房屋结构设计中的抗震技术分析

2014-04-06高炳鹏

山西建筑 2014年13期

高炳鹏

(同济大学结构工程与防灾研究所，上海 200092)

结构抗震设计是房屋设计中的关键内容，如果设计不当将会严重影响房屋的安全、质量和使用寿命。作为地震频发的国家，我国每年有大量的房屋因为地震而坍塌，给人民生命财产和安全造成了极大的损失。所以，在房屋结构设计中必须考虑抗震技术的应用，在各个环节体现出来，涵盖梁、柱、墙体和地基等，房屋整体抗震质量提升了，承受能力才会增强，人民才能更安全放心地居住。

1 房屋结构设计中应用抗震技术的必要性

作为当今世界主要自然灾害之一，地震以其破坏力大、不可预测而给很多房屋建筑工程结构带来严重的破坏。国家的抗震规范中对建筑物的要求为:“小震不坏、中震可修、大震不倒。”即在小震下地震不能破坏建筑、中震时建筑可以维护加固、大震时建筑不倒。根据这个标准，我国在建筑物建设时不断探索和实践，取得了较大的进步，地震时因为建筑物不牢固而造成的人员伤亡也在不断下降。尽管在控制人员伤亡方面有进步，反映了人们进行房屋结构设计以生命安全为主要目标的原则，但是很多房屋建筑在经历小震后建筑物会出现很大的损坏，很多原有的建筑物功能也不能再发挥作用。在当今社会条件下，很多房屋建筑内的技术配备和装修花费比建筑物本身的价值要多得多，因此地震带来的损失还是比较严重的。在这样的背景下，进一步优化房屋抗震设计，在避免人员伤亡的同时保护房屋建筑功能已经成为一个亟待解决的课题，也是建筑设计单位必须考虑的问题。

2 抗震设计在房屋建筑结构设计中的应用

作为房屋建筑施工中的最关键的地方，房屋结构设计合理才能保证房屋的安全系数，才能提高整个工程质量。大多房屋在设计时都遵循“经济、实用和安全”的原则，而抗震设计同样也是以这条原则为基础，结合地震本身的瞬时破坏和不确定性的特点，探讨了保证安全和应对自然灾害的设计思路。

2.1 房屋整体平面和竖向布局设计

在房屋结构设计中，一项最基础的内容就是对构件的竖向和平面进行合理布置，因为墙、柱的平面位置会很大程度的影响其抗震性能。因此在设计中，为了增强房屋结构的抗震功能要遵循以下原则:竖向和平面构件简洁整齐，刚度中心和质量中心重合。在竖向设计中，要杜绝头重脚轻的现象出现，即尽量使房屋的中心降低，另外要减少错落的竖向结构这种方式的设计。严格控制房屋结构竖向高强度和刚度，保障其均匀性。另外为了避免鞭梢效应的出现，高出屋面的建筑部分要严格控制。总而言之各方面的设计均要考虑抗震性能，避免不规则的设计方案，如果因为建筑物的特殊要求而不得不进行严重不规则的设计时，一定要做好补救措施，即设置抗震缝，对建筑物进行划分，使其形成一个个独立个体，这样才能达到要求。在保证房屋造型优美和满足使用的同时，兼顾抗震能力是现代建筑的主要设计原则。

2.2 提高房屋结构的抗震能力设计

提高抗震能力需要综合分析，考虑地基、抗防线、材料重量、空间等各种因素，具体可以按照以下几点来设计:1)地基要打结实。地基是所有建筑物防震最根本的部分，必须保持其稳定性，因此要使用抗震能力较强的地基，不能使地基变形。并且同一房屋的结构单元的地基性质要一致，整体设计要充分发挥地基的抗震作用。2)房屋结构设计要均匀、对称，使得承受力能够均匀分布，借助结构对称来降低地震的影响力，防止受力集中而引发的部分扭曲坍塌现象的出现。整体结构的设计中，要采取多重保护措施来增加抗震能力，对于容易发生坍塌的薄弱环节要针对性地采取牢固措施，从而减少危险因素，防止安全事故的发生。3)在进行房屋设计时，在保证建筑物牢固性的基础上，要尽可能地减少自身的重量，从而减轻地基的压力，这样一旦发生地震，能够有效缓解地震对建筑物的冲击力度。延长屋内人员的逃生时间，同时也能对普通级别的地震起到很好的抵抗效果。4)在设计的时候要注意各个环节不同平面上的连接，使其成为一个整体，空间结构相对统一。另外建筑的竖向结构的刚度必须要满足能够支撑整个建筑重力。

2.3 降低地震对房屋结构的破坏作用设计

在降低地震对房屋结构的破坏作用方面，使用最广泛的就是隔震层。隔震层被安装在房屋的主体和基础部分连接的地方，有的设计师会添加一个反摆在建筑物的顶部，反摆的作用是在地震发生时偏移房屋至反方向。在反摆设置合理的情况下，能够大幅度削弱地震的破坏作用。因为反摆在地震发生时，会产生阻尼运动，针对地震方向的加速度会产生一个相反的加速度，两两抵消从而使地震方向的加速度变小，最大限度的降低地震引发的房屋受损程度。目前这种方式的应用还不成熟，但是已经应用在建筑抗震方面的效果是十分明显的。

2.4 房屋结构刚度设计

建筑物刚度的合理设计是房屋结构设计中的关键内容，所以选材的时候必须考虑钢筋混凝土型号。特别要注意的是在使用“钢结构”进行双层加固时，要明确已有的钢筋混凝土的刚度，保证上下两层的刚度和阻尼比相同，如果不相同则会埋下安全隐患，必须杜绝这种情况的出现。假设钢筋混凝土作为整个房屋结构抗侧力的主要体系，屋盖的部分则采用钢结构，就必须要按照相关的规定对抗震进行设计。特别注意的是不能使房屋结构刚度过大，否则地震发生时，房屋结构将会承受太多的力，引发严重的后果。另外这样也会浪费很多建筑材料。如果地震刚度不足的，房屋结构会特别容易变形，这样严重影响到建筑的本身的结构强度以及日常生活中的正常使用功能。

3 抗震技术在房屋结构设计中的创新

在上文中，我们提到两项新的技术:隔震技术和消能减震技术。这两项技术目前在国外正在尝试使用，但是在国内建筑物中的应用还比较小，这也是本文在房屋结构设计中的创新之处，具体应用在房屋建筑工程中，将会大大降低地震对建筑物造成的损坏。下面针对这两项新技术的具体应用，做进一步的阐述。

3.1 隔震技术

隔震技术的主要工作原理是使房屋结构的自振周期增长，从而减弱地震发生时输入上半部分的作用。因此建筑施工人员在施工时必须采用先进的建筑施工设备，根据图纸规范操作，熟练的应用架设和铺设技术。建设过程中，要将底部和上层分割进行，铺设隔震装置时，要保证其稳定性，这样才能更好的发挥作用。整个建设过程中，要实时采用精确度较高的仪器进行检测，保证上层和底部建筑分割的有效性。隔震装置的选择也是要注意的地方，不能以次充好，使用假冒伪劣产品，要选用较高质量、寿命长、牢固的装置，从而使其承载能力足够。除此之外，还要做好足够的措施，对隔震装置进行保护，并在以后的使用过程中进行定期保养，从而延长其使用寿命。

3.2 消能减震技术

阻尼元件设备能够有效的保护房屋结构的重要部位，但是如果施工和安装不合理，这些元件将不能发挥作用，因此必须合理的铺设这些阻尼元件。消能减震技术在施工过程中，要把握好关键部位的安装，特别是墙体内部的一些细节结构，必须安装到位，保证每个环节都被加固。为了使内部结构更稳定，阻尼元件要选用架构兼顾类型的。选用安装技术要统筹兼顾，把握关键环节的关键技术。