抗震结构设计小结

面对全球地震频发，作为一名结构设计工作者不仅要懂得如何运用规范及软件进行设计，同时也要不断地在实践中总结经验。尤其是经过汶川大地震，建筑不仅仅只要求满足使用功能就可以了，而是如何在经济的条件下保证大震不倒，中震可修，小震不坏。以下是我们在设计中的设计总结。 1 结构与建筑的协调（概念设计） 近些年来我国建筑不断涌现，在设计中首先要对结构进行概念设计。所谓结构概念设计，即为不经过数值计算，或者难以做出精确分析以及规范中无明确条文的规定，仅通过对整体结构分体系之间的力学关系和设计基本原则进行分析，解剖建筑物的荷载路径和结构构架间的相互关系，建立整体结构类型、基本受力分体系，从整体角度把握结构体系的选择以及构件布置。因此结构概念设计对于结构工程设计师来说具有非同一般的意义。 （1）结构选型基本原则。结构体系的选择没有任何标准，它往往随着建筑环境，地基基础条件，建筑材料以及建筑功能、建筑造价等各种因素而有所变化，所以合理的选择结构体系首先要清楚各种结构体系的优点和不足，才能针对不同要求做出正确的选择。 结构体系即建筑物的主要受力结构构件组成的系统，它有三部分组成：水平结构体系，垂直结构体系和基础结构体系。 水平结构体系构件由梁、板组成。选择梁的类型通常参照楼面荷载数值，墙柱开间和跨度，楼层高度以及使用要求等因素。在一般情况下，梁截面尺寸通常取值：普通简支梁高度为l/12~1/10，多跨连续梁为l/18~l/12，多跨连续主梁及承台联系梁：l/15～l/10，悬臂梁：l/6~l/5。 垂直结构体系构件由柱、墙、筒体和桁架组成，根据构件类型组成不同：框架结构，框架-剪力墙结构，剪力墙结构，框架筒体结构，筒体结构，桁架结构等。现就前三者特点做如下比较：框架结构比较容易实现大跨度空间，有利于建筑功能使用但是结构柱抗侧刚度小，地震力作用下楼层侧移大，楼层高度亦受到限制；剪力墙构件承载力高，可承担较大的水平剪力，但结构开间小且抗震剪力墙整体抗侧刚度大，地震荷载作用下基底剪力较大；框架剪力墙结构则揉和框架结构和剪力墙结构两者的长处，可通过调整剪力墙和框架柱的比例，使楼层层间位移表现出良好的均匀性，此结构一般结合水平结构体系进行整体设计。 基础结构体系分为独立基础，条形基础和桩筏基础，箱型基础。基础埋深要根据建筑场地地基土的土质以及当地地震荷载，风荷载大小进行调整。埋置较深基础因基础对上部结构的嵌固作用能有效的降低震害，但是过大的基础埋深也会造成基础覆土重的增加，从而增加了基础面积。 2 结构构件设计参数的选择与确定（软件模块的应用） PKPM系列程序是为房屋建筑设计开发的系列程序，结构整体空间分析子程序包括TAT和SATWE两个模块。 TAT是多高层建筑结构采用薄壁杆件原理的空间分析程序，在三维空间分析时，此程序假定楼板平面刚度无限大，在水平力作用下不发生变形，而只发生平移和转动。因此该程序适用于整体楼板且没有大面积开洞的建筑物。SATWE是专门为高层结构分析与设计而开发的基于壳元理论的三维组合结构有限元分析软件。其核心是解决剪力墙和楼板的模型化问题，对于尺寸较大或带洞口的剪力墙，由程序自动进行细分，然后用静力凝聚原理将由于墙元的细分而增加的内部自由度消去，从而保证墙元的精度和有限的出口自由度。 结构设计中需要控制结构的基本自振周期、结构层层间位移和楼层基底剪力三个重要参数，第一自振周期是整体结构刚度的集中反应；扭转为主第一自振周期与平动为主第一自振周期的比值反映结构平面结构体系能否直接提供抗扭刚度的直接体现；结构楼层层间位移则是各楼层相对刚度的集中体现；基底剪力是否大于基底最小剪力指标则是反应楼层的柔度指标。 3 结构构件的设计 结构体系既然由墙、柱、梁等构件组成，结构设计最终要回到构件设计，进行结构构件设计除了完成整体到构件力学体系的分析设计，同时要顾全全局，合理布置结构构件。①对于单跨、大开间、跨度较大的单面走廊，因为抗震防线少，纵、横向刚度不均匀，地震扭转效应明显，抗震性能差。其加强措施：a．框架结构可在端部增设框架柱，将单跨框架变成多跨，以增加结构弱轴方向侧向刚度。b．砌体结构底部一层或二层宜增加墙体厚度，提高砂浆强度，横墙更少时可为配筋砌体，并在窗台处或墙体半高增设通长水平系梁，以加强对砌体墙的约束。同时楼、屋盖做成现浇板，以提高房屋整体性。②对于底部框架上部砖房，此类设计应符合《抗震规范》第7.1.8条关于结构布置和第7.5节关于抗震构造措施的规定。该类建筑由于功能的特殊性，下部为大空间，上部为小开间，临街面有时需要开设较大门洞，这样墙、柱布置受到一定限制，有时还要调整上部建筑布局，以适应下部结构，使建筑与结构相统一满足上述要求。④对于采用预制板装配式或装配整体式楼、屋盖，因为承重结构承载力不足。对于此类建筑关键是要保证承重结构抗震承载力，同时也不放松对预制板连接的要求。应确保预制板之间连接的整体性。建筑采用预制板时，其措施应符合下列要求：a．预制板采用高强度预应力作主筋；b．预制板侧边采用双齿槽边，拼缝清理、湿润后用膨胀混凝土灌缝且加强养护，以加强楼盖整体性并控制拼接裂缝；c．“硬架支模”施工：板端靠墙支模或砂浆铺垫、板端堵孔、钢筋互连、圈梁拉结筋、通长构造筋浇筑混凝土；d．在强震区根据国家标准图集《建筑物抗震构造详图》（97G329-3）的要求布置现浇带，板侧、板端加构造钢筋或做成叠合楼板等，详见图集。 （4）楼梯间楼板错层，踏步板刚度较大，地震作用集中造成楼梯间倒塌，踏步板被拉断， 严重影响了人员逃生，也给救援工作造成困难。所以《抗震规范》分别从计算和构造考虑楼梯间的安全问题。具体规定见《抗震规范》第3.6.6-1条、第7.3.1条和第7.3.8条，同时，楼梯间布置也不宜设置在房屋的尽端和转角不利部位。 （5）突出屋面的小塔楼、造型等抗震验算时应放大地震力，防止出现鞭梢效应放大值见《抗 震规范》第5.2.4条。塔楼设计时应加强与屋面主体结构的连接，提高塔楼的变形能力，使其在大震作用下不致脱落。 （6）大跨度屋盖应采用钢屋架或网架，并保证其整体性。结构工程设计是一项繁琐的工作，希望通过本文作者的粗浅认识能够为同行提供一点帮助和启迪。 信息来源：http://www.hnccpm.com