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摘 要:伴随着建筑造型和建筑功能要求日趋多样化,无论是工业建筑还是民用建筑,在结构设计中遇到的各种难题也日益增多。本文从结构设计计算、构造措施、设计注意事项等方面探讨了钢筋混凝土框架结构设计中需要注意的问题。
关键词:多层框架结构；结构设计；设计计算
伴随着我国经济的迅猛发展,我国的多层建筑也发展迅速,设计思想也在不断更新。钢筋混凝土框架结构是目前应用最广泛的结构形式之一。钢筋混凝土框架结构是由楼板、梁、柱及基础4种承重构件组成的,由主梁、柱与基础构成平面框架,各平面框架再由连续梁连接起来而形成的空间结构体系。在合理的高度和层数的情况下,框架结构能够提供较大的建筑空间,其平面布置灵活,可适合多种工艺与使用功能的要求。但是,在框架结构设计中,仍然存在着一些概念性和实际性的问题需要设计人员予以高度重视,以确保结构设计质量[1—8]。
1 正确选取重要的结构计算参数
结构设计计算时,除了有合理的结构方案、正确的结构计算简图外,正确选择抗震设防烈度和场地类别、合理选取电算软件中的其他各项参数也是十分重要的。
1.1结构的抗震等级
工程设计中,各类房屋建筑首先应当确定建筑类别。对于丙类建筑,其地震作用均按本地区抗震设防烈度计算。对于乙类建筑,（建筑抗震设计规范）文献[2]规定:地震作用应符合本地区抗震设防烈度的要求,但是抗震措施(主要体现为抗震等级)在一般情况下,当抗震设防烈度为6～8度时,应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求;当为9度时,应符合比9度抗震设防更高的要求。实际设计中经常发生抗震等级选错的情况,如:位于8度区的某乙类建筑,应按9度由（抗震设计规范）文献[2]确定其抗震等级为一级。当8度地区的乙类建筑的高度超过文献[2]规定的范围时,还应采取比一级抗震等级更有效的抗震措施。
1.2设计基本地震加速度
（抗震设规范）文献[2]规定:抗震设防烈度为7度时,设计基本地震加速度值分别为0.1g和0.15g两种,抗震设防烈度为8度时,设计基本地震加速度值分别为0.2g和0.3g两种。计算中应严格注意地震区的划分,选取正确的设计基本地震加速度值,这一项对地震作用效应的影响极大。
1.3地震力振型组合数
对于较高层建筑,当不考虑扭转耦联时,振型数应不小于3;当振型数多于3时,宜取为3的倍数,但不能多于层数;当房屋层数不大于2时,振型数可取层数。对于不规则建筑,当考虑扭转耦联时,振型数应不小于9;结构层数较多或结构刚度突变较大时,振型数应多取,如结构有转换层,顶部有小塔楼等,振型数应大于12或更多,但不能多于房屋层数的3倍;只有定义弹性樓板且按总刚分析法分析,有必要时,才可以取更多的振型。（抗震设计）文献[2]明确指出:振型数可以取振型参与质量达到总质量90%所需的振型数。如:对于某一建筑,选取的振型数为15,但振型参与质量系数只有50%,说明振型数取得不够,可能由于此建筑过于复杂或由于某些杆件不连续导致局部震动引起的,应仔细复核。
1.4结构周期折减系数
框架结构由于填充墙的存在,使结构的实际刚度大于计算刚度,计算周期大于实际周期,因此,算出的地震作用效应偏小,使结构偏于不安全,因而对结构的计算周期进行折减是必要的,但如果折减系数取得过大也是不妥当的。对于框架结构来说,采用砌体填充墙时,周期折减系数可根据填充墙的材料及数量选取0.6～0.7;砌体填充墙较少或采用轻质砌块时,可取0.9;无墙的纯框架,计算周期可以不折减。
1.5梁刚度放大系数
结构设计计算软件的梁输入模型均为矩形截面,未考虑因存在楼板形成T型截面而引起的刚度增大,造成结构的实际刚度大于计算刚度,算出的地震剪力偏小,使结构偏于不安全。因此计算时应将梁刚度进行放大,放大系数中梁取2.0、边梁取1.5为宜。
2框架结构构造配筋
2.1框架外挑梁配筋
由于占地面积的限制、使用功能的要求或结构上的原因,工程上常在框架的梁端设计挑梁。由于框架梁的荷载与外挑梁的实际荷载值不同,因而框架梁与外挑梁的断面尺寸会有所不同,而有的设计人员在绘图时只是将框架梁上的某些主筋向外挑梁延伸了事,殊不知有些主筋根本无法伸进挑梁,这些差错一般在施工时才会暴露出来,但为时已晚,许多钢筋已截断成型,这不仅影响了施工进度,而且也造成了不必要的损失。
框架梁外挑梁下常设置钢筋混凝土柱。在柱的内力和配筋计算中,有些设计人员对其受力概念不清,误认为此为构造柱,并且其配筋为构造配筋,悬臂梁也未按计算配筋,这样有可能导致水平荷载作用下承载力不足,为事故的发生埋下隐患。
2.2框架边柱柱顶配筋
对于框架结构的高层建筑,水平荷载对结构的倾覆力矩以及由此在竖向构件中所引起的轴力与建筑高度的平方成正比;顶点位移与建筑高度的4次方成正比。水平荷载是结构设计中的控制因素。框架顶层的风荷载较大,而屋面结构荷重传给边柱的轴向总力比楼层边柱总力要小,显然柱顶有大偏心问题,顶层边柱节点出现轴向力对截面重心的偏心距大于0.5倍的柱截面高度。根据框架结构的构造要求,横梁上部钢筋应全部伸入柱内,且伸过横梁下边;柱内一部分钢筋伸到顶端,另一部分钢筋伸到横梁内,其根数依据计算确定且不少于2根。设计人员在图中经常容易将边柱柱角的钢筋弯入梁内,对这类问题,缺乏实践经验的工程技术人员不易立即发现,而要等施工时才会察觉。问题的症结在于柱宽大于梁宽,柱角的纵筋要完全伸入梁内是办不到的,对这种差错应引起设计人员的重视。
2.3框架梁、柱箍筋配置
文献[2]对不同抗震等级的框架梁、柱箍筋加密区的最小箍筋直径和最大箍筋间距都作了明确规定。根据这些规定,工程习惯上常取的梁、柱箍筋加密区最大间距为100mm,非加密区箍筋最大间距为200mm。电算程序信息中通常也内定梁、柱箍筋加密区间距为100mm,由设计人员根据规范确定箍筋直径和肢数。但是,在程序内定的条件下,当框架梁的跨中部位有次梁或有较大的其他集中荷载作用却仅配两肢箍筋时,多数情况下,非加密区箍筋间距若仍是200mm,会使梁的非加密区配箍不足。当框架梁中由于种种原因纵向钢筋超筋时,梁端适当加大抗剪承载力对结构抗震非常有利。这也是当梁端纵向受拉钢筋配筋率大于2%时,规范规定梁的箍筋直径应比最小构造直径增大2mm的原因。对于框架柱,当框架内定柱加密区箍筋间距为100mm时,在某些情况下,亦可能因非加密区箍筋间距采用200mm引起配箍不足。这里需要指出的是,梁、柱箍筋非加密区配箍验算时可不考虑强剪弱弯的要求,即剪力设计值取加密区终点处外侧的组合剪力设计值,并且不乘以剪力增大系数。
3多层框架结构设计要求
3.1强柱弱梁节点设计
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。强柱弱梁措施的强弱,也就是相对于梁端截面实际抗弯能力而言柱端截面抗弯能力增强幅度的大小,是决定由强震引起柱端截面屈服后塑性转动能否不超过其塑性转动能力,而且不致形成“层侧移机构”,从而使柱不被压溃的关键控制措施。柱强于梁的幅度大小取决于梁端纵筋不可避免的构造超配程度的大小,以及结构在梁、柱端塑性铰逐步形成过程中的塑性内力重分布和动力特征的相应变化。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。验算截面承载力时,人为地将柱的设计弯矩按强柱弱梁原则调整放大,加强柱的配筋构造。梁端纵向受拉钢筋的配筋不得过高,以免在罕遇地震中进入屈服阶段不能形成塑性铰或塑性铰转移到立柱上。注意节点构造,让塑性铰向梁跨内移。
3.2强剪弱弯剪力墙设计
为了提高抗震墙的变形能力,避免发生剪切破坏,对于一道截面较长的抗震墙,应该利用洞口设置弱连梁,使墙体分为小开口墙、多肢墙或单肢墙,并使每个墙段的高宽比不小于2。所谓弱连梁,是指在地震作用下各层连梁的总约束弯矩不大于该墙段总地震弯矩的20%;连梁不能太强,以免水平地震作用下某个墙肢出现全截面受拉,这是比较危险的。但是,考虑到耗能,连梁又不能太弱,连梁弱到成为一般小梁时,墙肢就变成单肢墙,而单肢墙的延性很差,仅为多肢墙的一半,且单肢墙仅具有一道抗震防线,超静定次数少,在地震作用下是很不利的。目前,有许多设计人员将结构中门洞连梁、窗洞连梁都改为截面高度极小的二力杆件,这对结构抗震是很不好的。在实际设计中,对连梁的刚度都要进行折减,这是因为剪力墙的刚度一般都很大,在水平力作用下,剪力墙中的连梁会因为很大的内力而超过截面允许值,可靠的办法是让这些连梁先屈服,要使连梁能形成塑性铰而不发生脆性破坏,连梁首先就必须满足强剪弱弯的要求,对连梁的刚度进行折减实际上就是降低其抗弯能力。
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。对于多层钢筋混凝土框架结构中的多层钢筋混凝土框架结构梁应注意抗剪验算和构造,使其满足相关规范要求。
4结束语
综上所述，目前结构设计中所遇到的各种难题也是日益增多,而作为一个结构设计者需要在遵循各种规范的前提下大胆灵活的解决一些结构方案上的难点、重点,并在工作实践中不断总结和完善。钢筋混凝土框架结构虽然相对比较简单,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以及长期的设计经验总结积累,才能设计出既安全又经济适用的优秀作品。
参考文献：
[1]GB50010-2002,混凝土结构设计规范[S].
[2]GB50011-2001,建筑抗震設计规范[S].
[3]GB50223-2008,建筑工程抗震设防分类标准[S].
[4]万志强.建筑框架结构设计探讨[J].硅谷,2008(5):47.
[5]石小龙.浅谈结构设计中应注意的相关问题[J].建材与装饰,2008(1):22-23.
[6]黄文清.论多层框架结构设计注意事项[J].建材与装饰,2007(7):80-81.
[7]程全丰.钢筋混凝土框架结构设计的几个问题分析[J].今日科苑,2008(8):176.
[8]卢奕.浅析多层钢筋混凝土框架房屋结构设计中存在的一些问题[J].建材与装饰,2008(1):52-53.
关键词:多层框架结构；结构设计；设计计算
伴随着我国经济的迅猛发展,我国的多层建筑也发展迅速,设计思想也在不断更新。钢筋混凝土框架结构是目前应用最广泛的结构形式之一。钢筋混凝土框架结构是由楼板、梁、柱及基础4种承重构件组成的,由主梁、柱与基础构成平面框架,各平面框架再由连续梁连接起来而形成的空间结构体系。在合理的高度和层数的情况下,框架结构能够提供较大的建筑空间,其平面布置灵活,可适合多种工艺与使用功能的要求。但是,在框架结构设计中,仍然存在着一些概念性和实际性的问题需要设计人员予以高度重视,以确保结构设计质量[1—8]。
1 正确选取重要的结构计算参数
结构设计计算时,除了有合理的结构方案、正确的结构计算简图外,正确选择抗震设防烈度和场地类别、合理选取电算软件中的其他各项参数也是十分重要的。
1.1结构的抗震等级
工程设计中,各类房屋建筑首先应当确定建筑类别。对于丙类建筑,其地震作用均按本地区抗震设防烈度计算。对于乙类建筑,（建筑抗震设计规范）文献[2]规定:地震作用应符合本地区抗震设防烈度的要求,但是抗震措施(主要体现为抗震等级)在一般情况下,当抗震设防烈度为6～8度时,应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求;当为9度时,应符合比9度抗震设防更高的要求。实际设计中经常发生抗震等级选错的情况,如:位于8度区的某乙类建筑,应按9度由（抗震设计规范）文献[2]确定其抗震等级为一级。当8度地区的乙类建筑的高度超过文献[2]规定的范围时,还应采取比一级抗震等级更有效的抗震措施。
1.2设计基本地震加速度
（抗震设规范）文献[2]规定:抗震设防烈度为7度时,设计基本地震加速度值分别为0.1g和0.15g两种,抗震设防烈度为8度时,设计基本地震加速度值分别为0.2g和0.3g两种。计算中应严格注意地震区的划分,选取正确的设计基本地震加速度值,这一项对地震作用效应的影响极大。
1.3地震力振型组合数
对于较高层建筑,当不考虑扭转耦联时,振型数应不小于3;当振型数多于3时,宜取为3的倍数,但不能多于层数;当房屋层数不大于2时,振型数可取层数。对于不规则建筑,当考虑扭转耦联时,振型数应不小于9;结构层数较多或结构刚度突变较大时,振型数应多取,如结构有转换层,顶部有小塔楼等,振型数应大于12或更多,但不能多于房屋层数的3倍;只有定义弹性樓板且按总刚分析法分析,有必要时,才可以取更多的振型。（抗震设计）文献[2]明确指出:振型数可以取振型参与质量达到总质量90%所需的振型数。如:对于某一建筑,选取的振型数为15,但振型参与质量系数只有50%,说明振型数取得不够,可能由于此建筑过于复杂或由于某些杆件不连续导致局部震动引起的,应仔细复核。
1.4结构周期折减系数
框架结构由于填充墙的存在,使结构的实际刚度大于计算刚度,计算周期大于实际周期,因此,算出的地震作用效应偏小,使结构偏于不安全,因而对结构的计算周期进行折减是必要的,但如果折减系数取得过大也是不妥当的。对于框架结构来说,采用砌体填充墙时,周期折减系数可根据填充墙的材料及数量选取0.6～0.7;砌体填充墙较少或采用轻质砌块时,可取0.9;无墙的纯框架,计算周期可以不折减。
1.5梁刚度放大系数
结构设计计算软件的梁输入模型均为矩形截面,未考虑因存在楼板形成T型截面而引起的刚度增大,造成结构的实际刚度大于计算刚度,算出的地震剪力偏小,使结构偏于不安全。因此计算时应将梁刚度进行放大,放大系数中梁取2.0、边梁取1.5为宜。
2框架结构构造配筋
2.1框架外挑梁配筋
由于占地面积的限制、使用功能的要求或结构上的原因,工程上常在框架的梁端设计挑梁。由于框架梁的荷载与外挑梁的实际荷载值不同,因而框架梁与外挑梁的断面尺寸会有所不同,而有的设计人员在绘图时只是将框架梁上的某些主筋向外挑梁延伸了事,殊不知有些主筋根本无法伸进挑梁,这些差错一般在施工时才会暴露出来,但为时已晚,许多钢筋已截断成型,这不仅影响了施工进度,而且也造成了不必要的损失。
框架梁外挑梁下常设置钢筋混凝土柱。在柱的内力和配筋计算中,有些设计人员对其受力概念不清,误认为此为构造柱,并且其配筋为构造配筋,悬臂梁也未按计算配筋,这样有可能导致水平荷载作用下承载力不足,为事故的发生埋下隐患。
2.2框架边柱柱顶配筋
对于框架结构的高层建筑,水平荷载对结构的倾覆力矩以及由此在竖向构件中所引起的轴力与建筑高度的平方成正比;顶点位移与建筑高度的4次方成正比。水平荷载是结构设计中的控制因素。框架顶层的风荷载较大,而屋面结构荷重传给边柱的轴向总力比楼层边柱总力要小,显然柱顶有大偏心问题,顶层边柱节点出现轴向力对截面重心的偏心距大于0.5倍的柱截面高度。根据框架结构的构造要求,横梁上部钢筋应全部伸入柱内,且伸过横梁下边;柱内一部分钢筋伸到顶端,另一部分钢筋伸到横梁内,其根数依据计算确定且不少于2根。设计人员在图中经常容易将边柱柱角的钢筋弯入梁内,对这类问题,缺乏实践经验的工程技术人员不易立即发现,而要等施工时才会察觉。问题的症结在于柱宽大于梁宽,柱角的纵筋要完全伸入梁内是办不到的,对这种差错应引起设计人员的重视。
2.3框架梁、柱箍筋配置
文献[2]对不同抗震等级的框架梁、柱箍筋加密区的最小箍筋直径和最大箍筋间距都作了明确规定。根据这些规定,工程习惯上常取的梁、柱箍筋加密区最大间距为100mm,非加密区箍筋最大间距为200mm。电算程序信息中通常也内定梁、柱箍筋加密区间距为100mm,由设计人员根据规范确定箍筋直径和肢数。但是,在程序内定的条件下,当框架梁的跨中部位有次梁或有较大的其他集中荷载作用却仅配两肢箍筋时,多数情况下,非加密区箍筋间距若仍是200mm,会使梁的非加密区配箍不足。当框架梁中由于种种原因纵向钢筋超筋时,梁端适当加大抗剪承载力对结构抗震非常有利。这也是当梁端纵向受拉钢筋配筋率大于2%时,规范规定梁的箍筋直径应比最小构造直径增大2mm的原因。对于框架柱,当框架内定柱加密区箍筋间距为100mm时,在某些情况下,亦可能因非加密区箍筋间距采用200mm引起配箍不足。这里需要指出的是,梁、柱箍筋非加密区配箍验算时可不考虑强剪弱弯的要求,即剪力设计值取加密区终点处外侧的组合剪力设计值,并且不乘以剪力增大系数。
3多层框架结构设计要求
3.1强柱弱梁节点设计
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。强柱弱梁措施的强弱,也就是相对于梁端截面实际抗弯能力而言柱端截面抗弯能力增强幅度的大小,是决定由强震引起柱端截面屈服后塑性转动能否不超过其塑性转动能力,而且不致形成“层侧移机构”,从而使柱不被压溃的关键控制措施。柱强于梁的幅度大小取决于梁端纵筋不可避免的构造超配程度的大小,以及结构在梁、柱端塑性铰逐步形成过程中的塑性内力重分布和动力特征的相应变化。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。验算截面承载力时,人为地将柱的设计弯矩按强柱弱梁原则调整放大,加强柱的配筋构造。梁端纵向受拉钢筋的配筋不得过高,以免在罕遇地震中进入屈服阶段不能形成塑性铰或塑性铰转移到立柱上。注意节点构造,让塑性铰向梁跨内移。
3.2强剪弱弯剪力墙设计
为了提高抗震墙的变形能力,避免发生剪切破坏,对于一道截面较长的抗震墙,应该利用洞口设置弱连梁,使墙体分为小开口墙、多肢墙或单肢墙,并使每个墙段的高宽比不小于2。所谓弱连梁,是指在地震作用下各层连梁的总约束弯矩不大于该墙段总地震弯矩的20%;连梁不能太强,以免水平地震作用下某个墙肢出现全截面受拉,这是比较危险的。但是,考虑到耗能,连梁又不能太弱,连梁弱到成为一般小梁时,墙肢就变成单肢墙,而单肢墙的延性很差,仅为多肢墙的一半,且单肢墙仅具有一道抗震防线,超静定次数少,在地震作用下是很不利的。目前,有许多设计人员将结构中门洞连梁、窗洞连梁都改为截面高度极小的二力杆件,这对结构抗震是很不好的。在实际设计中,对连梁的刚度都要进行折减,这是因为剪力墙的刚度一般都很大,在水平力作用下,剪力墙中的连梁会因为很大的内力而超过截面允许值,可靠的办法是让这些连梁先屈服,要使连梁能形成塑性铰而不发生脆性破坏,连梁首先就必须满足强剪弱弯的要求,对连梁的刚度进行折减实际上就是降低其抗弯能力。
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。对于多层钢筋混凝土框架结构中的多层钢筋混凝土框架结构梁应注意抗剪验算和构造,使其满足相关规范要求。
4结束语
综上所述，目前结构设计中所遇到的各种难题也是日益增多,而作为一个结构设计者需要在遵循各种规范的前提下大胆灵活的解决一些结构方案上的难点、重点,并在工作实践中不断总结和完善。钢筋混凝土框架结构虽然相对比较简单,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以及长期的设计经验总结积累,才能设计出既安全又经济适用的优秀作品。
参考文献：
[1]GB50010-2002,混凝土结构设计规范[S].
[2]GB50011-2001,建筑抗震設计规范[S].
[3]GB50223-2008,建筑工程抗震设防分类标准[S].
[4]万志强.建筑框架结构设计探讨[J].硅谷,2008(5):47.
[5]石小龙.浅谈结构设计中应注意的相关问题[J].建材与装饰,2008(1):22-23.
[6]黄文清.论多层框架结构设计注意事项[J].建材与装饰,2007(7):80-81.
[7]程全丰.钢筋混凝土框架结构设计的几个问题分析[J].今日科苑,2008(8):176.
[8]卢奕.浅析多层钢筋混凝土框架房屋结构设计中存在的一些问题[J].建材与装饰,2008(1):52-53.