淺談鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

趙永亮

【摘 要】鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是當(dāng)今建筑結(jié)構(gòu)主要結(jié)構(gòu)形式之一，框架結(jié)構(gòu)因其具有較大的空間，較方便的空間布置，可滿足空間多種功能需要，因而受到越來越多建筑工程采用。

【關(guān)鍵詞】鋼筋混凝土；框架結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)

框架結(jié)構(gòu)主要有梁和柱構(gòu)成，主要優(yōu)點(diǎn)是受力體系清晰、構(gòu)造簡單、強(qiáng)度和延展性高。在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，雖然商用軟件越來越多，但是框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原理應(yīng)引起重視。根據(jù)承載力約束條件，以框架結(jié)構(gòu)造價(jià)最低為優(yōu)化目標(biāo)， 用正多面體優(yōu)化方法對框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對其建立數(shù)學(xué)模型，從而使鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既安全又經(jīng)濟(jì)

一、框架結(jié)構(gòu)應(yīng)注意的問題

（一）框架結(jié)構(gòu)方案的構(gòu)思

1）在民用和公共建筑的柱網(wǎng)平面布局中，柱網(wǎng)應(yīng)盡量按等距（縱、橫） 布置，盡量減少邊跨柱距，并充分利用連續(xù)梁的受力特點(diǎn)減少結(jié)構(gòu)中的彎距。

2）簡明的結(jié)構(gòu)受力和傳力。框架結(jié)構(gòu)關(guān)系越簡單，傳力結(jié)構(gòu)越清晰。在荷載作用下，結(jié)構(gòu)通過板→梁→柱流程傳力，傳力結(jié)構(gòu)清晰有利于經(jīng)濟(jì)利用建筑材料。

3）結(jié)構(gòu)方案應(yīng)結(jié)合建筑功能、工程地質(zhì)情況等要求綜合考慮。

（二）概念設(shè)計(jì)上著重注意的問題

1）強(qiáng)剪弱彎措施：框架結(jié)構(gòu)中的框架梁應(yīng)注意抗剪驗(yàn)算和構(gòu)造，使其滿足相關(guān)規(guī)范要求。強(qiáng)剪弱彎是保證構(gòu)件延性，防止脆性破壞的重要原則，加大各承重構(gòu)件的抗剪承載力，使這些部位在結(jié)構(gòu)經(jīng)歷罕遇地震的過程中保證不出現(xiàn)脆性剪切失效。

2）強(qiáng)柱弱梁措施。強(qiáng)柱即使框架柱的抗彎和抗剪能力比梁的抗彎和抗剪能力強(qiáng)。柱子的破壞，大多是因剪壓復(fù)合受力所致，多發(fā)生脆性破壞，脆性破壞大多是突然發(fā)生的，而強(qiáng)柱弱梁，可以延緩破壞時(shí)間，給人們以躲避和加固的時(shí)間。

3）注意構(gòu)造措施。a.外立面為帶形窗框架結(jié)構(gòu)，因設(shè)置連續(xù)窗過梁，使外框架柱成為短柱，應(yīng)加強(qiáng)構(gòu)造措施。b.對于框架結(jié)構(gòu)長度略超過規(guī)范限值，建筑功能需要不允許留縫時(shí)，為減少有害裂縫，采用雙向配筋補(bǔ)償混凝土后澆帶。

二、框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算

（一）框架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

框架結(jié)構(gòu)有以下的特點(diǎn)：1）框架結(jié)構(gòu)的梁、柱間為剛性連接；2）梁端、邊柱端多存在負(fù)彎矩，梁端僅考慮彎曲和剪切；柱端只考慮彎曲和壓縮；3）框架結(jié)構(gòu)選用超靜定框架結(jié)構(gòu)而不能采用“幾何可變體系”的框架?？蚣芙Y(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，首先要進(jìn)行荷載組合，在豎向和水平荷載共同作用下，設(shè)計(jì)的控制因素是梁、柱變形所引起的側(cè)向位移?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)受力使得結(jié)構(gòu)方案的選擇十分重要。

（二）計(jì)算簡圖的確定

計(jì)算簡圖是計(jì)算模型及作用在結(jié)構(gòu)上的荷載共同構(gòu)成的。計(jì)算簡圖直接影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。如果完全按照實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，必然會帶來相當(dāng)大的計(jì)算量，而且實(shí)踐證明也沒有必要。因此，就應(yīng)進(jìn)行計(jì)算模型簡化。計(jì)算簡圖要反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的主要力學(xué)性能，盡可能與實(shí)際結(jié)構(gòu)相吻合；根據(jù)計(jì)算手段不同，采用相應(yīng)的計(jì)算簡圖。

（三）結(jié)構(gòu)計(jì)算中幾個(gè)重要參數(shù)的選取

《抗震規(guī)范》第3.6.6.4條指出，所有的計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果，都應(yīng)經(jīng)分析判斷，確認(rèn)其合理、有效后方可用于工程設(shè)計(jì)。通常情況下，計(jì)算機(jī)的計(jì)算結(jié)果主要是結(jié)構(gòu)的自振周期，樓層地震剪力系數(shù)，樓層彈性層間位移（包括最大位移與平均位移比）和彈塑性變形驗(yàn)算時(shí)樓層的彈塑性層間位移，樓層的側(cè)向剛度比，振型參與質(zhì)量系數(shù)等?，F(xiàn)以空間有限元分析與設(shè)計(jì)程序SATWE 為例，結(jié)合施工圖審查中發(fā)現(xiàn)的問題，來說明有關(guān)參數(shù)如何合理選取。為得到合適的結(jié)果，除有合理的結(jié)構(gòu)方案、正確的結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖外還應(yīng)正確確定抗震設(shè)防烈度和場地類別、地震力的振型組合數(shù)和結(jié)構(gòu)周期折減。

1.結(jié)構(gòu)的抗震等級

一般工業(yè)、民用建筑，可根據(jù)烈度、結(jié)構(gòu)類型和房屋高度按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》表6.1.2確定抗震等級；而電訊、能源、消防和醫(yī)療等類建筑以及大型體育場館、大型零售商場等公共建筑，應(yīng)當(dāng)首先確定其屬于哪類建筑。乙、丙類建筑，地震作用均按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度計(jì)算。對于乙類建筑，一般情況下，當(dāng)抗震設(shè)防烈度為6～8度時(shí)，抗震措施應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求。

2.地震力的振型組合數(shù)

對于多層建筑，當(dāng)不考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)計(jì)算時(shí)，地震力的振型組合數(shù)至少應(yīng)取3；當(dāng)振型數(shù)多于3時(shí)，宜取3的倍數(shù)，但不應(yīng)多于層數(shù)；當(dāng)房屋層數(shù)≤2層，振型數(shù)可取層數(shù)；對于不規(guī)則的高層建筑結(jié)構(gòu)，當(dāng)考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)時(shí)，振型數(shù)應(yīng)≥9；結(jié)構(gòu)層數(shù)較多或結(jié)構(gòu)剛度突變較大時(shí)，振型數(shù)應(yīng)多取，如結(jié)構(gòu)有轉(zhuǎn)換層頂部有小塔樓、屬多塔結(jié)構(gòu)等，振型數(shù)應(yīng)≥12或更多。但不能多于房屋層數(shù)的3倍，只有當(dāng)定義彈性樓板，采用總剛分析，且必要時(shí)，振型數(shù)才可以取得更多?！犊拐鹨?guī)范》中指出，合適的振型個(gè)數(shù)一般可以取振型參與質(zhì)量達(dá)到總質(zhì)量的90%所需的振型數(shù)。SATWE等電算程序已有這種功能，可以很方便地輸出這種參與質(zhì)量的比值。有些設(shè)計(jì)人員不大重視電算程序使用手冊的應(yīng)用，選取振型數(shù)時(shí)比較隨意，這是應(yīng)當(dāng)改進(jìn)的。

3.結(jié)構(gòu)周期折減系數(shù)

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中，由于填充墻的存在使結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度大于計(jì)算剛度，計(jì)算周期大于實(shí)際周期。因此，計(jì)算地震剪力偏小，結(jié)構(gòu)顯得不安全。對結(jié)構(gòu)的計(jì)算周期進(jìn)行折減是必要的，對于框架結(jié)構(gòu)來說采用砌體填充墻時(shí)，周期折減系數(shù)可取0.6～0.7；砌體填充墻較少或采用輕質(zhì)砌塊時(shí)，可取0.7～0.8；完全采用輕質(zhì)墻體板材時(shí)，可取0.9；只有無墻的純框架計(jì)算周期才可以不折減。

（四）設(shè)計(jì)構(gòu)造方面

設(shè)計(jì)中經(jīng)常忽視《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中“一、二、三級框架節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)配箍特征值分別不宜小于0.12、0.10、0.08且體積配箍率分別不宜小于0.6%、0.5%、0.4%”規(guī)定，尤其是柱軸壓比不大時(shí)。這一規(guī)定是保證節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)延性的重要構(gòu)造措施，應(yīng)嚴(yán)格遵守?？蚣芰荷喜靠v筋端部水平錨固長度應(yīng)滿足要求?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定“框架端節(jié)點(diǎn)處，當(dāng)框架梁上部縱筋水平直線段錨固長度不足時(shí)，應(yīng)伸至柱外邊并向下彎折，彎折前的水平投影長度不應(yīng)小于0.4LaE”，當(dāng)框架柱截面尺寸小于400mm×400mm時(shí)，應(yīng)注意梁上部縱筋直徑的選擇。

（五）框架梁、柱箍筋間距

《抗震規(guī)范》第6.3.3條及6.3.8條對不同抗震等級的框架梁、柱箍筋加密區(qū)的最小箍筋直徑和最大箍筋間距都作了明確規(guī)定。在程序內(nèi)定的條件下，當(dāng)框架梁的跨中部位有次梁或有較大的其他集中荷載作用卻僅配兩肢箍筋時(shí)，多數(shù)情況下，非加密區(qū)箍筋間距若仍是200mm，會使梁的非加密區(qū)配箍不足。當(dāng)框架梁中由于種種原因縱向鋼筋超筋時(shí)，梁端適當(dāng)加大抗剪承載力對結(jié)構(gòu)抗震非常有利。這也是當(dāng)梁端縱向受拉鋼筋配筋率大于2%時(shí)，規(guī)范規(guī)定梁的箍筋直徑應(yīng)比最小構(gòu)造直徑增大2mm 的原因。對于框架柱，當(dāng)框架內(nèi)定柱加密區(qū)箍筋間距為100mm時(shí)，在某些情況下，亦可能因非加密區(qū)箍筋間距采用200mm引起配箍不足。

三、結(jié)語

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在受力、傳力上雖然相對簡單，但在設(shè)計(jì)中需關(guān)注問題依然很多，決不可馬虎大意，應(yīng)在充分理解規(guī)范的基礎(chǔ)上，形成良好的結(jié)構(gòu)概念，再合理的地利用商用軟件，只有這樣才能設(shè)計(jì)出安全、經(jīng)濟(jì)、適用、美觀的作品。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 林岳峰. 對多層框架房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)問題的分析[J]. 廣東科技. 2016（10）

[2] 郭慧清. 綜述多層框架房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)要點(diǎn)[J]. 建材與裝飾（下旬刊）. 2015（04）

[3] 金恩平. 鋼筋混凝土多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中若干問題辨析[J]. 四川建筑科學(xué)研究. 2017（06）