房屋結構設計中的抗震技術分析

高炳鵬

(同濟大學結構工程與防災研究所，上海 200092)

結構抗震設計是房屋設計中的關鍵內容，如果設計不當將會嚴重影響房屋的安全、質量和使用壽命。作為地震頻發的國家，我國每年有大量的房屋因為地震而坍塌，給人民生命財產和安全造成了極大的損失。所以，在房屋結構設計中必須考慮抗震技術的應用，在各個環節體現出來，涵蓋梁、柱、墻體和地基等，房屋整體抗震質量提升了，承受能力才會增強，人民才能更安全放心地居住。

1 房屋結構設計中應用抗震技術的必要性

作為當今世界主要自然災害之一，地震以其破壞力大、不可預測而給很多房屋建筑工程結構帶來嚴重的破壞。國家的抗震規范中對建筑物的要求為:“小震不壞、中震可修、大震不倒。”即在小震下地震不能破壞建筑、中震時建筑可以維護加固、大震時建筑不倒。根據這個標準，我國在建筑物建設時不斷探索和實踐，取得了較大的進步，地震時因為建筑物不牢固而造成的人員傷亡也在不斷下降。盡管在控制人員傷亡方面有進步，反映了人們進行房屋結構設計以生命安全為主要目標的原則，但是很多房屋建筑在經歷小震后建筑物會出現很大的損壞，很多原有的建筑物功能也不能再發揮作用。在當今社會條件下，很多房屋建筑內的技術配備和裝修花費比建筑物本身的價值要多得多，因此地震帶來的損失還是比較嚴重的。在這樣的背景下，進一步優化房屋抗震設計，在避免人員傷亡的同時保護房屋建筑功能已經成為一個亟待解決的課題，也是建筑設計單位必須考慮的問題。

2 抗震設計在房屋建筑結構設計中的應用

作為房屋建筑施工中的最關鍵的地方，房屋結構設計合理才能保證房屋的安全系數，才能提高整個工程質量。大多房屋在設計時都遵循“經濟、實用和安全”的原則，而抗震設計同樣也是以這條原則為基礎，結合地震本身的瞬時破壞和不確定性的特點，探討了保證安全和應對自然災害的設計思路。

2.1 房屋整體平面和豎向布局設計

在房屋結構設計中，一項最基礎的內容就是對構件的豎向和平面進行合理布置，因為墻、柱的平面位置會很大程度的影響其抗震性能。因此在設計中，為了增強房屋結構的抗震功能要遵循以下原則:豎向和平面構件簡潔整齊，剛度中心和質量中心重合。在豎向設計中，要杜絕頭重腳輕的現象出現，即盡量使房屋的中心降低，另外要減少錯落的豎向結構這種方式的設計。嚴格控制房屋結構豎向高強度和剛度，保障其均勻性。另外為了避免鞭梢效應的出現，高出屋面的建筑部分要嚴格控制。總而言之各方面的設計均要考慮抗震性能，避免不規則的設計方案，如果因為建筑物的特殊要求而不得不進行嚴重不規則的設計時，一定要做好補救措施，即設置抗震縫，對建筑物進行劃分，使其形成一個個獨立個體，這樣才能達到要求。在保證房屋造型優美和滿足使用的同時，兼顧抗震能力是現代建筑的主要設計原則。

2.2 提高房屋結構的抗震能力設計

提高抗震能力需要綜合分析，考慮地基、抗防線、材料重量、空間等各種因素，具體可以按照以下幾點來設計:1)地基要打結實。地基是所有建筑物防震最根本的部分，必須保持其穩定性，因此要使用抗震能力較強的地基，不能使地基變形。并且同一房屋的結構單元的地基性質要一致，整體設計要充分發揮地基的抗震作用。2)房屋結構設計要均勻、對稱，使得承受力能夠均勻分布，借助結構對稱來降低地震的影響力，防止受力集中而引發的部分扭曲坍塌現象的出現。整體結構的設計中，要采取多重保護措施來增加抗震能力，對于容易發生坍塌的薄弱環節要針對性地采取牢固措施，從而減少危險因素，防止安全事故的發生。3)在進行房屋設計時，在保證建筑物牢固性的基礎上，要盡可能地減少自身的重量，從而減輕地基的壓力，這樣一旦發生地震，能夠有效緩解地震對建筑物的沖擊力度。延長屋內人員的逃生時間，同時也能對普通級別的地震起到很好的抵抗效果。4)在設計的時候要注意各個環節不同平面上的連接，使其成為一個整體，空間結構相對統一。另外建筑的豎向結構的剛度必須要滿足能夠支撐整個建筑重力。

2.3 降低地震對房屋結構的破壞作用設計

在降低地震對房屋結構的破壞作用方面，使用最廣泛的就是隔震層。隔震層被安裝在房屋的主體和基礎部分連接的地方，有的設計師會添加一個反擺在建筑物的頂部，反擺的作用是在地震發生時偏移房屋至反方向。在反擺設置合理的情況下，能夠大幅度削弱地震的破壞作用。因為反擺在地震發生時，會產生阻尼運動，針對地震方向的加速度會產生一個相反的加速度，兩兩抵消從而使地震方向的加速度變小，最大限度的降低地震引發的房屋受損程度。目前這種方式的應用還不成熟，但是已經應用在建筑抗震方面的效果是十分明顯的。

2.4 房屋結構剛度設計

建筑物剛度的合理設計是房屋結構設計中的關鍵內容，所以選材的時候必須考慮鋼筋混凝土型號。特別要注意的是在使用“鋼結構”進行雙層加固時，要明確已有的鋼筋混凝土的剛度，保證上下兩層的剛度和阻尼比相同，如果不相同則會埋下安全隱患，必須杜絕這種情況的出現。假設鋼筋混凝土作為整個房屋結構抗側力的主要體系，屋蓋的部分則采用鋼結構，就必須要按照相關的規定對抗震進行設計。特別注意的是不能使房屋結構剛度過大，否則地震發生時，房屋結構將會承受太多的力，引發嚴重的后果。另外這樣也會浪費很多建筑材料。如果地震剛度不足的，房屋結構會特別容易變形，這樣嚴重影響到建筑的本身的結構強度以及日常生活中的正常使用功能。

3 抗震技術在房屋結構設計中的創新

在上文中，我們提到兩項新的技術:隔震技術和消能減震技術。這兩項技術目前在國外正在嘗試使用，但是在國內建筑物中的應用還比較小，這也是本文在房屋結構設計中的創新之處，具體應用在房屋建筑工程中，將會大大降低地震對建筑物造成的損壞。下面針對這兩項新技術的具體應用，做進一步的闡述。

3.1 隔震技術

隔震技術的主要工作原理是使房屋結構的自振周期增長，從而減弱地震發生時輸入上半部分的作用。因此建筑施工人員在施工時必須采用先進的建筑施工設備，根據圖紙規范操作，熟練的應用架設和鋪設技術。建設過程中，要將底部和上層分割進行，鋪設隔震裝置時，要保證其穩定性，這樣才能更好的發揮作用。整個建設過程中，要實時采用精確度較高的儀器進行檢測，保證上層和底部建筑分割的有效性。隔震裝置的選擇也是要注意的地方，不能以次充好，使用假冒偽劣產品，要選用較高質量、壽命長、牢固的裝置，從而使其承載能力足夠。除此之外，還要做好足夠的措施，對隔震裝置進行保護，并在以后的使用過程中進行定期保養，從而延長其使用壽命。

3.2 消能減震技術

阻尼元件設備能夠有效的保護房屋結構的重要部位，但是如果施工和安裝不合理，這些元件將不能發揮作用，因此必須合理的鋪設這些阻尼元件。消能減震技術在施工過程中，要把握好關鍵部位的安裝，特別是墻體內部的一些細節結構，必須安裝到位，保證每個環節都被加固。為了使內部結構更穩定，阻尼元件要選用架構兼顧類型的。選用安裝技術要統籌兼顧，把握關鍵環節的關鍵技術。

4 結語

抗震技術的應用是房屋結構設計的關鍵部分，在日常的工作中，要不斷實踐和探索，把握好抗震機理，這樣才能保證房屋在面對地震時屹立不動，保證人民生命財產安全。

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