浅析房屋建筑抗震结构设计

摘要：本文介绍了地震对于房屋建筑的影响，结合房屋建筑的抗震构造的要求对其抗震性能进行细致分析，并且从日本地震的角度分析了房屋的抗震结构设计。

关键词：房屋建筑；抗震；结构设计

中图分类号：TU3文献标识码：A 文章编号：

近年来随着自然灾害不断发生，尤其以地震灾害为主，使人们对房屋的抗震性能有了更高的要求。由于地震使房屋各部分发生了形变，也就是使其各部分都有地震力的作用。为了尽可能减小地震造成的人员伤亡以及经济损失，使得人们对于房屋的抗震性能有了更高的要求，这也就要求相关的房屋设计人员对房屋抗震结构进行优化设计，从日本建筑的设计角度入手，参考一些先进的设计理念，进一步提升我国房屋建筑抗震结构性能，通过制定科学合理的设计方案，从而确保实现房屋建筑的抗震设计目标。

1 地震对房屋的影响

地震是一种对房屋建筑危害极为严重的自然灾害，在地震发生的过程中，地面摇晃促使地面建筑随之颠簸摇晃，而对于一些高层建筑来说，当强大的地震波袭来时，楼体会自动顺着地震波方向摇摆，如果这些建筑在结构设计上达不到标准的抗震要求，就会在剧烈的摇晃中大面积的坍塌，造成更大的人员伤亡以及经济损失。根据房屋在历次地震中的破坏形态归纳为以下几类：

1.1 结构倒塌。结构倒塌是地震中高层钢结构房屋破坏最为严重的形式。其中结构楼层屈服强度系数和抗侧刚度沿高度分布不均匀所形成的结构薄弱层是引发结构坍塌最主要原因，这就要求在设计过程中应该尽量做到结构楼层屈服强度系数和抗侧刚度沿高度的合理分布。

1.2 节点破坏。节点破坏是高程钢结构房屋在地震中发生最多的一种破坏形式。由于钢结构连接一般采用铆接或者焊接形式连接，如果在节点的设计和施工中，结构或者焊缝存在缺陷，节点可能存在受力过于集中，一旦发生地震，就很容易出现节点破坏。由地震引发的梁柱节点破坏现象主要表现为铆接以及焊接部位断裂、腹板断裂或者加劲板变形等。

1.3 构件破坏。高层建筑钢结构构件破坏的形式主要有支撑的破坏与失稳以及梁柱局部破坏两种。支撑的破坏与失稳是指当遇到强度较大的地震时，支撑构件由于承受反复拉压的作用力，一旦作用力超过支撑构件的临界力时，就会出现损坏或者失稳；而对于梁柱局部破坏来说，框架柱主要有翼缘屈曲、翼缝撕裂甚至框架柱会出现水平裂缝或者断裂。框架梁，主要有翼缘屈曲、腹板屈曲和开裂、扭转屈曲等破坏形态。

1.4 基础锚固破坏。钢构件与基础的锚固破坏主要表现为脚处的地脚螺栓脱开、混凝土破碎导致锚固失效、连接板断裂等，在地震的作用下这种破坏形式也经常发生。

近年来，自然灾害频发，尤其是日本宫城9.0级地震被称为观测史上震级最大的地震，破坏程度可想而知，但是处于震区的房屋建筑在如此强烈的摇晃下，却没有出现严重的坍塌事故，这不得不让我们对日本人在房屋抗震的能力感到敬佩。

2 房屋抗震结构要求

要使房屋能够抵抗地震的作用，对其结构也有一定的要求。房屋在抵御地震破坏时，刚度和强度起到了非常重要的作用，其中刚度是房屋抵抗变形能力的大，而强度则是抵抗破坏能力的大小。房屋面积小、质量轻对于地震带来的危害也相对较小，因为房屋质量小，地震力也相对较小。但要注意的是房屋房屋的刚度并不是越大越好，厚实的房屋结构，在一定程度上可以承担更多的垂直重力荷载，但在另一方面却带来了更大的地震力，在同一栋房屋中，地震力的分配是与刚度相适应的，刚度大也就意味着具有较高的地震力。因此，要格外重视房屋的钢结构设计。

房屋的结构类型直接影响着高层钢结构房屋的抗震性能，所以在进行实际工程设计时，需要综合考虑多种因素对方案进行优化设计，在优化过程中确定最佳的结构体系。现阶段，我国高层钢结构房屋的结构体系主要可以分为框架结构、框架支撑结构、框架抗震墙板结构、简体结构以及巨型框架结构等。

结构平面的布置应该简单、规则和对称，确保结构具有良好的整体性。为了避免在遭遇地震的情况下高层钢结构房屋由于发生扭转和应力集中或者塑性形变集中或者因局部削弱或者突变形成结构薄弱部位。另外，还应使各层刚心和质心尽可能处于同一竖直线上，可以有效地减小扭转作用对建筑的影响。另外，还应该注意房屋的楼盖应该采用压型钢板现浇混凝土组合楼板或者非组合楼板。对于高层的钢结构房屋还应该设置地下室，因为地下室可以有效地提高上部建筑结构的稳定性、增强其抗倾覆能力以及增加结构下部整体性、减小沉降从而提升整个高层房屋的抗震性能。在设置地下室的基础形式时应该根据上部建筑结构以及地下室情况、工程地质水文条件很施工环境等因素综合确定。

在我国房屋的结构体系和结构布置的选择关系到整体建筑结构的安全性、适用性以及经济性。和其他类型的建筑结构一样，高层钢结构房屋应该尽量采用规则的建筑方案，当结构体型复杂、平立面不规则时，可根据实际情况在适当部位设置抗震缝，从而形成多个规则的抗侧力结构单元，由于钢结构可耐受的结构变形大于混凝土结构，一般来说不宜设抗震缝，必须设置时，应该将建筑物分割成规则的结构单元。总之，钢结构已经普遍用于各种类型的民用建筑中，尤其是在高层房屋建筑中钢结构的应用更为广泛。相比传统的混凝土结构，钢结构在韧性、强度以及质量上都有很好的优越性，所以也具有很强的抗震性能。但是，如果高层钢结构房屋在设计、材料选用以及施工制作和维护上稍有不当，则钢结构自身所具有的优越性就难以发挥，在地震作用下就会造成结构局部破坏甚至整体倒塌等灾难性后果。

3 房屋抗震结构设计

目前，抗震性能仍旧是房屋建筑领域的重要研究课题。在地震作用下，房屋的破坏机理和破坏过程十分复杂，所以要对房屋的抗震结构进行严密的设计，尽管现阶段普遍采用的高层钢结构房屋具有良好的抗震性能，但是一旦发生强烈地震，地震所产生的地震波使房屋建筑受到横向力的作用，使得钢筋混凝土柱子会受到剪力的作用，容易出现脆性破坏，也会出现不同程度的损害。要提高房屋的抗震性能就必须从结构设计、结构构造、材料质量以及施工技术等方面进行细致研究，例如在房屋抗震设计中体现强柱弱梁的原则，能够有效地避免了结构在地震作用下支撑柱先进入塑性区破坏导致整个房屋的倒塌。通过调整房屋结构中不同部分的地震效应或者不同构件的内力设计值，使房屋的整体结构具有较大的内力重分布和消耗地震能量的能力，减轻地震灾害带来的破坏。

处于地震高发区日本在这方面有着非常独特的经验，他们设计了一种弹性建筑，也就是利用房屋的延展性来提升其抗震性能。这种所谓的弹性建筑物是建立在隔离体上，隔离体由分层橡硬钢板组和阻尼器组成，建筑结构并不直接与地面接触。这种隔离体结构在遇到强烈地震时可以有效地减缓房屋上下的颠簸。在日本，一些民用建筑的墙体都是整体结构，这些整体结构的内部是类似石棉一类的充填物，这样一来，可以有效地减缓地震波对房屋所产生的破坏力。另外，一些地区的城市建筑物，地基部分普遍加上硬质橡胶和钢板，这也在一定程度上使建筑物本身具有了弹性，极大地提高了房屋建筑的抗震能力。

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