探究建筑钢筋混凝土框架结构设计

探究建筑钢筋混凝土框架结构设计

费锦添

浙江普天园林建筑发展有限公司

摘要：随着国民经济的飞速发展，我国的城市建设已日新月异。在现代建筑结构设计中，钢筋混凝土框架结构是常用的结构形式，做好钢筋混凝土框架结构设计是提高建筑抗震和抗风的有效方法，由于钢筋混凝土结构具备使用空间大，平面布置灵活等特点，可以在一定程度上减轻建筑的重量，因此，钢筋混凝土框架结构设计在许多建筑施工中得到了广泛的应用。本文结合工程实例对钢筋混凝土框架结构设计进行了分析探讨。

关键词：钢筋混凝土；框架结构；钢管桁架；设计

前言

在现代建筑工程项目中，钢筋混凝土框架结构是目前建筑结构主要结构形式之一。如何使结构设计更为可靠、经济、合理，是设计者与开发商关心的主要问题。所谓可靠、经济、合理，就是在满足工程使用要求和控制条件下使设计达到一个最佳方案，即达到结构优化设计。例如，追求材料达到充分利用，用料最省，造价最低，可靠性更高和追求结构的形状更合理。钢筋商品混凝土框架结构是目前乃至今后很长时间仍是我国建筑结构中一种量大面广的结构形式，特别是近年来结构设计出图时间随着市场的要求越来越短，而结构设计、校对、审核、审查各环节主要强调满足规范、规程要求，忽视结构方案优化，这样掌握钢筋商品混凝土框架结构优化设计的方法就显得尤为重要。

1.工程概况

某建筑工程，地上4层，地下0层，建筑中部为单层高度约15.9米的大空间结构，总建筑面积约8600㎡。工程±0.000相当于绝对标高3.750米，室内外高差为2.0米。

2.上部结构

工程建筑平面呈规则长方形，落地长度约72.8米，落地宽度约47.8米。建筑长方向和短方向外围各自两排大框架柱，平面内倾斜15度，平面外倾斜10度，用以支撑整个立面效果。中部为大空间结构，钢结构彩钢板坡形屋面，屋面最大高度19.5米。主体采用钢筋混凝土框架结构体系。大空间比赛场上空屋面采用井字形空间倒三角管桁架作为主受力钢架，而后在其基础上架设可移动网架两片，网架形式为正放四角锥网架。

本项目根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）的规定，本工程拟建地区的抗震设防烈度为6度，框架及剪力墙按抗震等级为四级采取构造措施。工程采用PKPM系列软件（2010版）SATWE（墙元模型）进行整体结构分析，钢结构及整体分析采用MIDASGEN计算分析。

3.基础设计

本工程位于城区，表层为杂填土，然后其下有一层硬壳层粘性老土，再往下是5米深的淤泥质土，然后穿越4号和5号土层，最终到达本工程桩基持力层6号土。本工程采用D400的预应力管桩，单桩承载力特征值取600KN。原有建筑方案拥有地下室，后经方案调整，取消了地下室的布置，这对基础设计及上部空间大斜柱整体稳定有较高的要求。

3.1基础形式

设计利用6号粉质粘土层作为基础持力层，并采用天然条形地基梁与桩基结合的基础形式。由于桩基施工时，地下室尚未取消，故桩基标高仍为-3.700米，后考虑上部结构的整体性，特保留了此桩顶标高，在此标高段设置承台以及地基拉梁。

3.2加强基础整体稳定的措施

3.2.1要求每根桩嵌入承台的深度要求提高到100mm。相邻较近的承台，直接用等厚度等宽度的钢筋混凝土做为连接，一并浇筑，以增加柱底承台的整体性。

3.2.2在基础埋深标高段设置地基拉梁同时，在0.000标高段，竖向构件之间，设置拉接框架梁（不设结构板），以保证上部结构内力传入基础时的稳定性，避免出现应力传递滞后的现象。

3.2.3工程的东南西北四个大转角斜柱，面积较大，受力复杂，结构上很重要，因此特殊考虑了其竖向变形的允许值，在桩基阶段，多加设了桩的数量，以有效控制整栋比赛场馆的四角沉降量。

4.井字形空间管桁架的设计

主屋面的主结构为4道空间管桁架。屋面梁搁置在空间管桁架的下弦杆件上，屋面檩条搁置在屋面梁之上。

4.1构件截面尺寸

比赛场馆上空井字形管桁架，分为短向两跨与长向两跨，分别搁置在屋顶周边大梁的牛腿之上，连接方式为坐接。短跨桁架的上弦杆规格为Φ350*16，下弦杆规格为Φ400*20，腹杆规格为Φ180*8。长跨桁架的上弦杆规格为Φ300*14，下弦杆规格为Φ325*16，腹杆规格为Φ159*6。

4.2井字形管桁架结构计算分析

采用MIDASGEN软件，对该井字形结构进行分析计算。模型分别采用单独建模和整体分析，结构的配筋采用二种计算结果的包络值。计算主要结果详下表：

4.3大斜柱以及转角斜墙的配筋方式

根据建筑外立面的形象要求，采用钢筋混凝土交叉斜柱的配筋方式设计立面斜柱。在混凝土受拉区域配置通长纵筋，并满足斜柱的构造要求，混凝土受压区域配置构造纵筋。大斜柱子在底部和顶部的交叉处有应力集中现象，在此区域设置水平加腋构造以对此处的混凝土形成较强约束。此外，转角斜墙的配筋，按墙的构造条件来配置，增加混凝土墙的整体性并提高其抗弯、抗剪能力。

4.4结构整体加强措施

为使立面大斜柱在平面外得到有效的约束条件，同时在看台平面最外端形成可靠的梁板结构，在看台平台最外端与混凝土斜柱交界处设置牛腿搁置外边梁，并适当加强节点的细部尺寸和配筋。

4.5端部变形控制

根据MIDAS整体计算结果，转角斜墙端变形为10mm，斜柱子顶端变形为16mm。设计通过加宽顶层周边边梁宽度的做法来协调二者的变形，最终设计出图的顶层边梁尺寸为800x1500。

4.6对施工的要求

要求此区域混凝土强度提高为C35，采用早强混凝土，大斜柱区域施工时须加密竖向支撑，提高支撑的刚度，做好支撑底部的土体排水设施。并要求大斜柱区域混凝土强度达100%后方可拆模。

5.钢结构网架设计

5.1钢结构网架形式

钢结构活动屋盖采用正放四角锥网架形式。由于建筑坡水的需要，桁架平面及立面呈规则折形，跨度26.0米，屋脊线为水平向布置。

5.2钢结构网架结构计算以及网架节点

钢结构屋架采用MIDASGEN软件计算，球节点做法采用螺栓球的方式，结构设计时所有的外荷载尽量布置在节点上，以使上下弦杆以及腹杆的受力，尽量接近于理论的拉压杆（杆件自重产生的弯矩忽略不计）。

结束语

综上所述，该工程造型独特，平面布局、立面空间均十分复杂，本工程结构设计的主要难点如下：

1）整个建筑上部结构斜柱子居多，传入基底水平力过大，为保证整个建筑的基础稳定，通过增加基础的埋置深度、增加0.000标高段框架梁等措施来解决此问题。

2）大斜柱与转角斜墙的顶部位移不同，两者的刚度亦相差较大，采取了在顶部周围大幅度加强边梁等构造措施才得以使之变形协调。

3）大空间屋面网架造型特殊，其开闭移动状态时的刹车制动力，需要特别注意。

参考文献：

[1]GB50017-2003钢结构设计规范.

[2]混凝土结构设计规范GB50010-2010.中国建筑工业出版社，2010.

[3]石磊.钢筋混凝土住宅结构体系的优化设计及用钢量控制[D].合肥工业大学.2007年.

[4]周旭春.关于钢筋混凝土框架结构节点设计研究[J].中国城市经济.2011年21期.

[5]谷云龙.外接式钢—混凝土组合桁架节点工作性能的试验与理论研究[D].中南大学.2011年.