浅谈多层框架结构抗震设计

浅谈多层框架结构抗震设计

杨永发

酒泉市建筑规划设计有限责任公司甘肃酒泉735000

摘要：多层框架结构在结构设计中比较普遍，本文从概念设计、抗震计算、抗震措施等几个方面对多层框架结构设计中的要点进行论述

关键词：多层框架；概念设计；抗震计算；抗震措施

前言：多层框架设计主要由抗震计算、抗震措施、概念设计三个大的部分组成。其中，概念设计是在相关工作人员已有经验的基础之上，结合其掌握的多层框架设计理论在方案阶段从总体上，原则上决策和确定结构设计中一些基本的，也是关键的问题。抗震计算及结果分析是指运用计算机设计软件进行调整计算并分析其结果能否满足规范要求，抗震措施则是指根据抗震概念设计原则，一般不需计算而对结构和非结构构件各部分必须采取的各种细部要求。

本文就一般多层框架结构设计要点论述如下：

一、概念设计

随着计算机的发展与广泛应用，使的结构设计软件在结构设计中得到大量应用，也使结构设计人员对计算机过度依赖，从而忽略概念设计。对一般框架结构，概念设计主要指结构的布置，荷载和作用传递路线的设置，关键部位的判定等等。

抗震房屋的体形和结构总体布置，应符合下列原则：

1、采用对抗震有利的平面和立面、对抗震有利的结构布置。如结构平面的布置应尽量减小结构的凹凸不平，使结构平面规则；应尽量避免扭转不规则或偏心布置；尽量使结构的质量中心与刚度中心重合或接近；应尽量减小楼板尺寸与平面刚度急剧变化或较大错层等。

2、保障计算简图的明确性和清晰性，为后期的实际结果验证服务。一般在对多层框架设计计算简图进行验证时，多采用清晰的力学、数学模型来进行结构地震反应分析，进而得出计算简图设计的可行性。

3、传力途径的直接和合理性。直接、合理的传力途径，能够确保作用在上部结构的竖向力和水平力有效的传递到多层框架结构的地基部分。结构竖向布置应尽量减小构件中断、侧向刚度不规则、楼承载力的突变、穿层柱、夹层或构件转换等等。

4、足够多的冗余度和充分的整体牢固性。作为结构抗倒塌的重要组成部分，结构的冗余度和整体牢固性是概念设计的重要组成部分。只有确保结构具有足够多的冗长度以及充分的整体牢固性，才能确保在部分结构或者构件发生严重破坏、甚至局部倒塌时，整个结构能够具有足够的抗震能力和对重力荷载的承载能力，从而有效的避免大范围、连续倒塌现象的出现。

5、设置多道抗震防线。适当处理结构单元承载能力的强弱关系和结构构件承载能力的强弱关系，形成两道或更多的抗震防线，是增强结构抗倒塌能力的重要措施。

6、明确构件与构件之间、结构与结构之间的关系。二者之间可以是牢固连接的关系，也可以是彻底分开的关系。

7、将楼梯参与到结构整体的计算之中。楼梯间作为重要的紧急逃生通道，在地震发生时优秀的楼梯间设计能够为人员的撤离以及救援工作提供极大的便利性，能够有效的减少严重的伤亡。而且对于框架结构，楼梯构件与主体结构整体浇筑时，梯板起到斜支撑作用，对结构刚度、规则性、承载力等都有较大的影响，因此将楼梯参与到结构整体的计算当中，是科学和明智的选择。

在建筑的整体框架以及结构布置明确之后，进一步实现延性框架是进实现多层次框架结构抗震设计的关键所在。建筑物在地震时要免于倒塌和严重破坏，进行构件设计时应尊循以下原则：

重视构件之间承载力相对大小的科学调节力度，保障屈服机制的合理性，达到“强柱弱梁”、“强节点弱构件”的效果；着重提升构件斜截面承载力和正截面承载力之间相对大小调整的科学性，满足“强剪弱弯”的需求；积极探索抗震构造的设计措施，不断提升结构的延性和耗能能力。

二、抗震计算

抗震计算时，设计人员应采取合理的计算模型，选取合理的计算参数，要正确判断计算结果的合理性和可靠性。应控制周期比、剪重比、层间位移角、位移比、轴压比、有效质量系数、刚度比等能满足规范要求。

周期比：即结构以扭转为主的第一自振周期与以平动为主的第一周期之比。周期比主要控制结构在罕遇地震下的扭转效应。保障结构有一定的抗扭能力，周期比过大，说明结构抗扭能力较弱。周期比不满足，一般只能通过调整平面布置来改善。如增大角柱及边梁，加大抗扭能力。

剪重比：在多层框架领域，剪重比通常是指底层水平剪力同结构总重力荷载代表值的比。剪重比的大小直接表明了结构整体的状态，一般剪重比过小的结构整体呈现出柔性的状态，在水平荷载或者是地震的作用下，很容易产生大规模的水平或间层位移。而剪重比过大的话，结构整体会呈现出刚性的状态，会引起很大地震内力，不经济。如剪重比不满足，在“有效质量系数”不足90%时，则加大振型数来满足，当“有效质量系数”大于90%时还不满足，则应调整结构方案，修改结构布置，增加结构刚度，而不能单单调大地震作用。

层间位移角：即本层层间位移与本层层高之比，层间位移角应满足规范要求。层间位移角太大，则说明本层偏柔，应调整柱截面大小，使其满足规范要求，验算位移角时不需考虑偶然偏心。

位移比：位移比是一个相对的数值，是为了排除对结构不利因素服务的，在计算时通常选取楼层最大杆件位移和平均杆件位移，将二者相比即可得出位移比。作为控制结构扭转效应的重要参数，位移比主要是通过控制平面规则性，来规避扭转现象的发生。验算位移比时需注意：1、验算位移比时需考虑偶然偏心；2、位移比控制在1..2以下，超过1.2时需考虑双向地震作用；3、验算位移比时可以选择强制刚性楼板假定；4、构件设计与位移信息不是在同一条件下的结果，构件设计在弹性楼板下进行分析。

轴压比：轴压比是主要控制柱的延性要求，荷载作用下的柱轴压比不能过大，从《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)第7.3.1条可以看出，当轴压力N≥0.9φfcA时，所增加的轴力将由钢筋来承担，很不经济，当配筋率偏大，甚至接近超筋，说明柱截面偏小，应加大柱截面。

有效质量系数:有效质量系数是判定结构振型数取值以及地震作用范围的重要参考依据。当有效质量系数大于90%时，表示振型数满足规范要求，反之应增加计算的振型数。

刚度比：刚度比是为了控制结构竖向规则性服务的，能够有效的避免竖向刚度发生突变形成薄弱层的现象，通常被用于薄弱层判断以及地下室能否作为嵌固端等的重要参考依据。

楼层承载力比值：是指本层与上一层的承载力之比，应大于1.0。如不满足，则需加大柱截面或混凝土强度等级。

结构在罕遇地震下薄弱层弹塑性变形计算：不超过12层且层刚度无突变的多层框架结构，其具体的结构薄弱层弹塑性层间位移的简化计算如下：如果楼层屈服强度系数是沿高度分布均匀的结构状态，那么只取底层即可；如果楼层屈服强度系数呈现出沿高度分布不均匀的结构状态，可以选取该系数最小的楼层或者是相对较小的楼层，就以往的工作经验来看其楼层数通常不超过2-3层。

实现“强柱弱梁”：同一节点的上、下柱端截面的弯矩设计值之和应大于两侧梁端截面实配钢筋计算得到的受弯承载力之和，即：（取值见《建筑抗震设计规范》6.2.2条）。一级框架和9度的一级框架应符合。同时应增大柱脚固定端弯矩设计值，并进一步增大角柱的弯矩设计值且按双向偏心构件验算压弯承载力。

除上述几个主要参数外，计算时还应调整结构最大地震力方向，当最大地震力方向（角）大于15。时，可将此角度填入前处理总信息“水平力与整体坐标夹角”后重新计算。

三、抗震措施

抗震措施是指根据抗震概念设计原则，一般不需计算而对结构和非结构构件各部分必须采取的各种细部要求。对多层框架结构主要有重视加强以下几方面：

1、现浇板:一般楼层现浇板板厚不应小于80mm，顶层楼板不宜小于120mm，且宜双层双向配筋。普通地下室顶板厚度不宜小于160mm，且宜双层双向配筋，应减小楼板开设大洞口。

2、框架梁：梁是框架结构主要延性耗能构件。为限制梁剪压比，梁截面不宜太小；为避免梁发生少筋破坏，梁纵筋配筋率必须大于最小配筋率；为避免梁发生超筋破坏，梁纵筋配筋率必须小于最大配筋率。即使是适筋梁，也要尽可能的降低受拉钢筋的配筋率，以使梁有尽可能大的延性；为实现梁的延性，在限制梁端受拉钢筋配筋率的同时，为了减小框架梁端塑性铰区截面的相对受压区域的高度，需要在梁端底面使用适量的受压钢筋；为了赋予塑性铰一定的转动能力，避免梁端混凝土在被压崩溃前受压钢筋出现过早压屈的现象，应该在梁的两端分别设置箍筋加密区。而且，箍筋加密区内配置的箍筋应该大于或者等于按强剪弱弯和抗震构造措施要求配置的箍筋量；计算梁的受弯承载力时，还应计入楼板内钢筋的作用。

3、框架柱：框架柱作为框架结构的竖向构件之一，地震发生时框架柱的破坏更容易引起建筑物的坍塌。为实现柱的延性耗能，除符合强剪弱弯、限制柱最大剪力设计值外还应提高纵筋配筋率、采用复合箍筋等。

4、梁柱节点：在地震作用和竖向荷载下，节点核芯区受力复杂。一般都是采用配置足量的箍筋和加强梁纵筋锚固，来提升梁柱节点的抗震能力。为了保障更大的承载量和抗震能力，梁的上部钢筋应该贯穿在中心节点部位，下部的钢筋应该在核心区有适当的锚固长度。梁的对边节点和角节点部位如果核芯区部位钢筋密集程度大，为了避免影响混凝土浇灌的质量，可以把梁伸出梁柱面，并且把纵筋的弯折区移出核芯区。

5、楼梯间：楼梯间不宜设在建筑物的尽端。应适当加厚楼梯梯板厚度和增加配筋，并长下采用通长配筋（双层配筋）；楼梯平台梁箍筋应全长加密，平台梁应设置足够数量的抗扭筋；楼梯间四角设置框架柱，且应全高加密箍筋；楼梯间纵向框架梁在楼层处不应断开以增加楼梯间刚度等。

6、非结构构件：框架结构中砌体填充墙，在平面和竖向布置上，宜均匀对称，避免上下层刚度变化过大，或形成短柱，减小因抗侧刚度偏心所形成的扭转。为避免使框架柱形成短柱，填充墙可与框架柱采用柔性连接。当后砌填充墙与框架柱紧密连接时，应考虑结构自振周期的折减，保障非结构构件与主体之间牢固的拉接，由于周期折减系数的取值的复杂性，要求相关工作人员结合实际情况来选择。

除此之外，框架设计中还应注意尽量避免出现短柱、短梁，使结构局部刚度突变，造成应力集中；在较大洞口边设置边梁；加强突出屋面结构构件及非结构构件等。

四、结语

因体型需要及功能限制，使框架结构布置及计算更加复杂，结构设计人员必须以扎实的理论为基础，分析设计方案的合理性，选取合理的计算参数，依靠先进的设计工具，分析比较，才能设计出更加优秀的作品。

（杨永发，男，1977年生，职称：工程师，学历：本科，主要从事结构设计工作。