房屋建筑结构体系选型及抗震设计探讨

摘要：随着我国经济社会的不断发展，越来越多的功能多样、体型复杂的多层、高层及超高层建筑应运而生，房屋已经成为城市居民财产的“大块头”。然近十年来我国地震频发，因地震灾害引发的房屋倒塌事故不断，人民群众生命财产安全受到重大损失，提高房屋建筑的防震减灾能力已成为全社会的共同期待。随着新一代《中国地震动参数区划图》的颁布实施，设防区域已实现全国覆盖，这对建筑结构抗震设计也提出了全新的要求，结构体系的选取是否合理对建筑的抗震性能和经济性起主要作用。本文简要分析房屋建筑结构体系的选型以及抗震方面的设计要点。旨在为多高层建筑结构选型及抗震设计提供一些思路。

关键词：房屋建筑;结构体系;选型;抗震设计;结构设计

影响房屋建筑结构体系的选择的因素有：建筑功能及高度、抗震设防类别及烈度、场地条件、地基、材料性能及施工等因素。现阶段投资商需求的多元化，建筑功能的综合化趋势导致了建筑方案的平立面布置及内部空间布置的多样化和复杂化，这为结构体系选型增加了更多的复杂性影响因素，对结构体系提出了更高的要求。因此结构体系的选型不是结构单一专业问题，需要同建筑等相关专业密切配合，在方案的制定阶段建筑设计应充分考虑方案布置对抗震性能的影响，这样才能设计出抗震性能良好的建筑。尽管影响结构体系选型的因素很多，但我们还是得厘清矛盾的主次，坚持基本原则，经过技术经济和适用条件综合比较，选择安全可靠、经济合理的结构体系。

一、房屋建筑结构体系选型设计的基本原则

（一）适应建筑功能的同时坚持简单、受力明确的原则

我国当前城市建筑正在朝着高层和超高层的方向发展，相比从前的建筑层数也有了明显增加，结构本身又具备了一定的复杂性，建筑結构选型应在满足建筑功能的前提下，坚持简单性的原则，使得结构体系有明确的计算简图和合理的传力路线。只有当结构体系简单、对称、受力明确、传力合理且传力路线不间断，才使结构的抗震分析更符合结构在地震时的实际表现;才能让设计师更加充分的对建筑结构模型、侧向位移以及应力情况有一个清晰的了解，能更加容易在设计之中把薄弱的环节找出来，采取构造措施和进行细部处理。这对提高结构的抗震性能十分有利。

（二）满足建筑造型需要的同时坚持规则性和均匀性的原则

建筑平立面设计时应重视其平面、立面、竖向剖面规则性对抗震性能及经济合理性的影响，抗震性能良好的建筑，需要建造师与结构工程师互相配合，满足建筑造型需要的同时宜优先规则的形体，其抗侧力构件的平面及竖向布置应遵循规则性和均匀性的原则，竖向抗侧力构件材料强度和截面尺寸宜自下而上逐步减小。实际工程中，为实现建筑平立面造型的变化，常使结构不得不采用不规则甚至特别不规则的方案，这不仅严重削弱了结构的抗震性能，也增加了工程的建设费用。此时结构设计应与建筑专业及业主阐明采用不规则方案所带来的后果。结构平面布置的关键是避免扭转并确保水平传力途径的有效性，尽量控制建筑结构的质量中心和刚度中心一致或基本一致，复杂的平面可通过设置防震缝的方式划分为几个简单规则的平面，最大程度降低建筑结构受到的偏心和扭转的影响。一旦发生地震，能快速传播出建筑结构自身惯性力，降低地震带给建筑结构的破坏程度。结构立面及竖向剖面布置的关键是避免承载力及楼层刚度出现突变，避免出现薄弱层并确保竖向传力路径的有效性。建筑立面应尽量采用矩形、梯形、三角形等均匀变化的几何形状，避免采用带有突然变化的阶梯形立面。刚度突变部位容易出现应力集中现象，不利于建筑的抗震设计。

（三）具备必要的强度和良好延性及多道设防原则

结构体系的抗震能力综合表现在强度、刚度和变形能力三者的同意，也就是抗震结构体系应具备良好的强度和良好的变形耗能能力或者说延性。如果结构体系有较高的强度但缺乏足够的延性（如不设置圈梁构造柱的砌体结构）时，在地震时候很容易被破坏。另一方面，如果结构有较大的延性但强度不足（如纯框架结构），在强烈地震下必然产生很大的变形、破坏严重甚至倒塌。因此，在设计中重视结构的整体性与变形能力，对结构的其强度延性予以充分保障，由此能够保证建筑结构所具有的稳定性，是防止在大震中倒塌的关键。震害调查表明：破坏性强震具有持续时间长，脉冲往复次数多的特点。单一结构体系只有一道防线，一旦被破坏就会造成建筑物倒塌。当房屋采用多道防线（两道或三道）时，第一道防线在强震袭击下被破坏后，后续防线能接替抵抗后续的地震冲击，从而保证建筑物最低限度安全，免于倒塌。所以设置多道防线是必须的也是“大震不倒”的基本要求。符合多道设防的结构体系有框架—抗震墙体系、框架-支撑体系、框架—筒体体系、筒中筒体系等，这些结构体系在地震力作用下，大部分水平力首先由这些侧向刚度大的抗侧力构件予以承担，而形成第一道防线，框架退居第二道防线，从而实现多道设防。

二、有关于高层建筑中常用的结构体系及其特点的概述

（一）剪力墙结构概述

剪力墙结构所指的是用钢筋混凝土墙板来承受竖向和水平力的结构。也就是说剪力墙结构体系的抗侧力构件都是由剪力墙组成。剪力墙结构具有如下特点，第一，其墙身平面内的抗侧移刚度很大，而其墙身平面外刚度却很小，因此比框架结构有更好的抗侧力能力。第二剪力墙结构有很好的承载能力，而且有很好的整体性和空间作用，在房间内隐藏了梁、柱棱角等，便于室内布置发，方便使用。第三，剪力墙结构属于刚性体系，结构也具有一定的延性，具备较好的抗震性能。由于在结构平面布置中剪力墙的间距有一定限制，故不可能开间太大，因此对需要大空间时就不太适用。剪力墙结构一般适用高层住宅、公寓和旅馆。

（二）框架-剪力墙结构概述

框架-剪力墙结构简称框剪结构，竖向受力构件由框架柱和剪力墙组合而成。框架柱和剪力墙协同承受竖向及水平荷载。它具有框架结构平面的布置灵活，有较大空间的优点，可以满足建筑对于各种不同功能的要求，又具有侧向刚度较大的优点，建筑所受的水平力主要由剪力墙承受，而在竖向荷载主要由框架结构承受。框架剪力墙结构体系是符合多道抗震防线要求的结构体系，在该结构中抗震墙由于其侧向刚度大，成为第一道防线，框架则是抗震的第二道防线。比剪力墙体系延性好，布置灵活。框剪结构多用于10～25层左右的商住楼、办公楼、写字楼等。

（三）筒体结构的概述

筒体结构又分为框加-核心筒及筒中筒两种结构，框筒结构中心为抗剪薄壁筒或密柱框架围城的框筒，外围为普通框架所组成的结构。筒中筒结构即中央为薄壁筒，外围为框筒组成的结构。筒体结构具有造型美观、使用灵活、受力合理，以及整体性强等优点，适用于较高的高层建筑。目前全世界最高的100幢高层建筑约有2/3采用筒体结构;国内100m以上的高层建筑约有一半采用钢筋混凝土筒体结构。筒体结构也是符合多道设防的结构体系，由延性框架和筒体两个延性较好的分体系组成。

（四）钢-混凝土混合结构的概述

混合结构是指由钢、钢筋混凝土、组合构件三类构建中的任意两种或两种以上构件组成的结构。是近年来在我国迅速发展的一种新型结构体系，主要结构形式有：混合框架结构、框架-剪力墙混合结构、筒中筒混合结构。混合结构兼有混凝土结构刚度大、材料施工成本较低、抗火性能好的特点及钢结构自重轻、构件截面尺寸小、抗震性能好、施工进度快的特点。 已引起工程界和投资商的广泛关注，目前已经建成了一大批高度在150m～200m的建筑。

三、建筑结构的抗震设计

（一）抗震设防的目标及目标的实现

我国现行的《建筑抗震设计规范》1.0.1条提出了建筑抗震设防的基本思想和原则，以“三个水准”为抗震设防目标。第一水准即当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，主体结构不受损坏或不需修理可继续使用;第二水准即当遭受相当于本地区抗震设防烈度的设防地震影响时，可能发生损坏，但经一般性修理仍可继续使用;第三水准即当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。简便的说就是“小震不坏、中震可修、大震不倒”。三水准设防目标有明确的概率指标，是着眼于结构抗震安全的性能目标。为实现“三水准抗震设防目标”而采取了“两阶段是设计步骤”，第一阶段设计为“小震”作用下的构件截面抗震承载力验算和相应的构造措施，在这一设计阶段中，要根据概念设计采取有效的抗震构造措施，从而使大多数结构可以定性地满足第三水准的要求。对于大多数建筑结构只需进行第一阶段的设计即可做到“大震不倒”。第二阶段设计为“大震”作用下的弹塑性变形验算，并采取提高变形能力的构造措施，目的是防倒塌。主要针对强震时易倒塌结构、有明显薄弱层的不规则结构及其他有特殊要求的建筑。以实现第三水准的设防要求。对大多数结构则无需进行第二阶段设计。

（二）抗震概念设计应把握的重点问题

历次地震表明，我国地震区划所规定的烈度有很大的不确定性，抗震设计还处在摸索阶段，地震理论还有待完善。重视建筑抗震概念设计，是抗震设计应把握的要点。而抗震概念设计的应把握的要点有如下几点：

1、结构体系问题是结构设计应把握的头等重要的问题，应注意体系的合理性，优先采用抗震能力强、延性好、耗能能力强、便于施工的具有多道防线的结构体系（如采用框架-抗震墙、框架-筒体结构等），注意对承载力和刚度及延性的合理把握。采用合理的基础方案。

2、结构布置问题，应采用概念清晰，传力路径明确的结构布置，避免造成结构扭转、平面和立面里出外进、竖向传力构件的间断等其他不规则。注意把握抗震墙的合理间距问题、结构协同工作问题、上部结构与地基基础的协调变形问题等。

3、结构抗震设计的关键部位，注意对结构体系的关键部位、结构构件等关键部位的把握，实现“强剪弱弯、强柱弱梁、强节点弱杆件及强柱根”的设计理念。注意对加强部位（竖向构件的加强部位、楼面结构的加强部位、地基基础的加强部位等）的把握。

四、结语：

房屋建筑结构体系选型及抗震设计设计具有较强的专业性、综合性，以及系统性的特点。在建筑的结构抗震设计过程中要求结构工程师和建筑师相互配合，对工程实际的情况进行有效结合，依据在学习和实践中所建立的正确概念，运用正确的思考和判断力，正确和全面地把握结构整体性能，重概念、轻精度，抓大放小，这样才能设计出经济合理、安全可靠、抗震性能良好的建筑。

参考文献：

[1]GB50011-2010《建筑抗震设计规范》（2016年版）[S].北京：中国建筑工业出版社，2016

[2]JGJ3--2010《高层建筑混凝土结构技术规程》[S].北京：中國建筑工业出版社，2011

[3]住房和城乡建设部工程质量安全监管司，中国建筑标准设计研究所，《全国民用建筑工程设计技术措施-结构（结构体系）》[M].北京：中国计划出版社，2009：53

[4]朱炳寅.《建筑抗震设计规范应用与分析GB50011-2010》[M].北京：中国建筑工业出版社，2011：3-62

作者简介：余云龙（1983-）男 工程师 本科 主要从事建筑结构设计方面的工作。

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