建筑体型与抗震设计

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   摘要：最近几年由于城市的快速发展，土地资源的匮乏，农村人口向城市迁徙，城市的住宅楼房高度不断攀高。中国经济的快速发展，不断新建建筑，这里给建筑师们提供了无限想象的空间。最近几年出现了许多有违结构受力和动力特性的房子。2008年汶川地震后各地频发地震，高层建筑抗震设计提出了难题，在建筑体型是抗震的重要因素之一，那么建筑体型与抗震设计变得重要。

结构工程师William Holmes 1976年的文章；

“长期以来已证实，体型以及结构抗震体系的简明性与直接性，如果不比实际侧向力设计重要的话，则也是同等重要的”

下面就建筑体型对抗震的影响进行探索。

尺度

在日本由于地震多发区，居民一般居住在低矮的木或混凝土结构当中，由于尺度较小重心比较低，当发生地震时所产生的剪力不足以破坏。有人说木结构抗震好，是建立在尺度小、自重轻、材料强度足以抵抗。树长到一定的高度就不会长高了，它会受到重力的作用树材质的原因限制了它的高度。所以要把房子尺度做大，那么就需要更好的材料。

楼房的高度在不断的刷新，如果以现有的材料那么我们为了抗震和抵抗自重，我们就要不断的去把柱子做大，才能达到，这样是不经济的。鸡蛋和鸵鸟蛋，鸡蛋很薄，鸵鸟蛋壳很厚且坚硬，因为鸵鸟蛋很大。

近年，农村的房子令人堪忧，在我老家我每次回家发现新修的房子，虽说尺度小，他们连构造柱都没有，平面布局也不合理，这么做是不足抵抗地震的到来的。政府应该设立一个免费指导，帮助农村砌筑房子的部门。

我们因就什么样的场地材质抗震要求去选择自己最合理最经济的尺度。

高度

增加建筑的高度如同增加悬臂梁的跨度。其它条件都相同的情况下而言的，当建筑逐渐增高它的周期通常变大。T=2π   k—单位位移需在质点上施加的力。高度变大，k变小那么周期变大，意味着反应水平和力的大小的改变。

建筑周期不仅仅是高度的函数，也是高厚比、层高、结构体系和材料的类型以及质量分配等因素的函数，变动周期，从而增加或减少地震力。

平面尺寸

在抗震中平面尺寸大那么难以倾覆，最易被人察觉。但是太大的水平投影面积也是不利的。

“在决定地震力时，通常假定结构振动为一个系统，在这一系统中所有位处同一水平的各点同一时间的位移、速度与加速度是同相位的，它们的振幅是相同的。实际上，因为地震波的传播不是瞬时的，但根据地层的密实度和结构构件的特征而有一最终的速度，建筑基础的各个部分沿其长度方向以不同的加速度作异步的振动，这样就引起附加的纵向压——拉应力和水平的位移。其它的条件相等时，建筑越长，这些应力的或然率越大，它们的影响也越大﹍﹍”

建筑长度的增加，温度应力以及预先存在的或地震引起的沉降应力也是比较大的，这些应力可以和侧向力引起的应力相叠加，对抗震也是不利的。

比例

在抗震设计中，建筑的细长比，它比单一高度更需要考虑的问题。建筑在地震力作用下，建筑越细长地震倾覆的越厉害，再加上重力二阶效应，外侧柱子压的越厉害。

在平面长宽比中，如长宽比很大，一般我们在受力布置柱时，都是选择跨度较小的横向布置，这样可能造成纵轴方向刚度很大。那么横轴方向边柱受到很大的压力，边柱中间相当于长细梁，将会变得十分柔软。

对称性

对称性，关于某一轴两边图形都是相同，质量与抗力中心位于同一点上。结构的不对称会引起质心与刚度中心之间的偏心并导致扭转。如果要去设计抵抗扭转那么难度之大，人们也不好控制。

不对称性往往会导致应力集中，像凹型建筑在转角处应力集中。我们图书馆凹型建筑，设计师们在开口处设计了一根梁，用梁来改变应转角的应力集中。用梁带动左右两边一起振动。

当建筑变得对称时，它遭受的扭转与应力集中将趋减小并且它在地震荷载下的性能往往会变得不难分析和更可预测。

结构平面密度

建筑结构平面的密度影响建筑的抗震性能。建筑越高，水平荷载越大，结构平面密度也就更大。

结构平面密度，因从多方面分析，西方石建筑密度高达50%，因为石建筑不能很好的把所有构件连成一个整体，而是靠柱子自重去维持稳定。混凝土结构平面密度小。在抵抗剪力方面，可以把力通过梁传给其它的柱子。我们最了解的是门架结构。这样连成整体大大提高了抗震能力。

周边抗力

我们车子传动轴是用圆钢做的，因为抗扭性好,I=πd^4/32。如果我们把剪力墙做成核心筒,筒的边长不变，每边边长不变，向外扩大。这样有利于抗倾覆和抗扭矩，因为力臂变大。

在所有方向具有相等承载力的圆形平面是与抗震设计中所有的不定性相适应的。假设地震力可来自任一方向，并不是说每次地震在所有方向都相同地振荡地面。

假如我们知道地震力沿某一轴作用，那么我们就可以有效地抵抗这种荷载。在计算自重和楼面荷载时，我们就是这样去计算的。因为我们知道它们的方向。我们一般把房子设计成正方形，这样可以有效的去抵抗各个方向的地震力的作用。

结论：我们在设计建筑时，我们不刻意的去追求畸形怪样去凸显建筑的独特。央视大楼大悬挑我们为了抗震为了不倾覆，我们在做基础时花费了大量的材料，而且安全性、动力特性又不好。我们按自然规律去设计，自重作用向下，地震方向不知去设计。在建筑体型与抗震方面无非不是考虑建筑在受到水平作用下，对建筑产生剪力、弯矩及受扭的设计。我们在材料力学里面知道，什么样的截面抗弯抗扭好。怎样的支撑临界压力高，稳定性好。我们建筑也就是像一根棍子插在地里。

在建筑选型里，选择合适的竖向承重结构，合适的水平承重结构，合适的基础结构，力求经济、合适、安全，可靠性高的体型。

参考文献

【1】C.阿诺德  R.里塞曼 著 何广麟 何广汉 译 建筑体型与抗震设计 

中国建筑工业出版社  1987

【2】沈蒲生 著    高层建筑结构设计（第二版）       中国建筑工业出版社        2011

【3】李国强 李杰 苏小卒  建筑结构抗震设计  中国建筑工业出版社  2009

【4】林同炎  结构概念和体系  中国建筑工业出版社  2008

【5】孙训方    材料力学      高等教育出版设   2009