房屋建筑結構體系選型及抗震設計探討

摘要：隨著我國經濟社會的不斷發展，越來越多的功能多樣、體型復雜的多層、高層及超高層建筑應運而生，房屋已經成為城市居民財產的“大塊頭”。然近十年來我國地震頻發，因地震災害引發的房屋倒塌事故不斷，人民群眾生命財產安全受到重大損失，提高房屋建筑的防震減災能力已成為全社會的共同期待。隨著新一代《中國地震動參數區劃圖》的頒布實施，設防區域已實現全國覆蓋，這對建筑結構抗震設計也提出了全新的要求，結構體系的選取是否合理對建筑的抗震性能和經濟性起主要作用。本文簡要分析房屋建筑結構體系的選型以及抗震方面的設計要點。旨在為多高層建筑結構選型及抗震設計提供一些思路。

關鍵詞：房屋建筑;結構體系;選型;抗震設計;結構設計

影響房屋建筑結構體系的選擇的因素有：建筑功能及高度、抗震設防類別及烈度、場地條件、地基、材料性能及施工等因素。現階段投資商需求的多元化，建筑功能的綜合化趨勢導致了建筑方案的平立面布置及內部空間布置的多樣化和復雜化，這為結構體系選型增加了更多的復雜性影響因素，對結構體系提出了更高的要求。因此結構體系的選型不是結構單一專業問題，需要同建筑等相關專業密切配合，在方案的制定階段建筑設計應充分考慮方案布置對抗震性能的影響，這樣才能設計出抗震性能良好的建筑。盡管影響結構體系選型的因素很多，但我們還是得厘清矛盾的主次，堅持基本原則，經過技術經濟和適用條件綜合比較，選擇安全可靠、經濟合理的結構體系。

一、房屋建筑結構體系選型設計的基本原則

（一）適應建筑功能的同時堅持簡單、受力明確的原則

我國當前城市建筑正在朝著高層和超高層的方向發展，相比從前的建筑層數也有了明顯增加，結構本身又具備了一定的復雜性，建筑結構選型應在滿足建筑功能的前提下，堅持簡單性的原則，使得結構體系有明確的計算簡圖和合理的傳力路線。只有當結構體系簡單、對稱、受力明確、傳力合理且傳力路線不間斷，才使結構的抗震分析更符合結構在地震時的實際表現;才能讓設計師更加充分的對建筑結構模型、側向位移以及應力情況有一個清晰的了解，能更加容易在設計之中把薄弱的環節找出來，采取構造措施和進行細部處理。這對提高結構的抗震性能十分有利。

（二）滿足建筑造型需要的同時堅持規則性和均勻性的原則

建筑平立面設計時應重視其平面、立面、豎向剖面規則性對抗震性能及經濟合理性的影響，抗震性能良好的建筑，需要建造師與結構工程師互相配合，滿足建筑造型需要的同時宜優先規則的形體，其抗側力構件的平面及豎向布置應遵循規則性和均勻性的原則，豎向抗側力構件材料強度和截面尺寸宜自下而上逐步減小。實際工程中，為實現建筑平立面造型的變化，常使結構不得不采用不規則甚至特別不規則的方案，這不僅嚴重削弱了結構的抗震性能，也增加了工程的建設費用。此時結構設計應與建筑專業及業主闡明采用不規則方案所帶來的后果。結構平面布置的關鍵是避免扭轉并確保水平傳力途徑的有效性，盡量控制建筑結構的質量中心和剛度中心一致或基本一致，復雜的平面可通過設置防震縫的方式劃分為幾個簡單規則的平面，最大程度降低建筑結構受到的偏心和扭轉的影響。一旦發生地震，能快速傳播出建筑結構自身慣性力，降低地震帶給建筑結構的破壞程度。結構立面及豎向剖面布置的關鍵是避免承載力及樓層剛度出現突變，避免出現薄弱層并確保豎向傳力路徑的有效性。建筑立面應盡量采用矩形、梯形、三角形等均勻變化的幾何形狀，避免采用帶有突然變化的階梯形立面。剛度突變部位容易出現應力集中現象，不利于建筑的抗震設計。

（三）具備必要的強度和良好延性及多道設防原則

結構體系的抗震能力綜合表現在強度、剛度和變形能力三者的同意，也就是抗震結構體系應具備良好的強度和良好的變形耗能能力或者說延性。如果結構體系有較高的強度但缺乏足夠的延性（如不設置圈梁構造柱的砌體結構）時，在地震時候很容易被破壞。另一方面，如果結構有較大的延性但強度不足（如純框架結構），在強烈地震下必然產生很大的變形、破壞嚴重甚至倒塌。因此，在設計中重視結構的整體性與變形能力，對結構的其強度延性予以充分保障，由此能夠保證建筑結構所具有的穩定性，是防止在大震中倒塌的關鍵。震害調查表明：破壞性強震具有持續時間長，脈沖往復次數多的特點。單一結構體系只有一道防線，一旦被破壞就會造成建筑物倒塌。當房屋采用多道防線（兩道或三道）時，第一道防線在強震襲擊下被破壞后，后續防線能接替抵抗后續的地震沖擊，從而保證建筑物最低限度安全，免于倒塌。所以設置多道防線是必須的也是“大震不倒”的基本要求。符合多道設防的結構體系有框架—抗震墻體系、框架-支撐體系、框架—筒體體系、筒中筒體系等，這些結構體系在地震力作用下，大部分水平力首先由這些側向剛度大的抗側力構件予以承擔，而形成第一道防線，框架退居第二道防線，從而實現多道設防。

二、有關于高層建筑中常用的結構體系及其特點的概述

（一）剪力墻結構概述

剪力墻結構所指的是用鋼筋混凝土墻板來承受豎向和水平力的結構。也就是說剪力墻結構體系的抗側力構件都是由剪力墻組成。剪力墻結構具有如下特點，第一，其墻身平面內的抗側移剛度很大，而其墻身平面外剛度卻很小，因此比框架結構有更好的抗側力能力。第二剪力墻結構有很好的承載能力，而且有很好的整體性和空間作用，在房間內隱藏了梁、柱棱角等，便于室內布置發，方便使用。第三，剪力墻結構屬于剛性體系，結構也具有一定的延性，具備較好的抗震性能。由于在結構平面布置中剪力墻的間距有一定限制，故不可能開間太大，因此對需要大空間時就不太適用。剪力墻結構一般適用高層住宅、公寓和旅館。

（二）框架-剪力墻結構概述

框架-剪力墻結構簡稱框剪結構，豎向受力構件由框架柱和剪力墻組合而成。框架柱和剪力墻協同承受豎向及水平荷載。它具有框架結構平面的布置靈活，有較大空間的優點，可以滿足建筑對于各種不同功能的要求，又具有側向剛度較大的優點，建筑所受的水平力主要由剪力墻承受，而在豎向荷載主要由框架結構承受。框架剪力墻結構體系是符合多道抗震防線要求的結構體系，在該結構中抗震墻由于其側向剛度大，成為第一道防線，框架則是抗震的第二道防線。比剪力墻體系延性好，布置靈活。框剪結構多用于10～25層左右的商住樓、辦公樓、寫字樓等。

（三）筒體結構的概述

筒體結構又分為框加-核心筒及筒中筒兩種結構，框筒結構中心為抗剪薄壁筒或密柱框架圍城的框筒，外圍為普通框架所組成的結構。筒中筒結構即中央為薄壁筒，外圍為框筒組成的結構。筒體結構具有造型美觀、使用靈活、受力合理，以及整體性強等優點，適用于較高的高層建筑。目前全世界最高的100幢高層建筑約有2/3采用筒體結構;國內100m以上的高層建筑約有一半采用鋼筋混凝土筒體結構。筒體結構也是符合多道設防的結構體系，由延性框架和筒體兩個延性較好的分體系組成。

（四）鋼-混凝土混合結構的概述

混合結構是指由鋼、鋼筋混凝土、組合構件三類構建中的任意兩種或兩種以上構件組成的結構。是近年來在我國迅速發展的一種新型結構體系，主要結構形式有：混合框架結構、框架-剪力墻混合結構、筒中筒混合結構。混合結構兼有混凝土結構剛度大、材料施工成本較低、抗火性能好的特點及鋼結構自重輕、構件截面尺寸小、抗震性能好、施工進度快的特點。 已引起工程界和投資商的廣泛關注，目前已經建成了一大批高度在150m～200m的建筑。

三、建筑結構的抗震設計

（一）抗震設防的目標及目標的實現

我國現行的《建筑抗震設計規范》1.0.1條提出了建筑抗震設防的基本思想和原則，以“三個水準”為抗震設防目標。第一水準即當遭受低于本地區抗震設防烈度的多遇地震影響時，主體結構不受損壞或不需修理可繼續使用;第二水準即當遭受相當于本地區抗震設防烈度的設防地震影響時，可能發生損壞，但經一般性修理仍可繼續使用;第三水準即當遭受高于本地區抗震設防烈度的罕遇地震影響時，不致倒塌或發生危及生命的嚴重破壞。簡便的說就是“小震不壞、中震可修、大震不倒”。三水準設防目標有明確的概率指標，是著眼于結構抗震安全的性能目標。為實現“三水準抗震設防目標”而采取了“兩階段是設計步驟”，第一階段設計為“小震”作用下的構件截面抗震承載力驗算和相應的構造措施，在這一設計階段中，要根據概念設計采取有效的抗震構造措施，從而使大多數結構可以定性地滿足第三水準的要求。對于大多數建筑結構只需進行第一階段的設計即可做到“大震不倒”。第二階段設計為“大震”作用下的彈塑性變形驗算，并采取提高變形能力的構造措施，目的是防倒塌。主要針對強震時易倒塌結構、有明顯薄弱層的不規則結構及其他有特殊要求的建筑。以實現第三水準的設防要求。對大多數結構則無需進行第二階段設計。

（二）抗震概念設計應把握的重點問題

歷次地震表明，我國地震區劃所規定的烈度有很大的不確定性，抗震設計還處在摸索階段，地震理論還有待完善。重視建筑抗震概念設計，是抗震設計應把握的要點。而抗震概念設計的應把握的要點有如下幾點：

1、結構體系問題是結構設計應把握的頭等重要的問題，應注意體系的合理性，優先采用抗震能力強、延性好、耗能能力強、便于施工的具有多道防線的結構體系（如采用框架-抗震墻、框架-筒體結構等），注意對承載力和剛度及延性的合理把握。采用合理的基礎方案。

2、結構布置問題，應采用概念清晰，傳力路徑明確的結構布置，避免造成結構扭轉、平面和立面里出外進、豎向傳力構件的間斷等其他不規則。注意把握抗震墻的合理間距問題、結構協同工作問題、上部結構與地基基礎的協調變形問題等。

3、結構抗震設計的關鍵部位，注意對結構體系的關鍵部位、結構構件等關鍵部位的把握，實現“強剪弱彎、強柱弱梁、強節點弱桿件及強柱根”的設計理念。注意對加強部位（豎向構件的加強部位、樓面結構的加強部位、地基基礎的加強部位等）的把握。

四、結語：

房屋建筑結構體系選型及抗震設計設計具有較強的專業性、綜合性，以及系統性的特點。在建筑的結構抗震設計過程中要求結構工程師和建筑師相互配合，對工程實際的情況進行有效結合，依據在學習和實踐中所建立的正確概念，運用正確的思考和判斷力，正確和全面地把握結構整體性能，重概念、輕精度，抓大放小，這樣才能設計出經濟合理、安全可靠、抗震性能良好的建筑。

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作者簡介：余云龍（1983-）男 工程師 本科 主要從事建筑結構設計方面的工作。