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摘要:随着科学技术的进步,结构工程设计也不断向前推进,其中结构抗震设计以来一直都是结构工程设计的核心内容之一。虽然对目前的结构设计而言,市场上可选择的计算模拟软件多种多样,但对于建筑结构抗震概念设计和抗震措施等方面的理解和应用才是结构设计的灵魂,才能体现结构设计的水平高低,才能判断软件计算结果合理与否。
关键词:建筑结构设计;抗震设计;概念设计,抗震措施
1 房屋结构抗震性设计原则
1.1 简化原则
结合以往的设计经验得知,在抗震设计过程中,所设计的结构形式越简单,传力越清晰明了,其抗震性能也越高,而且在进行力学性能计算时,其计算结果的可靠性和准确性也越高。对此,在结构设计中,可以结合实际情况适当简化房屋抗震结构计算模型,优化结构构件的传力途径,这样能够有效提升房屋建筑对建筑地震作用力的承受能力,全面提高房屋建筑在结构设计中的抗震性能。
1.2 整体性原则
第一,建筑结构中,楼盖对于结构的整体性起到非常重要的作用。楼盖相当于水平隔板,它不仅聚集和传递惯性力到各个竖向抗侧力子结构,而且要使这些子结构能协同承受地震作用,特别是当竖向抗侧力子结构布置不均匀或布置复杂或各抗侧力子结构水平变形特征不同时,整个结构就要依靠楼盖使各抗侧力子结构能协同工作。楼盖体系最重要的作用是提供足够的面内刚度和抗力,并与竖向各子结构有效连接,当结构空旷、平面狭长或平面凹凸不规则或楼盖开大洞口时,更应特别注意。设计中不能误认为,在多遇地震作用计算中考虑了楼板平面内弹性变形影响后,就可削弱楼盖体系。第二,建筑基础的整体性以及基础与上部结构的可靠连接是结构整体性的重要保证。
2 抗震设计在建筑结构体系中的具体应用
2.1 钢筋混凝土结构抗震设计
剪力墙结构采用钢筋混凝土墙作为主要承重构件,能承受各种荷载引起的结构内力,有效地承受结构的水平力,不产生较大的水平位移。剪力墙结构广泛应用于高层建筑中,这种结构体系的抗震性能相对较好。框架剪力墙结构是震区高层建筑的常用结构体系,其主要由剪力墙承受水平荷载,抗震性能比纯框架结构要好。在框架结构中设置足够数量的剪力墙,具有较大的水平荷载承载能力和抗侧移刚度。同时形成比较大的空间,满足建筑不同功能的要求。框架结构是指梁与柱通过刚性或铰接连接形成的建筑结构体系,即梁与柱形成框架,共同承受使用中的水平载荷和垂直载荷。框架结构的墙体不承重,只有隔离的功能,一般材料有加气混凝土砌块、空心或多孔砖、膨胀珍珠岩、蛭石、陶瓷墙板等。对地震破坏的调查表明,大多数框架结构房屋主要原因是柱端出现塑性铰接、柱端剪切破坏和节点区域破坏。筒体结构是由框架剪力墙结构和纯剪力墙结构发展而来的。一般分为筒中筒、成束筒、框架-核心筒结构。筒体结构是在建筑物内部或周边,集中布置剪力墙或密集框架柱,形成一个或多个空间相对封闭的筒体。它的特征是剪力墙集中分布,使建筑物拥有相对较大的空间,主要用于办公建筑。在水平荷载作用下,水平力主要由一个或多个筒体承担。筒体结构拥有很大的抗侧移刚度和承受较大水平荷载的能力。
2.2 钢结构抗震设计
钢结构建筑的优点是重量轻,承载能力高,结构构件标准化程度高,钢结构建筑的主要承重构件由钢板和型钢构成,材质均匀,各向同性好,结构可靠性高。钢结构的材料属理想弹性体,符合工程力学的基本假定,可在抗震设计中充分发挥钢结构的材料塑性、弹性好的特点,允许有适度的变形,能很好地承受动力荷载,在罕遇地震作用下保持结构体系的稳定,避免倒塌。高精度的加工制作工艺可以做到等强连接,实现强连接弱杆件的抗震设计原则,大大提高建筑物的抗震和承载能力。钢结构在我国得到越来越广泛的应用,特别是在大型公共建筑和基础设施中。其中最重要的是机场车站、体育场馆、高层建筑等。钢壳体结构近年也得到应用,具有很好的空间传力性能,能以较小的构件厚度形成承载能力高、刚度大的承重结构,能覆盖或围护大尺度的空间而不需要中间支撑,兼顾到承重结构和围护结构的双重作用,同时也有较好的抗震性能。
2.3 组合结构抗震设计
这里所提到的组合结构主要指的是由型钢、钢筋混凝土组合浇筑成整体的结构,也称为钢骨混凝土结构或劲性钢筋混凝土结构,以组合构件作为主要承载结构体系。
其中主要构件为由型钢(或焊接钢构件)-钢筋混凝土构成的梁、柱、墙等组合构件。型钢-钢筋混凝土组合结构综合了钢结构和钢筋混凝土结构的优点,并且各自克服了钢材和混凝土在抗震体系中的缺点:混凝土结构自重大、钢材在受到水平荷载时容易发生屈曲。型钢-钢筋混凝土组合结构具有高的承载能力以及有效地减轻结构的质量。当前在各种高耸的建筑物中,钢混组合结构都得到了广泛的应用,其中钢管混凝土结构目前应用的最为广泛,钢管对混凝土的约束,使混凝土处于三向受压的状态,提高了混凝土的抗压强度,因此,这种组合结构拥有非常高的强度,来抵抗地震作用。型钢-钢筋混凝土结构具有良好的抗震性能以及延性,能满足在不同条件下的抗震设计。
3 建筑结构设计中遇到的主要问题
3.1 不区分情况界定成多塔楼结构
建筑结构的主要特点是,在多个多、高层建筑的底部有一个连成整体的大裙房,形成大底盘;当1幢高层建筑的底部设有较大面积的裙房时,为带底盘的单塔结构,这种结构是多塔楼结构的一个特殊情况。对于多个塔楼仅通过地下室连为一体,地上无裙房或有局部小裙房但不连为一体的情况,一般不属大底盘多塔楼结构。
3.2 不注意筒体结构的受力特性
筒中筒结构由密柱、裙梁组成的框筒结构一般位于建筑物的外轮廓,当使用功能允许时亦可布置在建筑物内部,在侧向力作用下,其力学性能依其立面的开孔率的不同而类似于实体的筒体,即与侧向力(或其分量)作用方向平行的结构部件作为腹板参加工作,而与侧向力(或其分量)作用方向垂直的结构部件作为翼缘也参加工作,因而具有其空间工作的性能。在腹板部件与翼缘部件中,通过裙梁的剪切变形传给密柱的轴向力呈非线性分布,这与理想筒体在侧向力作用下的拉、压应力线性分布有不同,称为框筒结构的剪切滞后,其剪切滞后的状况与建筑物的高度、柱与裙梁的相对刚度比、高宽比等有关,框筒结构的剪切滞后状况表明其发挥整体结构抵抗侧向力作用的能力强弱。实际上,在侧向力作用下的实体筒体的拉、压应力分布也同样存在着剪切滞后,而不同于理想筒体的线性分布。
3.3 楼(屋)盖结构选型不根据建筑使用功能
第一,楼盖形式常用的有梁板组成的肋形楼盖和无梁楼盖。常用肋形楼盖的板有:现浇梁式单向板、现浇双向板、现浇单向密肋板和双向密肋板;后张无粘结预应力现浇单、双向板;预制预应力混凝土薄板叠合楼板;预制圆孔板无梁楼盖有:现浇无梁平板;带平托板(柱帽)的无梁楼板等。还有预应力现浇圆孔板(适用于大跨度楼板)等。第二,不同使用功能的建筑,楼盖结构选型应考虑其适用性。例如,住宅、公寓、旅馆等建筑,居室、客厅多数不设吊顶,常采用现浇单向板、现浇双向板、预制预应力混凝土薄板叠合楼板、预制圆孔板等,不宜采用后张无粘结预应力现浇板及预应力现浇圆孔板,因为此类房屋竖向管道和管井在安装过程中及改造中位置经常有变化,预应力现浇板易造成难以处理;办公楼,商业用房通常有吊顶,楼盖可采用单向次梁或双向井字、双向十字次梁,有利于减小板厚和结构自重;大柱距商场宜采用无梁楼盖,有利于空间效果及减小层高;地下室或地下汽车库宜采用无梁楼盖,尤其是地下停车库采用无梁楼盖,可降低层高,减小埋深,减少施工护坡和土方,缩短工期,减少外墙防水面积,有明显的综合经济效益。
4 结束语
在建筑结构设计过程中,抗震设计属于重要的设计内容之一,借助可靠的抗震设计,能够有效提升建筑结构的稳固性,降低地震发生时出现坍塌的概率。需要注意的是,所有的抗震设计内容需要严格遵守相应的建设规范,同时做好结构细节的设计工作,以此来提高建筑工程的综合性能,延长使用寿命。
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