高烈度區(qū)多層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

董方穎

重慶市設(shè)計(jì)院 重慶 400015

1 引言

城市的發(fā)展離不開建筑，人民對建筑需求越來越多的同時(shí)，相關(guān)的安全要求也越來越高。尤其是高抗震設(shè)防烈度區(qū)，建筑很容易收到地震作用的影響，產(chǎn)生損傷，甚至崩塌，造成惡劣的安全災(zāi)難。在低烈度區(qū)，往往建筑采用框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)應(yīng)用，既保障的建筑抗震設(shè)防的相關(guān)要求，又能夠獲得較大的使用空間。但是，在高烈度區(qū)，框架結(jié)構(gòu)由于其抗側(cè)剛度小，受到高烈度地震時(shí)水平位移大，極容易造成安全事故。因此，研究在高烈度地區(qū)多層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)十分必要。

2 多層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所具有的特點(diǎn)分析

2.1 水平荷載是影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一

一般情況下，無論時(shí)低層房屋還是多層房屋，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，往往更多考慮對建筑物本身重量影響的豎向荷載進(jìn)行控制。但是，除了豎向荷載外，影響建筑結(jié)構(gòu)整體安全性的因素還有水平荷載。這是因?yàn)榻ㄖ灾睾蜆敲媸褂煤奢d在豎向構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，僅與建筑高度的一次方成正比；而水平荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩以及由此在豎向構(gòu)件中所引起的軸力，是與建筑高度的兩次方成正比。而且，針對多層建筑而言，受建筑物本身固定重量的影響，豎向荷載往往是固定值，而水平荷載，收到地震作用和風(fēng)荷載的影響，隨著建筑物的結(jié)構(gòu)不同，數(shù)值變化也較大。

因此，在多層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，側(cè)移成為設(shè)計(jì)控制關(guān)鍵指標(biāo)。受到水平荷載的影響，隨著樓層的不斷增加，建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形也隨著不斷增大，因此，在進(jìn)行多層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須控制側(cè)移[1]。

2.2 高烈度區(qū)具有更高的抗震設(shè)計(jì)要求

在高烈地地區(qū)，一旦發(fā)生地震，地震作用對建筑物產(chǎn)生較大水平荷載。因此，在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)，必須確保整體結(jié)構(gòu)符合抗震設(shè)防要求。保障結(jié)構(gòu)的抗震性能良好，能夠做到小震無事，大震不倒。

3 多層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則分析

3.1 合理選擇基礎(chǔ)方案

在進(jìn)行多層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)對建筑所在區(qū)域的地質(zhì)情況，進(jìn)行詳細(xì)的勘探，然后結(jié)合結(jié)構(gòu)方案和實(shí)際地質(zhì)情況，以及施工相關(guān)技術(shù)水平，最終選擇最適合且相對經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)方案。另外一方面，受城市經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展的影響，市區(qū)內(nèi)的繁華地帶，多層或者高層建筑較多，相對建筑物較為密集，建筑物之間會產(chǎn)生相會影響，所以在進(jìn)行地基處理時(shí)，應(yīng)充分考慮這一因素的影響。

3.2 綜合考慮選擇結(jié)構(gòu)形式

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)方式設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)參考兩個(gè)原則：安全、經(jīng)濟(jì)。因此，在進(jìn)行多層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)從安全的角度，根據(jù)建筑的使用要求，充分考慮建筑物的高度、地質(zhì)環(huán)境等情況對建筑結(jié)構(gòu)安全的影響；其次，從經(jīng)濟(jì)的角度，參考施工的實(shí)際情況，周邊的材料供給以及建筑物所處環(huán)境等因素，最終多種方案并行，綜合評定，選擇符合抗震設(shè)防等級要求且相對經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)形式[2]。

3.3 建立最準(zhǔn)確的計(jì)算模型

由于在進(jìn)行多層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，結(jié)點(diǎn)較多且形式較為多樣化，因此相對的計(jì)算模型比較復(fù)雜。因計(jì)算模型選擇不當(dāng)，會導(dǎo)致建筑物較容易出現(xiàn)安全事故。因此，選擇最準(zhǔn)確的計(jì)算簡圖特別重要，必須全面分析，謹(jǐn)慎選擇。

3.4 輸入地震波的“選波”原則

在進(jìn)行多層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮地震作用的影響，尤其是在高烈度地區(qū)。必須針對產(chǎn)生的不同地震階段，分析建筑結(jié)構(gòu)的抗震情況，受到的破壞情況。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)測試時(shí)，要求輸入的地震波的有效時(shí)間必須大于結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)周期的五倍。開始于曲線最大峰值的10%，結(jié)束于最后一次點(diǎn)到達(dá)最大峰值的10%。

為了研究結(jié)構(gòu)在高烈度地區(qū)不同地震階段的抗震性能及破壞形態(tài)及保證結(jié)構(gòu)在地震動加速度作用下充分完成響應(yīng)過程，要求輸入的地震波有效時(shí)間不小于結(jié)構(gòu)基本周期的5倍。從首次達(dá)到該時(shí)程曲線最大峰值10%的點(diǎn)算起到最后一點(diǎn)達(dá)到最大峰值的10%為止。

4 多層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

某建筑工程，多層建筑結(jié)構(gòu)，共計(jì)5層。建筑平面長60米，寬18米，建筑總高度為18米。由于工程處于高烈度地區(qū)，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.3g。在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到建筑物本身平面較長，所以在建筑物中間設(shè)置了結(jié)構(gòu)縫。整體建筑完全遵循四項(xiàng)原則：均勻、分散、對稱、周邊。在建筑物的四個(gè)角的外墻位置和電梯井位置，設(shè)置了L形和口字形抗震墻，確保符合建筑的抗震等級要求。

4.1 保證平面布置的合理性

現(xiàn)在城市中存在很多外觀很美觀的建筑，這些建筑具有不規(guī)則的平、立面結(jié)構(gòu)，這種不規(guī)則的平面或者立面結(jié)構(gòu)，大大影響了建筑物本身構(gòu)件布置的有效合理性，往往是建筑物的抗震性能較差的部位，在高烈度地區(qū)，一旦發(fā)生地震，該結(jié)構(gòu)很容易收到地震作用影響，產(chǎn)生較嚴(yán)重的震害，對整個(gè)建筑物的安全和穩(wěn)定帶來極大的不確定因素。因此，在進(jìn)行此類建筑物設(shè)計(jì)時(shí)，可以在適當(dāng)?shù)奈恢茫O(shè)置抗震縫，既能確保了建筑物本身的美觀，還能提高結(jié)構(gòu)的承載特性。

4.2 建筑結(jié)構(gòu)框架的選型

在進(jìn)行高烈度區(qū)多層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)框架的選型是核心關(guān)鍵。在高烈度區(qū)域，應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，建筑物的類型和建筑目的，充分考慮選擇適合的結(jié)構(gòu)選型[3]。

（1）框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于靈活性好，可以獲得較大的內(nèi)部空間，但是缺點(diǎn)同樣明顯，就是剛度小，抗震性能較差，不設(shè)用較高的建筑物。大多應(yīng)用于辦公樓、商場、教學(xué)樓等多層建筑中；

（2）以彎曲變形為主的抗震墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是側(cè)向剛度強(qiáng)，能夠承受較大的地震作用，但缺點(diǎn)是空間不足。常適用于較高的建筑物中；

（3）框筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，主要是在建筑平面設(shè)計(jì)時(shí)，針對交通的設(shè)計(jì)為內(nèi)筒狀，而對于建筑結(jié)構(gòu)的外圍框架，可以設(shè)計(jì)成多種多樣的建筑里面。常見應(yīng)用于高層的酒店樓梯。

4.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)共振

在高烈度區(qū)，由于地殼中的板塊較為活躍，容易產(chǎn)生復(fù)雜的地殼運(yùn)動，產(chǎn)生較大的地震作用。因此在進(jìn)行多層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮可能引起的共振現(xiàn)象。這種情況出現(xiàn)，會導(dǎo)致建筑物的負(fù)擔(dān)急劇增加，帶來較為嚴(yán)重的安全隱患，甚至可能造成建筑物的損壞和崩塌。因此，在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要注意建筑物本身的自振周期，結(jié)合周邊地震情況的自振周期，進(jìn)行良好的設(shè)計(jì)，避免出現(xiàn)共振情況。

4.4 剪力墻連梁的設(shè)計(jì)

在進(jìn)行多層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，相關(guān)剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的連梁設(shè)計(jì)十分重要。連梁的優(yōu)點(diǎn)是截面大，跨度小，可以使其相連的強(qiáng)度剛度增大。在高烈度區(qū)，進(jìn)行多層建筑設(shè)計(jì)時(shí)，有些設(shè)計(jì)使在設(shè)計(jì)連梁時(shí)，會選擇較大的截面尺寸。但是這樣不僅成本較高，而且會導(dǎo)致再出現(xiàn)高烈度地震時(shí)，建筑物容易出現(xiàn)脆性破壞，帶來安全隱患。因此，在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，相關(guān)設(shè)計(jì)人員必須合理的結(jié)合多層建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理的計(jì)算并設(shè)計(jì)連梁的截面尺寸。

4.5 選擇最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)

相比較其他地區(qū)，在高烈度區(qū)進(jìn)行多層建筑設(shè)計(jì)時(shí)，為了確保建筑的穩(wěn)定性和安全性，增強(qiáng)建筑物的抗震性能，往往投入較大。因此，在高烈度區(qū)進(jìn)行多層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮經(jīng)濟(jì)問題，采用最小的成本達(dá)成最佳的抗震效果。

（1）在高烈度區(qū)進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，雖然收到很多自然因素的限制，但是在結(jié)構(gòu)選型上，盡量避免出現(xiàn)超過規(guī)定要求，選擇符合即建筑抗震安全要求，又相對成本支出較為經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)即可。

（2）在高烈度區(qū)進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要結(jié)合實(shí)際，充分利用先進(jìn)的科學(xué)手段，利用計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)等科學(xué)計(jì)算軟件，設(shè)計(jì)出最佳的方案，確保提高安全性的同時(shí)，經(jīng)濟(jì)性能也最佳，同時(shí)還能提升建筑的使用效率[4]。

5 結(jié)束語

綜上所述，在進(jìn)行高烈度區(qū)多層建筑設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)幫助建筑物抵抗較大的地震災(zāi)難。由于建筑物的實(shí)際情況不同，使用功能不同，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)沒有統(tǒng)一的規(guī)范和要求，因此，要求相關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)多方位的參考建筑的實(shí)際情況，結(jié)合自己的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，參考相關(guān)參數(shù)，在確保結(jié)構(gòu)方案合理、安全的情況下，設(shè)計(jì)出相對最經(jīng)濟(jì)的多層建筑結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)

[1] 袁浪,勞文.高烈度地震區(qū)多層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J].浙江建筑,2007,24(8):30-31.

[2] 丁峰.高烈度區(qū)多層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討[J].城市建設(shè)理論研究:電子版,2016,(6):1400.

[3] 趙玉霞,周美川.高烈度區(qū)建筑結(jié)構(gòu)樓梯設(shè)計(jì)探討[J].建筑設(shè)計(jì)管理,2016,(3):70-71.

[4] 汪穎.高烈度區(qū)不規(guī)則建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化探索[J].城市建筑,2016,(14):66-66.