浅谈民用建筑多层框架结构设计中应注意的问题

浅谈民用建筑多层框架结构设计中应注意的问题

陈柏春

江苏文博建筑设计有限公司江苏丹阳212300

摘要：多层框架结构设计是结构设计中较为基础的设计，也是建筑结构设计中较为重要的一种形式，一直以来，建筑框架结构设计问题是业内关注的重点。本文针对民用建筑多层框架结构设计中应注意的一些问题进行了探讨，并提出了一些个人见解，以供参考。

关键词：框架结构;结构设计;原则;计算简图

一、前言

钢筋混凝土框架结构由梁和柱所组成，是一种抗震、抗风较好的结构体系，这种体系的侧向刚度小，平面布置灵活，易于满足建筑物设置大房间的要求，20世纪90年代以后，随着我国钢产量的不断提高，钢筋混凝土组合结构在建筑行业得到了迅速发展，在工业与民用建筑中被广泛应用。

二、框架结构设计原则

1、刚柔并济

合理的建筑结构体系应该是刚柔相济的。结构太刚则变形能力差，强大的破坏力瞬间袭来时，需要承受的力很大，容易造成局部受损最后全部毁坏；而太柔的结构虽然可以很好的消减外力，但容易造成变形过大而无法使用甚至全体倾覆。结构是刚多一点好，还是柔多一点好?我个人认为刚多点使工程不经济，造成造价过高，而且应变能力差。柔多一点虽然造价便宜但是必然产生变形以适应外力，太柔的结果必然是太大的变形，甚至会导致立足不稳而失去根本。这些问题历来都是专家们争论的焦点，现今的规范给出的也只是一些控制的指标，但无法提供精确答案。

2、多道防线

安全的结构体系是层层设防的，灾难来临，所有抵抗外力的结构都在通力合作，前仆后继。这时候，如果把“生存”的希望全部寄托在某个单一的构件上，是非常非常危险的。如土建结构中多肢墙比单片墙好，框架剪力墙比纯框架好等等，就是体现了多道防线的设计思路。

3、抓大放小

在框架结构结构体系中具有“强柱弱粱”、“强剪弱弯”等的说法也是钢结构设计中非常重要的概念。绝对安全的结构是没有的。简单地说，虽然整个结构体系是由各构件协调组成一体，但各个构件担任的角色不尽相同，按照其重要性也就有轻重之分。一旦不可意料的破坏力量突然袭来，各个构件协作抵抗的目的，就是为了保住最重要的构件免遭摧毁或者至少是最后才遭摧毁，这时候牺牲在所难免，让谁牺牲呢?明智之举是要让次要构件先去承担灾难。“宁为玉碎，不为瓦全”，如果平均用力，可能会“玉石俱粉”，损失则更大矣!为了保证柱是在最后失效，我们故意把梁设计成相对薄弱的环节，使其破坏在先，以最大限度减少可能出现的损失。如果梁柱等同看待，企图让他们都“坚不可摧”，则可能会造成同时破坏，后果会更糟糕，损失会更大。所以关键时刻要分清主次，抓大放小，也就是要取大舍小。

4、打通关节

理想的结构体系当然是浑然一体的一也就是没有任何关节的，这样的结构体系使任何外力都能迅速传递和消减。基于这个思路，设计者要做的就是要尽可能地把结构中各种各样的关节“打通”，使力量在关节处畅通无阻。打通关节保持平衡的目的其实就是使其永远处于原始的静态，当力量不能畅通时，构件与构件之间，构件的组成元素与元素之间的静态平衡一旦被破坏，结构变成机动，“动”即是死，即为终结。可见设计者是协调者，其任务是让所有互不相关的静态构件相聚之后依然处于静态(也就是使其保持常态)，或者是处在相对的静态之中。

三、概念设计应注意的几个问题

1、关于强柱弱梁强节点。这是为了实现在罕遇地震作用下，让梁端形成塑形铰，柱端处于非弹性工作状态，而没有屈服，但节点还处于弹性工作阶段。因此，当建筑许可时，尽可能将柱的截面尺寸做得大些，使柱的线刚度与梁的线刚度的比值尽可能大于1，并控制柱的轴压比满足规范要求，以增加延性。

工程实际中框架柱的配筋率一般都很低,有时电算结果为构造配筋,但是实际工程中均不会按此配筋,因为在地震作用下的框架柱,尤其是角柱,所受的扭转剪力最大,同时又受双向弯矩作用,而横梁的约束又较小,工作状态下又处于双向偏心受压状态,所以其震害重于内柱,对于质量分布不均匀的框架尤为明显,因此应选择最不利的方向进行框架计算,另外也可分别从纵、横两个方向计算后比较同一侧面的配筋,取其较大值,并采用对称配筋的原则,为了满足框架柱在多种内力组合作用下其强度要求,在配筋计算时应注意以下问题:角柱、边柱及抗震墙端柱在地震作用组合下会产生偏心受拉时,其柱内纵筋总截面面积应比计算值增大25%;框架柱的配筋可放大1.2～1.6倍,其中角柱1.4倍,边柱1.3倍,中柱1.2倍;框架柱的箍筋形式应选用菱形或井字形,以增强箍筋对混凝土的约束;对于二、三级框架的底层柱底和底部加强部位纵筋宜采用焊接,且当柱纵向钢筋的总配筋率超过3%时,箍筋的直径不应小于8,并应焊接。

另外多层框架电算时常不考虑温度应力和基础的不均匀沉降,当多层框架水平尺寸和垂直尺寸较大以及地基软弱土层较厚或地基土质不均匀时,可以适当放大框架柱的配筋,且宜在纵、横两个方向设置基础梁,其配筋不宜按构造设置,应按框架梁进行设计,并按规范要求设置箍筋加密区。

2、关于“强剪弱弯”。强剪弱弯是保证构件延性，防止脆性破坏的重要原则，它要求人为加大各承重构件相对于其抗弯能力的抗剪承载力，使这些部位在结构经历罕遇地震的过程中以足够的保证率不出现脆性剪切失效。对于框架结构中的框架梁应注意抗剪验算和构造，使其满足相关规范要求。在具体设计和梁配筋调整时,可采用以下方法:(1)不放大梁端负弯矩钢筋而加大梁的跨中受力钢筋(一般放大1.1～1.3倍)(2)梁端箍筋的直径可增加2mm;(3)支座处尽量不设置弯起钢筋,宜利用箍筋承受支座剪力。

3、注意构造措施。①对于大跨度柱网的框架结构，在楼梯间处的框架柱由于楼梯平台梁与其相连，使得楼梯间处的柱可能成为短柱，应对柱箍筋全长加密。这一点，在设计中容易被忽视，应引起重视。②对框架结构外立面为带形窗时，因设置连续的窗过梁，使外框架柱可能成为短柱，应注意加强构造措施。③对于框架结构长度略超过规范限值，建筑功能需要不允许留缝时，为减少有害裂缝(规范规定裂缝宽度小于0.3mm)，建议采用补偿混凝土浇筑。采用细而密的双向配筋，构造间距宜小于150mm，对屋面宜设置后浇带，后浇带处按构造措施宜适当加强。④其它构造措施限于篇幅，这里不再赘述，请详见新规范。

四、框架计算简图的选取

1、无地下室的多层框架房屋

①基础埋深较浅时现浇的框架结构梁柱刚接，计算简图的确定主要是确定底层柱的计算长度。根据《混凝土结构设计规范》GB50010-2010(以下简称《结构规范》)第6.2.20条规定:一般多层房屋中梁柱为刚接的框架结构，底层柱的计算长度取基础顶面到一层楼盖顶面的高度H:装配式框架取1.25H。

②基础埋深较大时为了增加房屋底部的整体性，减小位移，有时在0.000附近设置基础连系梁。将基础连系梁以下的部分看作底层，柱的H值取基础顶面至连系梁顶面的高度，而把实际建筑的底层作为第二层考虑，层高H取连系梁顶层至一层楼面高度。

2、带地下室的多层框架房屋

对于带地下室的多层框架结构，合理确定上部结构的嵌固位置是一个关键问题。《结构规范》和《建筑抗震设计规范》GB50011-2010(以下简称《抗震规范》)，都没有明确地提出具体位置，需要具体问题具体分析。对于能够满足《抗震规范》第6.1.14条规定的地下室结构或采用箱型基础时，可将地下室顶作为框架上部结构的嵌固位置，在利用PKPM软件进行设计时，楼层总数仅输入地下室以上的实际层数，底层的层高H取实际层高。这样计算出的地震作用与实际情况较为接近。对于不能满足《抗震规范》第6.1.14条规定的地下室结构或者采用筏板式基础时，嵌固位置最好取在基础顶面。此时，利用电算进行楼层组合时，总层数应为实际的楼层数加上地下室的层数。

钢筋混凝土框架结构虽然相对简单，但设计中仍有很多需要注意的问题，只有熟练地掌握规范，并具有良好的结构概念，才能设计出既安全又经济适用的优秀作品。

参考文献

[1]中华人民共和国建设部.混凝土结构设计规范GB50010-2002:中国建筑工业出版社:2002

[2]陈风杨,赵琳.工程建筑抗震.东南大学出版社,1991