简议建筑抗震概念设计及结构选型的原则

关键词：建筑结构、抗震概念设计、结构选型的原则 

　　一、建筑结构抗震概念设计 

　　概念设计（ConceptualDesign）属初步设计阶段。国内外历次大地震及风灾的经验教训使人们越来越认识到建筑物概念设计阶段中结构概念设计的重要性，尤其是结构抗震概念设计对结构的抗震性能将起到决定性的作用。 

　　1.1 结构的规则性 

　　简单的平、立面图形是方形或圆形的，而复杂的图形是有凹角的，容易造成有应力集中或变形集中的薄弱环节。抗震设计能做到平、立面简单当然是较理想的，但实际工作中，建筑的平、立面出现凹角是经常的，比较现实的做法是要求建筑体型规则一些，规则的意思是有一定的对抗震有利的要求，也允许带有一定限度区的复杂性质。区分规则与不规则的界限很难划定。我国的高层建筑结构设计规程给出了一些划分原则： 

　　1）竖向规则指沿建筑物竖向的建筑造型和结构布置比较均匀，刚度、承载力和传力途径没有太大变化，从而可以限制结构在某一层或极少数几层出现敏感的薄弱部位。这些部位一旦出现，将产生过大的应力集中或过大的变形，从而容易导致结构过早的坍塌。 

　　2）平面规则指建筑平面比较规则，平面内结构布置比较均匀，使建筑物的分布质量和地震惯性力能以比较短和直接的途径进行传递，并使质量分布和结构刚度协调，以限制质量和刚度间的偏心。平面规则，布置均匀有利于防止薄弱的子结构过早破坏、倒塌，能使地震作用在各个子结构间重分布，增加结构的赘余度数量，发挥整个结构耗散地震能量的作用。 

　　3）设计时可在以下几个方面进行处理：尽可能满足建筑竖向均匀性。均匀性问题存在于建筑的竖向布置中，无论是几何图形还是楼层刚度变化，其规则匀称应该是立面设计中优先考虑的。布置不均匀的结果产生了刚度、强度的突变，引起竖向的应力集中或变形集中，以致在中小型地震中损坏，在大震时倒塌。但是，要使结构做到完全均匀性，在实际设计中也有一定的困难。均匀性问题表现如下：其一，竖向收进问题。竖向收进是常见的建筑处理方式，结构上产生的问题是在凹角处应力集中。由于房屋的不同部分其振动特征不同，所以在收进处的横隔（楼盖或屋面板）产生应力突变，为此，在抗震设计时，可考虑几种处理方法：限制收进尺寸；当设置防震缝有利时，可设缝把复杂的体型划分成若干简单、规则的独立单元，分割后的建筑体型应是均衡的，不致过分细高；不设缝时应进行较细致的空间动力分析；对刚度突变的构件采取加强措施。其二，柔性层框架。建筑上往往因底层需要开敞或任意层需要大的空间，使结构处于上下不连续状况，产生竖向刚度突变，特别是柔性底层建筑，在历次大地震中，震害都很普遍，甚至完全倒塌。分析研究表明，这类构件的应力和变形集中是非常严重的，所以在抗震设计时应力求避免，底层应尽可能配置具有相当强韧性的构件以承受大的侧移。其三，同一层间的柱子刚度不同。建筑上由于空间需要或由于艺术构思，使得同一层间柱子的刚度差异较大，通常在刚性较大的柱子上产生较大的内力。为此设计时宜从抗震的角度重新安排结构系统，以使刚度尽量均衡。 

　　1.2 结构的刚度和延性 

　　在地震作用下，一味地追求结构的强度并不可取，结构的延性是非常重要的，结构主要靠延性来抵抗较大地震作用下的非弹性变形。结构水平方向的刚度应能使结构抵抗任何方向的水平地震作用，并有助于减少结构的变形。结构还应具有足够的抗扭刚度和抵抗扭转振动的能力。由于现有的抗震设计计算不考虑地震地面运动的扭转分量，所以在概念设计中还应注意提高结构的抗扭刚度和抵抗扭转振动的能力。结构的延性是指结构吸收地震能量后的变形能力。延性好的结构能吸收较多的地震能量，能经受住较大的变形。增加结构的延性，能削弱地震反应，提高结构抵抗地震的能力。结构对延性的需求与地震力降低系数是相适应的。地震力降低系数的大小决定了设计地震力取值的大小，从而决定了对延性要求的大小。用于承载力设计的地震作用可以取到小震水平，当更大的地震来临时，则靠结构的延性去抵抗。所以，我们并不采用设防烈度地震作用力来进行结构承载力设计，而需要把设防烈度地震力降低一个系数，称为地震力降低系数。 

　　地震力降低系数对设防烈度地震作用的整体降低实际上决定了结构的屈服水准和对结构延性需求的大小。地震力降低系数取得越大，设计地震作用就取得越小；地震力降低系数取得越小，设计地震作用就取得越大。在同一个设防烈度下，地震力降低系数取为中等，地震作用也为中等，因而对延性提出的要求也为中等。这样，地震力降低系数的大小实际上就决定了设计地震力取值的大小，从而决定了对延性要求的大小。 

　　二、 建筑结构选型的原则 

　　2.1影响建筑结构选型的因素 

　　作为单体的建筑物具有统计性差、影响因素多的特点，并且其各因素间的相互作用较大，具体表现在结构方案上不仅仅取决于力学分析，而是应该从环境、经济以及安全使用等因素进行综合考虑，因此该种综合决策十分复杂，在选型过程中应分清因素的主次，同时应考虑到这些因素具有层次性和耦连性以及各因素对选型的影响具有一定的模糊性等，一般在建筑选型过程中除了对建筑美学考虑外其他方面主要应考虑：环境条件指场地条件、风压、设防烈度等；方案特征、指建筑高度、高宽比、长宽比以及建筑的平面和立面体型等。 

　　2.2结构选型的原则 

　　安全性。各类建筑结构选型及平面、竖向布置应符合规范要求，不可出现严重不规则的结构单元，对于体型复杂结构不规则的建筑应通过调整建筑方案或设防震缝等形式以满足规范要求；各种结构建筑高低能反映出其承载能力及抗风抗震能力，因此各种结构选型应在最大适用高度范围内选择；通用建筑材料木材的腐烂和虫蛀、钢结构的锈蚀、砌体材料的风化等都可能对结构安全造成威胁，因此对各类建筑应根据其材质来充分考虑其有足够的耐久性以满足结构安全。 

　　先进性。建筑物的先进性主要是指在结构体系中应尽量推广成熟的新结构、新技术、新材料新工艺，以利于加快建设速度，推动建筑行业工业化、现代化并确保工程质量，因各种结构均有其适用范围，因此在进行结构选型时应根据其功能来决定结构类型。 

　　2.3结构体系选择 

　　钢筋混凝土结构体系。该种结构形式可以合理利用钢筋及混凝土两种材料的受力性能特点，并方便就地取材、工程造价较低、耐火性及耐久性较好、结构造型灵活、整体性能好等优点，但其也具有自重大，构件截面大、抗裂性能差以及修复及不强等。施工难度大等。 

　　钢结构体系。其具有构件截面小、自重轻、抗震性能好和建设周期短等优点，但其材料较昂贵、且易于腐蚀、防火性较差以及施工技术复杂等，钢结构的结构体系主要有框架、框架-支撑、筒体以及悬挂体系等多种形式。 

　　钢-混凝土组合结构体系。其主要包括型钢混凝土结构和钢管混凝土结构。型钢混凝土结构是指混凝土内含型钢的劲性配筋混凝土结构体系，其具有承载力高，抗裂性及抗震性较好等优点；钢管混凝土是指在钢管内填充混凝土而形成的构件，其利用钢和混凝土两种材料相互作用，该种结构在三向受压状态下使混凝土性质得到极大改善，并使其承载力较钢筋混凝土有较大幅度提高，同时其截面尺寸小塑性和韧性好，能提高其抗震性能等系列优点。 

　　三、结语 

　　文章详细分析了高层建筑结构抗震概念设计，并就建筑结构选型的思路原则进行了探讨。通过分析研究，可为同行工程设计人员参考、借鉴，从而完善高层建筑结构设计。