從日本地震看房屋抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘要：文章介紹了地震對(duì)于房屋建筑的影響，結(jié)合房屋建筑的抗震構(gòu)造的要求對(duì)其抗震性能進(jìn)行細(xì)致分析，并且從日本地震的角度分析房屋的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵字：房屋；抗震結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)

一、地震對(duì)房屋的影響

地震是一種對(duì)房屋建筑危害極為嚴(yán)重的自然災(zāi)害，在地震發(fā)生的過(guò)程中，地面搖晃促使地面建筑隨之顛簸搖晃，而對(duì)于一些高層建筑來(lái)說(shuō)，當(dāng)強(qiáng)大的地震波襲來(lái)時(shí)，樓體會(huì)自動(dòng)順著地震波方向搖擺，如果這些建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的抗震要求，就會(huì)在劇烈的搖晃中大面積的坍塌，造成更大的人員傷亡以及經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)房屋在歷次地震中的破壞形態(tài)歸納為以下幾類：

1.結(jié)構(gòu)倒塌。結(jié)構(gòu)倒塌是地震中高層鋼結(jié)構(gòu)房屋破壞最為嚴(yán)重的形式。其中結(jié)構(gòu)樓層屈服強(qiáng)度系數(shù)和抗側(cè)剛度沿高度分布不均勻所形成的結(jié)構(gòu)薄弱層是引發(fā)結(jié)構(gòu)坍塌最主要原因，這就要求在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該盡量做到結(jié)構(gòu)樓層屈服強(qiáng)度系數(shù)和抗側(cè)剛度沿高度的合理分布。

2.節(jié)點(diǎn)破壞。節(jié)點(diǎn)破壞是高程鋼結(jié)構(gòu)房屋在地震中發(fā)生最多的一種破壞形式。由于鋼結(jié)構(gòu)連接一般采用鉚接或者焊接形式連接，如果在節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和施工中，結(jié)構(gòu)或者焊縫存在缺陷，節(jié)點(diǎn)可能存在受力過(guò)于集中，一旦發(fā)生地震，就很容易出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)破壞。由地震引發(fā)的梁柱節(jié)點(diǎn)破壞現(xiàn)象主要表現(xiàn)為鉚接以及焊接部位斷裂、腹板斷裂或者加勁板變形等。

3.構(gòu)件破壞。高層建筑鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞的形式主要有支撐的破壞與失穩(wěn)以及梁柱局部破壞兩種。支撐的破壞與失穩(wěn)是指當(dāng)遇到強(qiáng)度較大的地震時(shí)，支撐構(gòu)件由于承受反復(fù)拉壓的作用力，一旦作用力超過(guò)支撐構(gòu)件的臨界力時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)損壞或者失穩(wěn)；而對(duì)于梁柱局部破壞來(lái)說(shuō)，框架柱主要有翼緣屈曲、翼縫撕裂甚至框架柱會(huì)出現(xiàn)水平裂縫或者斷裂?？蚣芰海饕幸砭壡?、腹板屈曲和開裂、扭轉(zhuǎn)屈曲等破壞形態(tài)。

4.基礎(chǔ)錨固破壞。鋼構(gòu)件與基礎(chǔ)的錨固破壞主要表現(xiàn)為腳處的地腳螺栓脫開、混凝土破碎導(dǎo)致錨固失效、連接板斷裂等，在地震的作用下這種破壞形式也經(jīng)常發(fā)生。

近年來(lái)，自然災(zāi)害頻發(fā)，尤其是日本宮城9.0級(jí)地震被稱為觀測(cè)史上震級(jí)最大的地震，破壞程度可想而知，但是處于震區(qū)的房屋建筑在如此強(qiáng)烈的搖晃下，卻沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重的坍塌事故，這不得不讓我們對(duì)日本人在房屋抗震的能力感到敬佩。

二、房屋抗震結(jié)構(gòu)要求

要使房屋能夠抵抗地震的作用，對(duì)其結(jié)構(gòu)也有一定的要求。房屋在抵御地震破壞時(shí)，剛度和強(qiáng)度起到了非常重要的作用，其中剛度是房屋抵抗變形能力的大，而強(qiáng)度則是抵抗破壞能力的大小。房屋面積小、質(zhì)量輕對(duì)于地震帶來(lái)的危害也相對(duì)較小，因?yàn)榉课葙|(zhì)量小，地震力也相對(duì)較小。但要注意的是房屋房屋的剛度并不是越大越好，厚實(shí)的房屋結(jié)構(gòu)，在一定程度上可以承擔(dān)更多的垂直重力荷載，但在另一方面卻帶來(lái)了更大的地震力，在同一棟房屋中，地震力的分配是與剛度相適應(yīng)的，剛度大也就意味著具有較高的地震力。因此，要格外重視房屋的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

房屋的結(jié)構(gòu)類型直接影響著高層鋼結(jié)構(gòu)房屋的抗震性能，所以在進(jìn)行實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮多種因素對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在優(yōu)化過(guò)程中確定最佳的結(jié)構(gòu)體系?，F(xiàn)階段，我國(guó)高層鋼結(jié)構(gòu)房屋的結(jié)構(gòu)體系主要可以分為框架結(jié)構(gòu)、框架支撐結(jié)構(gòu)、框架抗震墻板結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)以及巨型框架結(jié)構(gòu)等。

結(jié)構(gòu)平面的布置應(yīng)該簡(jiǎn)單、規(guī)則和對(duì)稱，確保結(jié)構(gòu)具有良好的整體性。為了避免在遭遇地震的情況下高層鋼結(jié)構(gòu)房屋由于發(fā)生扭轉(zhuǎn)和應(yīng)力集中或者塑性形變集中或者因局部削弱或者突變形成結(jié)構(gòu)薄弱部位。另外，還應(yīng)使各層剛心和質(zhì)心盡可能處于同一豎直線上，可以有效地減小扭轉(zhuǎn)作用對(duì)建筑的影響。另外，還應(yīng)該注意房屋的樓蓋應(yīng)該采用壓型鋼板現(xiàn)澆混凝土組合樓板或者非組合樓板。對(duì)于高層的鋼結(jié)構(gòu)房屋還應(yīng)該設(shè)置地下室，因?yàn)榈叵率铱梢杂行У靥岣呱喜拷ㄖY(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、增強(qiáng)其抗傾覆能力以及增加結(jié)構(gòu)下部整體性、減小沉降從而提升整個(gè)高層房屋的抗震性能。在設(shè)置地下室的基礎(chǔ)形式時(shí)應(yīng)該根據(jù)上部建筑結(jié)構(gòu)以及地下室情況、工程地質(zhì)水文條件很施工環(huán)境等因素綜合確定。

在我國(guó)房屋的結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)布置的選擇關(guān)系到整體建筑結(jié)構(gòu)的安全性、適用性以及經(jīng)濟(jì)性。和其他類型的建筑結(jié)構(gòu)一樣，高層鋼結(jié)構(gòu)房屋應(yīng)該盡量采用規(guī)則的建筑方案，當(dāng)結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜、平立面不規(guī)則時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況在適當(dāng)部位設(shè)置抗震縫，從而形成多個(gè)規(guī)則的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)單元，由于鋼結(jié)構(gòu)可耐受的結(jié)構(gòu)變形大于混凝土結(jié)構(gòu)，一般來(lái)說(shuō)不宜設(shè)抗震縫，必須設(shè)置時(shí)，應(yīng)該將建筑物分割成規(guī)則的結(jié)構(gòu)單元?？傊摻Y(jié)構(gòu)已經(jīng)普遍用于各種類型的民用建筑中，尤其是在高層房屋建筑中鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用更為廣泛。相比傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)在韌性、強(qiáng)度以及質(zhì)量上都有很好的優(yōu)越性，所以也具有很強(qiáng)的抗震性能。但是，如果高層鋼結(jié)構(gòu)房屋在設(shè)計(jì)、材料選用以及施工制作和維護(hù)上稍有不當(dāng)，則鋼結(jié)構(gòu)自身所具有的優(yōu)越性就難以發(fā)揮，在地震作用下就會(huì)造成結(jié)構(gòu)局部破壞甚至整體倒塌等災(zāi)難性后果。

三、房屋抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，抗震性能仍舊是房屋建筑領(lǐng)域的重要研究課題。在地震作用下，房屋的破壞機(jī)理和破壞過(guò)程十分復(fù)雜，所以要對(duì)房屋的抗震結(jié)構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)密的設(shè)計(jì)，盡管現(xiàn)階段普遍采用的高層鋼結(jié)構(gòu)房屋具有良好的抗震性能，但是一旦發(fā)生強(qiáng)烈地震，地震所產(chǎn)生的地震波使房屋建筑受到橫向力的作用，使得鋼筋混凝土柱子會(huì)受到剪力的作用，容易出現(xiàn)脆性破壞，也會(huì)出現(xiàn)不同程度的損害。要提高房屋的抗震性能就必須從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、材料質(zhì)量以及施工技術(shù)等方面進(jìn)行細(xì)致研究，例如在房屋抗震設(shè)計(jì)中體現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁的原則，能夠有效地避免了結(jié)構(gòu)在地震作用下支撐柱先進(jìn)入塑性區(qū)破壞導(dǎo)致整個(gè)房屋的倒塌。通過(guò)調(diào)整房屋結(jié)構(gòu)中不同部分的地震效應(yīng)或者不同構(gòu)件的內(nèi)力設(shè)計(jì)值，使房屋的整體結(jié)構(gòu)具有較大的內(nèi)力重分布和消耗地震能量的能力，減輕地震災(zāi)害帶來(lái)的破壞。

處于地震高發(fā)區(qū)日本在這方面有著非常獨(dú)特的經(jīng)驗(yàn)，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種彈性建筑，也就是利用房屋的延展性來(lái)提升其抗震性能。這種所謂的彈性建筑物是建立在隔離體上，隔離體由分層橡硬鋼板組和阻尼器組成，建筑結(jié)構(gòu)并不直接與地面接觸。這種隔離體結(jié)構(gòu)在遇到強(qiáng)烈地震時(shí)可以有效地減緩房屋上下的顛簸。在日本，一些民用建筑的墻體都是整體結(jié)構(gòu)，這些整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部是類似石棉一類的充填物，這樣一來(lái)，可以有效地減緩地震波對(duì)房屋所產(chǎn)生的破壞力。另外，一些地區(qū)的城市建筑物，地基部分普遍加上硬質(zhì)橡膠和鋼板，這也在一定程度上使建筑物本身具有了彈性，極大地提高了房屋建筑的抗震能力。

結(jié)語(yǔ)：

近年來(lái)隨著自然災(zāi)害不斷發(fā)生，尤其以地震災(zāi)害為主，使人們對(duì)房屋的抗震性能有了更高的要求。由于地震使房屋各部分發(fā)生了形變，也就是使其各部分都有地震力的作用。為了盡可能減小地震造成的人員傷亡以及經(jīng)濟(jì)損失，使得人們對(duì)于房屋的抗震性能有了更高的要求，這也就要求相關(guān)的房屋設(shè)計(jì)人員對(duì)房屋抗震結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從日本建筑的設(shè)計(jì)角度入手，參考一些先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，進(jìn)一步提升我國(guó)房屋建筑抗震結(jié)構(gòu)性能，通過(guò)制定科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案，從而確保實(shí)現(xiàn)房屋建筑的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭觀壽、高軒能.基于性能的鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論與方法[J].鋼結(jié)構(gòu)，2007

[2]豐定國(guó)、王杜良.建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)原理[M].武漢工業(yè)大學(xué)出版社，2006

[3]樊長(zhǎng)林、武寅剛.多層鋼結(jié)構(gòu)住宅抗震設(shè)計(jì)[J]. 太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006

[4]曹金鳳、宋恩強(qiáng).談高層鋼結(jié)構(gòu)房屋抗震設(shè)計(jì)[J].西部探礦工程，2004

[5]劉寶英. 談高層鋼結(jié)構(gòu)房屋抗震設(shè)計(jì)[J].中華民居，2010