Single building and structure design of college graduate dormitory

Abstract:This project is the single building and structure design of the college graduate dormitory, with a total construction area of 4000 square meters (including the podium can be set), using the frame structure, the number of building floors is 4 floors, no basement.Frame structure is a space structure system with load-bearing skeleton connected by horizontal beam and vertical column through nodes. Flexible building layout can obtain large space or separated into small rooms; building facade is easy to handle; reasonable vertical load, light structure weight, sensitive to uneven settlement of structure, mature calculation theory; simple components, convenient construction and economical.

Key words: university; graduate student apartment; dormitory building; frame structure

一、前言

抗震设防是指对建筑物进行抗震设计并采取一定的抗震构造措施，以达到结构抗震的效果和目的。抗震设防的依据是抗震设防烈度。抗震设防烈度是一个地区作为抗震设防依据的地震烈度，应按国家规定权限审批或颁发的文件执行。一般情况下，采用国家地震局颁发的地震烈度区划图中规定的基本烈度。建筑结构抗震设防的目的是减轻建筑物的地震破坏、避免人员伤亡和减轻经济损失。抗震设防水准在很大程度上依赖于经济条件和技术水平，既要使震前用于抗震设防的经费投入为国家经济条件所允许，又要使震后经过抗震技术设计的建筑物的破坏程度不超过人们所能接受的限度。国际上的设防标准：抵抗小地震，结构不受破坏；抵抗中等地震，结构不显著破坏；抵抗大地震结构不倒塌。基于上述抗震设防标准，建筑物在使用期间对不同强度的地震应具有不同的抵抗能力，这可以用多遇烈度、基本烈度、罕遇烈度3个地震烈度水准来考虑。

二、高校研究生宿舍单体建筑框架结构抗震设计的思考

2.1 抗震设计的发展历史

新中国以后，随着人类对自然灾害的重视和科学的发展，人们认识到地震的危害，在修建建筑物的时候开始考虑结构的抗震，国家颁布了许多关于抗震设计的规范。我国正式颁布的建筑抗震设计规范有：《工业与民用建筑抗震设计规范》TJ11-74（74规范）、《工业与民用建筑抗震设计规范》TJ11-78（78规范）、《建筑抗震设计规范》GBJ11-89（89规范）、《建筑抗震设计规范》GB50011-2001（2001规范）、《建筑抗震设计规范》GB50011-2010

不同时期的抗震设计规范，其抗震设防目标也不同。随着对地震工程研究的逐步深入、国家经济建设的发展和历次地震震害经验的不断总结，抗震规范的设防标准也在不断改变。

74规范将基本烈度定义为：“一个地区的基本烈度是指该区在今后一定期限内，一般场地条件下可能遭遇的最大地震烈度”，它的设计总则是以基本烈度估计地震危险性，以设计烈度作为抗震设计的设防依据。一般工业与民用建筑的设计烈度规定降低一度（7度时不降低）。经抗震设计后，在遭遇的地震影响相当于设计烈度时，建筑物的损坏不致使人民生命和重要生产设备遭受危害，建筑物不须修理或经一般修理仍可继续使用；从设计烈度7度开始设防。但对建筑物遭遇超过设计烈度的地震时，则没有提出要求。

78规范主要是以唐山地震后各单位的初步调查总结资料为依据，基本烈度定义和设计总则与74规范基本相同，但设计烈度按基本烈度设防，不再降低。设防范围7-9度，6度地区范围很广大，约占全国总面积的27.5%，未列为抗震设防区。对建筑物遭遇超过设计烈度的地震也没有提出要求。

89规范的变革较大，采用了3水准设防（小震不坏、中震可修、大震不倒）、2阶段设计（强度校核、变形验算）的设计思想。其中3水准设防：第一水准烈度，50 年内超越概率约为63.2% 的地震烈度，即小震（多遇地震）；第二水准烈度， 50 年超越概率约10%的烈度，即中震（偶遇地震）；第三水准烈度，50 年超越概率2%～3% 的烈度，即大震（罕遇地震）。中震为基本地震烈度即设防烈度，小震比设防烈度低1.5度，大震比设防烈度高1度。2阶段设计方法为，在小震作用下进行以概率论为基础的截面设计，在大震作用下进行变形验算。地震基本烈度的定义为：一个地区的基本烈度是指该地区今后一定时期内在一般场地条件下可能遭遇的最大地震烈度，即现行中国地震烈度区划图规定的烈度（50年超越概率10%）。取消了“设计烈度”，引入了“抗震设防烈度”的概念：按国家批准权限审定作为一个地区抗震设防依据的地震烈度（一般情况下采用1990年地震区划图的基本烈度作为设防烈度）。以设防烈度作为建筑的抗震设防依据，并规定从6度开始设防。

2001规范仍然是3水准设防（小震不坏、中震可修、大震不倒）、2阶段设计（强度校核、变形验算）的设计思想。抗震设防标准由抗震设防烈度和建筑使用功能的重要性确定。设计基本地震加速度为50 年设计基准期超越概率10%的地震加速度的设计取值，第一次在规范中明确给出了抗震设防烈度所对应的设计基本地震加速度值。2阶段设计为: 第一阶段设计是承载力验算, 取第一水准的地震动参数计算结构的弹性地震作用标准值和相应的地震作用效应, 采用《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068 规定的分项系数设计表达式进行结构构件的截面承载力验算, 这样“小震不坏，中震可修”的目标。对大多数结构, 可只进行第一阶段设计, 而通过概念设计和抗震构造措施来满足“大震不倒”。第二阶段设计是弹塑性变形验算, 对特殊要求的建筑地震时易倒塌的结构及有明显薄弱层的不规则结构, 除进行第一阶段设计外, 还要进行结构薄弱部位的弹塑性层间变形验算并采取相应的抗震构造措施, 实现“大震不倒”的要求。

2.2 框架结构的震害

框架结构体系由梁和柱组成，平面布置灵活，易于满足建筑物设置大房间的要求，在工业与民用建筑中应用广泛。框架体系的侧向刚度小，在房屋高度增加的情况下其内力和侧移增长很快。

目前，我国地震区的工业与民用建筑中，大多采用多层框架、框架-剪力墙及剪力墙结构体系。地震作用具有较强的随机性和复杂性，要求在强烈地震作用下结构仍保持在弹性状态，不发生破坏是很不实际的；既经济又安全的抗震设计是允许在强烈地震作用下破坏严重，但不倒塌。因此，依靠弹塑性变形消耗地震的能量是抗震设计的特点，提高结构的变形、耗能能力和整体抗震能力，防止高于设防烈度的“大震”不倒是抗震设计要达到的目标。历次地震经验表明，钢筋混凝土结构房屋一般具有较好的抗震性能，结构设计中经过合理的抗震计算并采取妥善的抗震构造措施，在一般烈度区建造多层和高层钢筋混凝土结构房屋是可以保证安全的，但是设计不良或施工质量欠佳的钢筋混凝土结构房屋在地震中遭遇震害的情况，亦不鲜见。主要震害如下。

（1）共振效应引起的震害

框架结构的自振周期与场地土的自振周期很接近，发生共振，导致框架结构破坏。

（2）结构平面或竖向布置不当引起的震害

一些框架厂房因平面形状和刚度不对称，在地震作用下容易产生显著的扭转，从而使角柱上下错位、断裂。平面不规则的建筑物在地震中也易产生严重的扭转破坏，其中角柱的破坏十分严重。鸡腿式建筑物底层柱发生剪切破坏或脆性压弯破坏，导致上部倒塌；竖向刚度分布不合理而导致中间层破坏或倒塌。

（3）框架柱、梁和节点的震害

未经抗震设计的框架的震害主要反映在梁柱节点处。柱的震害重于梁；柱顶震害重于柱底；角柱震害重于内柱；短柱震害重于一般柱。

（4）框架砖填充墙的震害

框架中嵌砌砖填充墙，容易发生墙面斜裂缝，并沿柱周边开裂。端墙、窗间墙和门洞口边角部位破坏更加严重。烈度较高时墙体容易倒塌。由于框架变形属剪切型，下部层间位移大，填充墙震害呈现“下重上轻”的现象。填充墙破坏的主要原因是，墙体受剪承载力低，变形能力小，墙体与框架缺乏有效的拉结，因此在往复变形时墙体易发生剪切破坏和散落。

（5）结构层间的震害

钢筋混凝土框架结构在整体设计上存在较大的不均匀性，使得这些结构存在着层间屈服强度特别薄弱的楼层。在强烈地震作用下，结构的薄弱层率先屈服，弹塑性变形急剧发展，并形成弹塑性变形集中的现象。如1976年唐山大地震中，13层蒸吸塔框架，由于该结构楼层屈服强度分布不均匀，造成第6层和第11层的弹塑性变形集中，导致该结构6层以上全部倒塌

（6）柱端与节点的震害

框架结构的构件震害一般是梁轻柱重，柱顶重于柱底，尤其是角柱和边柱易发生破坏。除剪跨比小的短柱易发生柱中剪切破坏外，一般柱是柱端的弯曲破坏，轻者发生水平或斜向断裂；重者混凝土压酥，主筋外露、压屈和箍筋崩脱。当节点核芯区无箍筋约束时，节点与柱端破坏合并加重。当柱侧有强度高的砌体填充墙紧密嵌砌时，柱顶剪切破坏严重，破坏部位还可能转移至窗洞上下处，甚至出现短柱的剪切破坏。

（7）砌体填充墙的震害

砌体填充墙刚度大而变形能力差，首先承受地震作用而遭受破坏，在8度和8度以上地震作用下，填充墙的裂缝明显加重，甚至部分倒塌，震害规律一般是上轻下重，空心砌体墙重于实心砌体墙，砌块墙重于砖墙。

2.3高校研究生宿舍单体建筑框架结构抗震设计

总结多、高层钢筋混凝土结构房屋的震害经验，抗震设计除了计算分析及采取合理的构造措施外，掌握正确的概念设计尤为重要。

较合理的框架地震破坏机制，应该是节点基本不破坏，梁比柱屈服可能早发生、多发生，同一层中各柱两端的屈服历程越长越好，底层柱底的塑性铰宜最晚形成。即：框架的抗震设计应使梁、柱端的塑性铰出现尽可能分散，充分发挥整个结构的抗震能力。

2.3.1 抗震计算中的延性保证

从用楼层水平地震剪力与层间位移关系来描述楼层破坏的全过程可反映出，在抗震设防的第二、三水准时，框架结构构件已进入弹塑性阶段，构件在保持一定承载力条件下主要以弹塑性变形来耗散地震能量，所以框架结构需有足够的变形能力才不致抗震失效。试验研究表明，“强节点”、“强柱弱梁’、“强底层柱底”和“强剪弱弯”的框架结构有较大的内力重分布和能量消耗能力，极限层间位移大，抗震性能较好。规范通过构件承载力调整办法在一定程度上可以体现上述的强弱要求，且考虑了设计者的使用方便，采用地震组合内力的抗震承载力验算表达式，只是要对地震组合内力的设计值按有关公式进行相应的调整。

综合大量实验研究成果，影响不同受力特征节点延性性质的主要综合因素有：相对作用剪力、相对配筋率、贯穿节点的梁柱纵筋的粘结情况。

2.3.2 构造措施上的延性保证

根据大地震实践证明，当建筑结构在大地震中要求保持足够的承载能力来吸收进入塑性阶段而产生的巨大能量，因为此时的结构在震中进入到一个塑性阶段，容易产生变形。所以，根据这种特点和抗震的要求，多发地震的国家钢筋混凝土结构抗震设计均要求按延性框架结构进行设计，所以建筑结构的设计必须保证结构局部薄弱区的承载力与刚度，保证了建筑构造的整体性，延性的增加也就提高了变形能力，这样可以减少地震的破坏性，提高了建筑的抗震能力。

在结构布置上，按扩大了的柱端抗弯承载力进行设计，理论上可将柱屈服的可能性减少，保证“强柱弱梁”的设计原则。但因各种原因，如梁的实际抗弯承载力可能增大，高振型使柱中反弯点的转移等综合因素影响，要使柱中完全避免塑性铰是困难的，同时为实现“强剪弱弯”的要求，保证塑性铰区域的局部延性，也必须通过一定的构造措施来保证结构的延性，具体做法如下：

2.3.2.1 限制轴压比和合理配筋

限制轴压比与纵筋最大配筋率合理的受力过程可明显提高构件延性，为实现受拉钢筋的屈服先与受压区混凝土压碎的破坏形态，以提高塑性铰区域的转动能力，规范限制轴压比与纵筋最大配筋率，同时对混凝土受压区高度也提出相应要求。

2.3.2.2 限制约束配筋和配筋形式。

加密塑性铰区内的箍筋间距是很重要的一点，为保证“强节点”、“强柱弱梁”、“强底层柱底”和“强剪弱弯”的设计原则及塑性铰区域的局部延性，有必要加密塑性铰区内的箍筋间距，这不但可提高柱端抗剪能力，还可约束核心区内混凝土，对纵向钢筋提供侧向支承，防止大变形下纵筋压曲，从而改善塑性铰区域的局部延性。规范对约束区纵筋的最小直径、最大间距、塑性铰区域的最小长度等做出了详细的规定，并对箍筋肢距及箍筋形式提出了相应要求。

随着工程应用中箍筋强度和混凝土强度不断提高，对塑性铰区域内箍筋布置的要求是抗震构造措施的一个重要方面，这一情况将导致高强度混凝土中约束箍筋配筋率的减少而降低结构的设计可靠度，建议以配筋特征值代替原体积配筋率，同时鉴于约束配筋对柱端塑性铰区的良好约束作用，建议适当增大配筋量。

2.3.2.3 限制材料。

拒绝豆腐渣工程的第一关就是把握好材料质量，材料延性对确保构件（结构）延性极为重要，为此规范对材料也提出了相应的限制，如保证钢筋强屈比、延伸率及混凝土强度等级等，同时对施工过程中可能出现的钢筋代换也提出了相应的限制。

三、结语

钢筋混凝土框架结构是我国大量存在的建筑结构形式之一，历年震害资料表明：钢筋混凝土框架结构的柱端与节点的破坏较为严重，其抗震设计中必须满足“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点”、“强底层柱底”等延性设计原则和有关规定。在多层及高层钢筋混凝土房屋抗震设计的实践中，由于设计人员对规范的理解和掌握尺度上，以及因地因人在结构选型、布置以及计算方法上相互差异较多而对设计产生较多的争议，抗震设计方法值得深入研究。

汶川地震给我们每个学习结构的人敲响了警钟。让我们了解了结构抗震的重要性。提高了结构的安全度。但要使建筑结构有良好的工作性能，在设计就得认真计算，严格按照国家规范设计，注意在设计中可能遗漏的东西。把建筑结构设计摆在第一位，结合经济等角度多方面考虑，让建筑更好的发挥作用。

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