淺析房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計
陳志
摘要：主要結(jié)合地震情況對當(dāng)前房屋建筑一些常見卻又常被人們忽視的錯誤進行了剖析，指出了錯誤的原因和后果，并給出了一些設(shè)計建議和構(gòu)造的要求
關(guān)鍵詞：房屋 結(jié)構(gòu) 設(shè)計
一、場地選擇的問題
根據(jù) GB 5001122001建筑抗震設(shè)計規(guī)范(2008 版) (以下簡稱《抗規(guī)》 ) 3. 3. 1條對抗震有利、 不利和危險地段的綜合評價,3. 3. 5條山區(qū)建筑場地 ,4. 1. 1 條有利、 不利和危險地段的劃分 ,4. 1. 8 條不利地段抗震加強措施的規(guī)定 ,工程項目選址應(yīng)考慮從地形地貌上盡可能避非巖質(zhì)的陡坡、 高聳的山丘、 河岸和邊坡的邊緣等不利地段;從場地條件上要盡量避開飽和砂層、 軟弱土層、 液化土、 軟弱不均土層等;如無法避開 ,則應(yīng)采取工程措施處理。選擇位于開闊坦地帶的堅硬場地土或密實均勻中硬場地土 ,對建筑抗震有利的地段。工程項目的選址還要同時符合當(dāng)?shù)氐目傮w規(guī)劃和防災(zāi)專項規(guī)劃的要求 ,不擠占應(yīng)急疏散、 避難場所用地。曾經(jīng)有見過懸崖邊緣或跨越 10 多米高的邊坡上布置建筑的總平方案 ,這就是對結(jié)構(gòu)和地質(zhì)不了解才產(chǎn)生的問題 ,何況有時邊坡支護的費用可能遠大于邊坡上建筑物的單體造價。
二、結(jié)構(gòu)高寬比的問題
根據(jù)J GJ 322002 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(以下簡稱《高規(guī)》 ) 4. 2. 3 條規(guī)定 ,鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)的高寬比:在6 度、 7 度抗震設(shè)防烈度時 ,A 級高度的框架、 板柱 — 剪力墻不宜超過 4 ,框架 — 剪力墻不宜超過 5 ,剪力墻不宜超過 6 ;B 級高度不宜超過 7。只有合理的結(jié)構(gòu)平面進深 ,才能取得良好的經(jīng)濟效益和抗震性能 ,但有些建筑設(shè)計人員在近 100 m高的住宅建筑方案中 ,平面中只有 11 m～12 m的進深 ,結(jié)構(gòu)的高寬比達到 9 還多 ,多層的平面用在高層 ,嚴(yán)重違規(guī) ,結(jié)構(gòu)的層間位移比根本無法控制 ,結(jié)構(gòu)不可行 ,不得不重新設(shè)計總體方案 ,浪費了時間和精力。
三、結(jié)構(gòu)平面布置的問題
根據(jù) 《抗規(guī)》 3. 4. 1 條規(guī)定 ,建筑設(shè)計應(yīng)符合抗震概念設(shè)計的要求 ,不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計方案 ,這對高層建筑尤為重要 ,《高規(guī)》 4. 1. 2 ,4. 1. 3 條對此作出了原則規(guī)定 ,4. 3. 5 ,4. 3. 6 條更作出了定量的規(guī)定。建筑物的平面布置在建筑設(shè)計中是十分重要的部分 ,它直接反映建筑的使用功能和要求。柱子的距離、 墻體的布置、 通道和樓電梯的位置、 房間的數(shù)量和布置等 ,都要在建筑的平面布置圖上明確下來。而且 ,由于建筑使用功能不同 ,每個樓層的布置有可能差異很大 ,建筑平面上的墻體,包括外圍填充墻、 內(nèi)隔墻、 有相應(yīng)強度和剛度的非承重內(nèi)隔墻等等布置不對稱,墻體和柱子分布的不對稱、 不協(xié)調(diào),使建筑物在地震時產(chǎn)生扭轉(zhuǎn),對抗震很不利。目前設(shè)計中常出現(xiàn)的 “細腰建筑” 就是典型的平面不規(guī)則建筑 ,該型建筑用在低層和多層問題不大 ,但用在高層問題就多了。“細腰建筑” 雖然建筑使用功能較好 ,但對結(jié)構(gòu)抗震卻非常不利 ,且在 “細腰” 處設(shè)置疏散樓梯間 ,當(dāng)發(fā)生災(zāi)害時 ,此 “細腰” 或與 “細腰” 連接的廊道一旦破壞 ,后果極為嚴(yán)重。因此 ,高層建筑設(shè)計應(yīng)嚴(yán)格遵守 《抗規(guī)》 《高規(guī)》 有關(guān)平面布置要求的規(guī)定 ,特別是核心筒周圍應(yīng)布置足夠?qū)挾鹊臉前?,筒周邊墻體特別是疏散樓梯間墻體不應(yīng)對外臨空。高層建筑中 “細腰建筑” 等平面特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)屬 “超限” 高層結(jié)構(gòu) ,如一定要采用時應(yīng)通過 “超限高層結(jié)構(gòu)” 工程抗震設(shè)防專項審查后方能采用。震害表明 ,許多平面外形復(fù)雜 ,如平面上的外凸和凹進、 側(cè)翼的過多伸懸、 不對稱的側(cè)翼布置等在地震中都遭到了不同程度的破壞。9• 12 中國臺灣、 5• 12汶川地震就有不少這樣的震例。平面外形簡單規(guī)則的建筑在地震中未出現(xiàn)較重的破壞 ,有的甚至保持完好無損。因此 ,在建筑體形的設(shè)計中 ,應(yīng)盡可能地使平面和空間的外形簡潔、 規(guī)則;在平面外形上 ,矩形、 圓形、 扇形、 方形等對抗震來說都是較好的體形。盡可能少做外凸和內(nèi)凹的體形 ,盡可能少做不對稱的側(cè)翼和過長的伸翼。在體形布置上盡可能使建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度比較均勻地分布 ,避免產(chǎn)生因體形不對稱導(dǎo)致質(zhì)量和剛度不對稱的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)。圖 1 為我國臺灣地震中高層建筑平面不規(guī)則扭轉(zhuǎn)破壞。

 

在國內(nèi)外的大地震中 ,由于防震縫設(shè)置不當(dāng) ,使相鄰建筑物碰撞而產(chǎn)生震害的情況也是不少的 ,這是由于在相鄰建筑單元之間 ,防震縫的寬度留得不夠 ,導(dǎo)致建筑物碰撞 ,造成震害。另外 ,地震區(qū)建筑物的沉降縫 ,溫度縫必然兼起防震縫的作用 ,但是 ,若縫的處理不當(dāng) ,也會造成震害。
四、結(jié)構(gòu)豎向布置的問題
《高程》 4. 4. 1 條對高層建筑的豎向的體形 ,4. 4. 2 條對抗震設(shè)計的高層建筑相鄰樓層的剛度 ,4. 4. 4 條對結(jié)構(gòu)豎向抗側(cè)力構(gòu)件上下連續(xù)性均有明確的定。建筑的豎向布置設(shè)計的問題在建筑設(shè)計中主要反映在建筑沿高度(樓層)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度分布設(shè)計上。存在的這個問題主要是 ,由于建筑使用功能的不同要求 ,如底層或下面幾層是商場、 購物中心 ,建筑上要求是大柱距、 大空間;上面的樓層則是開間較大的寫字樓或布置多樣化的公寓樓 ,低層設(shè)柱、 墻很少 ,而上面則是以墻為主 ,柱很少。造成沿上下相鄰樓層的質(zhì)量和剛度相差過大 ,形成突變。在剛度最差的樓層形成對抗震極為不利的抗震承載力不足和變形很大的薄弱層,在建筑設(shè)計中必須高度重視。目前常見因?qū)痈咄蝗蛔兓?所謂 “挑高” ) ,或在某層抽掉柱子形成空曠(所謂 “挑空” ) ,或為追求大開間無梁無柱或錯層等均導(dǎo)致結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則 ,剛度和強度突變。此類建筑在地震中破壞最為嚴(yán)重 ,而且破壞多集中在這些薄弱部位。圖 2 為汶川地震中某錯層框架結(jié)構(gòu)剛度突變破壞。以上震害實例分析證明合理的建筑布置

以上震害實例分析證明合理的建筑布置在抗震設(shè)計中是頭等重要的 ,提倡平、 立面簡單對稱。簡單、 對稱的結(jié)構(gòu)容易估計其地震時的反應(yīng) ,也容易采取抗震構(gòu)造措施和進行細部處理。
五、結(jié)構(gòu)體系布置的問題
《抗規(guī)》 3. 5. 3條對結(jié)構(gòu)體系提出了多道抗震防線的要求 ,對于在大震作用下結(jié)構(gòu)抗倒塌具有重要意義。一個抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)由若干個延性較好的分體系組成 ,并由延性較好的結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接協(xié)同工作。在這次汶川大地震中 ,抗震性能較好的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有倒塌的 ,而抗震相對較差的砌體卻也有裂而不倒的,甚至個別私人建造的磚木結(jié)構(gòu)的住宅都完好無損;同一地點 ,同是砌體教學(xué)樓 ,有的損壞嚴(yán)重 ,甚至倒塌 ,有的卻表現(xiàn)良好 ,這就是多道抗震防線起了作用。一般高層建筑結(jié)構(gòu)可根據(jù)房屋高度和高寬比、 抗震設(shè)防類別、 抗震設(shè)防烈度因素選擇結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)建筑功能的不同而有所不同 ,常規(guī)如一般的商場、 車站、 展覽館、 餐廳、停車庫等多層房屋用多跨框架結(jié)構(gòu)較多;高層住宅、 公寓、 賓館等用剪力墻結(jié)構(gòu)較多;酒店、 寫字樓、 教學(xué)樓、 科研樓、 病房樓等以及綜合性公共建筑用框架 — 剪力墻結(jié)構(gòu)、 框架 — 核心筒結(jié)構(gòu)較多 ,同時還應(yīng)注意規(guī)范的限值 ,圖 3 為因結(jié)構(gòu)體系的不合理在地震中倒塌的辦公樓。
六、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的問題
結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置應(yīng)遵守 “強柱弱梁、 強剪弱彎、 強節(jié)點弱構(gòu)件、強底層柱(墻)” 的原則。對可能造成結(jié)構(gòu)的相對薄弱部位 ,應(yīng)采取措施提高抗震能力。承受豎向荷載的主要構(gòu)件不宜作為主要耗能構(gòu)件。建筑應(yīng)有梁筋錨固長度的概念 ,避免一字剪力墻 ,墻柱頭一般為墻厚的 2 倍 ,為了保證梁筋的錨固長度 ,至少需要300 mm～400 mm的剪力墻長或厚度。此類問題不可忽視 ,否則容易產(chǎn)生走道或樓梯寬度不足的問題或客廳當(dāng)中露角。應(yīng)注意盡量避免短柱 ,柱邊不布門窗 ,否則常為短柱 ,短柱箍筋須全長加密 ,造價增高且抗震不利 ,圖 4 為汶川地震中短柱的破壞情況。作為生命安全通道的樓梯間不宜設(shè)置在房屋的端部或轉(zhuǎn)角處 ,不宜設(shè)置凸出建筑物的轉(zhuǎn)角圓形樓梯間 ,更應(yīng)禁止采用純懸挑結(jié)構(gòu)的樓梯間 ,這些都是宜引起地震時集中變形破壞的地方。過高、過重的大屋頂 ,加大了變形 ,對建筑物抗震更不利。盡量不做或少做地震時容易倒塌、 脫落的建筑附屬物。
 

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