抗震概念设计及其在钢结构住宅体系中的应用

抗震概念设计及其在钢结构住宅体系中的应用

张鲛

云南奕辉建筑设计有限公司 云南省昆明市 650200

摘要：现代大型建筑普遍采用钢结构住宅结构体系，因其高强度、轻质、高可靠性、易于安装等特性，取得了显著的成效。使用钢结构进行建筑，其结构性能优于混凝土建筑，同时施工周期明显缩短，建造成本也相对较低。然而，我国目前在钢结构住宅的建设过程中遇到了许多问题，导致了较大的安全风险。特别是在钢结构住宅的构造和抗震性能方面，需要进行更深入的研究，以确保钢结构住宅的安全性得到有效的保障。

关键词：钢结构住宅体系；抗震概念

引言：

抗震概念设计作为现代建筑学的一个重要分支，核心目的在于通过创新的设计理念和技术应用，最大程度地减少地震对建筑和居住者的影响。要求结构设计师要深入理解建筑结构的物理特性，对环境条件进行精确分析，确保每一项设计决策都能够提升建筑的安全性，从而保护人们的生命安全和财产安全。

一、钢结构住宅结构体系

1.钢框架结构体系

钢框架结构体系，以其纵横交错的框架为建筑的骨架，明确了受力部位，简化了结构设计，极大地提高了空间使用效率。钢框架结构体系的构造简洁，便于大批量生产和快速安装，优化了建筑施工流程。然而，其在面对地震等自然灾害时的表现并不理想，尤其是对于超过十五层的高层建筑，其抗震能力的局限性要求设计者和工程师在选用时必须审慎考虑，确保建筑的安全性和稳定性。

2.支撑结构体系

钢框架-支撑结构体系在基础的框架结构之上引入了竖向的支撑元素，既增强了建筑对水平力和侧向力的抵抗能力，也显著提升了抗震性，尤其适合于高层建筑的需求。通过精心布置的支撑结构，仅能够有效减轻结构自身重量，降低了建设成本，为高层及超高层建筑提供了一种经济高效的解决方案。然而，施工的复杂性及对支撑布局的高要求，使得其在实际应用中面临挑战，特别是不合理的支撑布置可能限制建筑空间的使用和布局的灵活性，要求在设计与施工过程中兼顾结构安全、经济性和空间的合理利用。

3.剪力墙结构体系

剪力墙，俗称为抗风墙或抗震墙，通过其独特的构造，有效防止了由剪切力引发的结构破坏，从而为高层建筑提供了更加坚实的支撑，使之能够承载更重的负荷。在钢框架-剪力墙结构体系中，建筑的竖向负荷主要由钢框架承接，横向荷载则由钢框架与剪力墙共同分摊，确保了结构在面对侧向推力，尤其是地震带来的剪力时，能够展现出卓越的抗震性能。不同类型的剪力墙，包括钢板结构、钢板混凝土组合墙板、以及钢筋混凝土剪力墙，都为高层住宅的安全性提供了强有力的保障，进而使得高层建筑的设计和施工能够达到新的高度。然而，需要注意的是，在极端地震条件下，剪力墙可能会在局部区域受损，要求在设计阶段就充分考虑其布局与细节，以优化整个结构的抗震能力和安全性。

4.混凝土核心筒体系

钢框架-混凝土核心筒体系是一种将钢筋混凝土核心筒与钢框架融合的结构方式，旨在发挥两者的综合优势。其中，核心筒承担了绝大多数横向荷载，超过90%，而钢框架则主要负责竖向荷载的承载。这种结构的设计不仅提高了建筑的承载能力，使其能够应对更大的荷载，同时也在高层建筑的施工中广泛应用，特别是因为它有效地节省了材料使用，进而大幅降低了工程造价。尽管钢框架-混凝土核心筒体系与钢框架-剪力墙结构体系有众多相似之处，但在遇到强烈地震时，如果核心筒遭受破坏，钢框架与核心筒之间不够紧密的联系可能会影响到整体结构的抗震性能。

5.交错桁架结构体系

交错桁架结构体系以其独特的构成——柱子固定在建筑外围，桁架搭建在柱子之上，楼面板安装在桁架的上下弦中——优化了钢结构住宅的空间利用。使得横向荷载得以由桁架承担，减轻了柱子的负担使其主要承受轴力，显著减少了对住宅空间的占用，为建筑提供了更多的使用空间。尽管交错桁架结构体系在空间节省方面表现出众，但其结构复杂度较高，给施工带来了不小的挑战，特别是在高层钢结构住宅的施工中更是如此。因此，虽然这一体系能有效提升建筑空间的利用率，但在应用时需充分考虑其施工难度，确保既能利用其优势又能妥善解决可能遇到的技术挑战。

二、钢结构住宅体系中抗震概念设计的应用

1.抗震结构体系的选择

在应用抗震概念设计于钢结构住宅体系时，重点在于选择能明确展现计算简图和内力传递路线的结构体系。设计需确保在地震中，通过设置多层防护，如让框架结构中的填充墙或框架-抗震墙结构中的抗震墙先于主结构承受损伤，从而增强整体的安全性。在地震发生时优先牺牲非结构元素，保护承重结构不受严重影响，确保建筑整体的抗震性和承载力，有效保障居住者的安全。

2.注重抗震结构的设计

当前，高达150米的建筑物主要依托框-筒、筒中筒、框架支撑等三种结构体系，这些体系已经成为抗震设计中的优选方案。鉴于我国的钢材生产能力强大，并且钢结构制造技术已经取得显著的进展，建议在结构设计中广泛采用钢骨混凝土、钢管混凝土结构以及纯钢结构。这不仅可以利用钢结构的高度适应性和优异的抗震性能，还可以通过调整柱断面尺寸来进一步提升建筑的抗震能力。同时，建筑设计应从传统的刚性抗震向柔性抗震转变，以柔性结构来吸收和分散地震能量，达到以柔克刚的效果。

3.合理选择钢结构住宅场地

因为地震的影响以及由此可能引起的不同程度的破坏直接受到地质条件的制约。地质条件的优良不仅是钢结构住宅能否有效抵抗地震灾害的重要因素，更是选址时必须科学合理并慎重考虑的前提。优选的场地应具备地质坚硬、地势开阔等特点，有利于提升建筑的抗震能力，避免地震活动导致的地基不稳定和塌陷，从而预防建筑坍塌的风险。反之，地质松软、地势狭窄的区域，比如河岸或山坡地，应尽量避免，因为这些地区在地震发生时更容易造成严重的后果，如建筑损毁、人员伤亡和财产损失等。此外，选址过程中还应避开易发生泥石流、滑坡等自然灾害的地段，以防地震发生时遭受多重自然灾害的叠加影响，造成更为严重的损失。

4.树立概念设计理念意识

在钢结构住宅体系的抗震概念设计应用中，工程师面临的问题是如何将建筑的功能性与美学需求与结构的安全性和稳定性完美融合。要求结构工程师在设计实践中不断积累经验，而且要主动深入参与到每一个设计阶段，避免仅仅依靠规范和计算软件的自动输出。真正的挑战在于将注意力集中在建筑方案阶段的结构概念设计上，要求结构工程师综合运用其掌握的理念，挑选出既满足建筑功能和美观，又经济实用的结构方案。

5.合理布局结构性预制件

混凝土和钢结构构件的精确布局，特别是在其竖向和平面的安排上，直接关联到住宅的抗震性能。通过优化错落有致的竖向结构和平行结构的布置，能显著提升整个钢结构住宅的抗震能力，尤其在增强竖向刚度和强度方面，设计必须确保能够对抗震性提供积极的支持。在施工阶段，维持工件使用的均匀性，严格掌控外部设计布局及抗震缝的精确位置，是保障钢结构住宅全功能性及其抗震耐久性的重点，同时也影响到建筑的视觉效果。对于墙面的砌体刚度和整体性而言，采用现浇混凝土楼盖是一种有效的方法，混凝土结构在水平高度和整体性能上具有明显优势，已通过大量的抗震实验验证其效果。施工时，要确保抗震墙体在平面上的水平对齐，解决建筑分散和位移的问题，同时结合构造柱和钢筋的均匀分布，以优化住宅的整体抗震性能。

结语：

综上所述，钢结构住宅体系中抗震概念设计的应用彰显了对居住安全的深刻关怀。通过选择抗震结构体系、注重结构设计、科学选址、树立设计理念意识，以及合理布局结构性预制件，能够提升住宅的整体抗震性能。上述策略的实施，展现了结构工程师在抗震设计中的核心作用，为构建更安全的居住环境奠定了坚实的基础。

参考文献：

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[3]张鸿.浅谈结构抗震概念设计在钢结构住宅中的应用[J].建筑工程技术与设计, 2016.