保证其处于安全数值。理由如下:结合水平荷载的影响,随着建筑层数的升高,侧向位移的数值与之呈现正相关性。因此,对于高层、超高层建筑,必须严格控制其侧向位移参数。

(3)轴向变形

轴向变形来源于竖向荷载过大,由于外部不稳定因素,竖向荷载超过房梁受力极限,往往伴随房梁的轴向变形,长时间的轴向变形会影响连续梁弯矩数值,从而进一步影响连续梁中部支座处的负弯矩数值,使之持续降低。对于高层建筑,竖向荷载量趋于稳定,但如果竖向荷载持续超出房梁受力极限,加之遭遇地震影响,竖向荷载在短时间内急剧增加,则很难保证房屋的稳定性,建筑构件将无法保持稳固,建筑物很有可能被地震摧毁。

2、房屋建筑结构抗震设计体系选型

2.1选型影响因子

对于房屋建筑结构抗震设计体系选型,首先应该确定其选型影响因子,具体分为周边环境影响、建筑功能需求、结构材料特性三点,具体如下:

(1)周边环境

在进行建筑结构抗震设计之前,设计师必须仔细研判基地周边环境。房屋结构与大地直接相接,因此设计师对周边地质条件应有一定认识,包括浅层的地质参数及周边地形地貌,分别对应建筑结构设计中的稳定性和建筑风貌设计。

(2)建筑功能需求

随着人民生活水平的提高,城市居民对建筑的审美要求也提升到了一个新的层次,以往只注重建筑实用性的设计思路已经跟不上时代。根据建筑的不同使用功能,可对建筑内部空间布局做更为细致的划分,在进行建筑结构体系选型的过程中,应考虑从建筑内部空间功能出发,多样化选型。

(3)建筑材料特性

建筑结构的设计依托于建筑结构材料,因此在房屋建筑结构抗震设计体系选型的过程中,应合理考量建筑材料的特性,充分发挥不同建筑材料的物理特性,结合材料工程,既考虑新材料的优势,又以审慎的态度为结构安全负责,从多方面为建筑结构设计提供新思路。

2.2设计体系分析

(1)竖向承重结构

竖向承重结构一般适用于中、低层,抗裂能级低的建筑中,其对建筑材料的强度、刚度要求较高,承重点较低,需加强建设工程中竖向结构的承重能力控制。竖向承重结构不适用于高层建筑。

(2)水平承重结构

水平承重结构一般适用于高层建筑中,由水平结构强化建筑的重力承载力,具体类型包括:无梁楼盖结构、平板体系和密肋楼盖结构等。

(3)下部结构(基础结构)

下部结构(基础结构)是目前建筑工程,特别是高层建筑施工中作为关键的部分,合理的下部结构的选型是上部结构以及造型得以实施的保障,是整个房屋建筑建设安全以及建筑经济效益的前提。因此,对于下部结构的选型应合理分类,具体处理:

①交叉梁基础结构(十字交叉基础结构):交叉梁基础结构适用于地基软弱、柱网荷载不均、需具有空间刚度调整不均匀沉降的案例,一般适用于层数不多的框架剪力墙结构或框架中,计算相对复杂,具体指在柱网的双向布置并于柱位处相交的柱下交叉条形基础。

②柱下独立基础结构:柱下独立基础结构是指为单个柱子设置且不与其他基础联系的钢筋混凝土基础,此类结构适用于层数不高且地基土质较好的建设项目中,一般適用于框架结构中。特殊地,对于岩石地基,需要使用地锚以稳固建筑基础。

③片筏基础结构(筏形基础结构):片筏基础结构分为平板式和肋梁式,是一种适用于土质条件比较差(承载力较差)的地基上,为了增加地基土承载力,减小基地压力,提升基础整体性,将墙或柱下基础相连形成一整块版,将建筑物较高的上部荷载负担在此板上的一种满堂式板式基础。这种基础也可以调整不均匀沉降。但此类基础由于基础刚度较差,设计环节需做好裂缝、地下水位、基础沉降变形量的勘察和验算工作,计算筏形基础结构抗浮能力。特殊地,对于富藏地下水的地区,地表浅处持力层厚度较大,承载力较好,为降低成本,减少工期,往往使用片筏基础。

3、房屋建筑结构抗震设计内容

3.1抗震设计要求

对于建筑抗震设计的要求要从建筑构件承载力和结构变形时是否能够满足弹性设计要求的角度进行。根据现有文献、建设项目实践积累、模拟计算和实际地震检验,主轴方向的振动是相似的,因此,通过建筑结构设计和建筑材料选择,控制结构周期、振型和位移是满足抗震设计的要点。根据相关规范要求,应从实际出发,对楼层剪力与质量系数严格选取,使建筑指标特别是建筑高度严格对应相应建筑结构,从选型上符合抗震规范。

3.2房屋建筑结构抗震设计的原则

房屋建筑结构抗震设计首先应对建筑侧拉力进行考量,从建筑整体布局和结构出发,保证建筑结构稳定性,防止建筑失稳坍塌。房屋建筑结构抗震设计还应遵循整体合理性原则。随着人民生活水平的提高,仅仅满足建筑结构要求已经无法满足城市居民对住房的需要,在结构设计环节应统筹考虑建筑空间的合理性,不能舍本逐末,设计出不舒适的建筑空间。这就要求设计师拥有较高的学术素养,了解建筑设计和结构设计两个学科的知识并融会贯通。

3.3抗震设计步骤

抗震设计除了考虑建筑结构方面,首先更应了解地震的加速度特点、地震力参数、地震荷载等数据的变化曲线,最后参照具体核算结果和结构自重,确保建筑结构的稳定。其次应从整体刚度、墙体布置、建筑层数、抗震加固四个方面对建筑结构进行处理。

钢筋混凝土结构具有较好的整体刚度,对地震的防护能力较好,可设置构造柱和构造钢筋以进一步提升结构稳定性。

多层砖混结构建筑在抗震设计方面则应更多的考虑将建筑内部横墙、纵墙共同布置为承重墙,同时使用钢筋混凝土加固易损部位,如在横纵交接处设置构造柱。

随着建筑技术的发展,许多城市热衷于建造高层、超高层建筑,目前国家以对类似行为做出了规范,限制超高层建筑的建设。这是由于随着建筑层数的增加,其稳定性逐步降低,抗震难度直线增加,受地震影响也比普通建筑大得多,建筑倒塌后的影响也更大。因此对建筑层数做出限制,建立审批制度是对建筑抗震的制度保障。

目前较为成熟和普遍使用的抗震加固方式为结构阻尼,在满足企业控制成本的要求下,尽量在关键部位增加结构阻尼的设置数量,能够最大限度的增加建筑结构整体阻尼,降低各个方向下的地震波影响,从而在地震情况下保证建筑的整体完整性。

结语:

目前建筑结构的稳定性越来越受到国家的关注,“豆腐渣工程”已淡出人们的视线,并且高强度环保材料的推陈出新,为未来建筑构造技术的革新积累着基础技术。设计师在现有材料、技术规范的指导下,应统筹好业主和社会间的关系,既为业主负责考虑经济效益做足空间,也担负起设计师的社会责任,在设计师负责制的社会背景下做好房屋建筑结构设计,从选型开始,做好建筑全生命周期的抗震设计工作。

参考文献:

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作者简介:

邓超(1981-),男,高级工程師,硕士,湖南宁乡人,主要从事建筑设计工作。