基于多层框架混凝土结构设计中的几个问题分析与研究

基于多层框架混凝土结构设计中的几个问题分析与研究摘要： 本文主要就框架结构设计过程中,应着重控制的几个问题做了深入的分析研究,同时提出了相应的处理措施。多层框架结构作为最常见的建筑结构形式之一,被建筑领域广泛应用。关键词：多层框架； 框架结构； 结构设计； 问题引言 20世纪90年代以后，随着我国房地产行业的发展和土木工程技术的提高，钢筋混凝土结构在建筑行业得到了迅速发展。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，框架结构在结构设计中遇到的各种难题也日益增多，因而作为一个结构设计者需要在遵循各种规范下大胆灵活的解决一些结构方案上的难点、重点。 1.设计构造方面的问题 （1）框架节点核芯区箍筋配置应满足要求对于规范中规定的框架柱箍筋加密区的箍筋最小体积配箍率的要求，绝大部分设计人员都能给予足够的重视，但对于建筑抗震设计规范（GB50011-2010）中规定的“一、二、三级框架节点核芯区配箍特征值分别不宜小于0.12、0.10和0.08，且体积配箍率分别不宜小于0.6、0.5和0.4。”设计中经常被忽视，尤其是柱轴压比不大时，常常不满足要求。这一规定是保证节点核芯区延性的重要构造措施，应严格遵守。 （2）底层框架柱箍筋加密区范围应满足建筑抗震设计规范（GB50011-2010）中规定：“底层柱，柱根处箍筋加密区范围为不小于柱净高的1/3”。这是新增加的要求，设计中应重点说明。 （3）框架梁的纵向配筋率应注意建筑抗震设计规范（GB50011-2010）中规定：“当框架梁梁端纵向受拉钢筋配筋率大于2%时，梁箍筋最小直径的数值应比表6.3.3中规定的数值增大2mm。”在目前设计中，这一规定常被忽视，造成梁端延性不足。 （4）框架梁上部纵筋端部水平锚固长度应满足要求混凝土结构设计规范（GB50010-2010）中规定：“框架端节点处，梁上部纵向钢筋也可采用90?弯折锚固的方式。此时梁上部纵向钢筋应伸至柱外侧纵向钢筋内边并向节点内弯折，其包含弯弧在内的水平投影长度不应小于0.4Lab，弯折钢筋在弯折平面内的包含弯弧段的投影长度不应小于15d。”当框架柱截面尺寸小于400400mm时，应注意梁上部纵筋直径的选择，否则这一项要求不容易得到保证。 2.多层钢筋混凝土框架结构计算中应注意的问题 2.1 独立基础设计的荷载取值 钢筋混凝土多层框架房屋的基础形式多采用的是柱下独立基础。在基础设计中，合理地选取荷载设计值，是基础结构设计的重要环节。实际工作中，常会出现2种情况：依据建筑抗震设计规范（GB50011-2010）第4.2.1条指出的“当地基主要受力层范围内不存在软弱黏性土层时，不超过8层且高度在24m以下的一般民用框架房屋或基础荷载相当的多层框架厂房，可不必进行天然地基和基础的抗震承载力验算”的要求，忽略风荷载的影响；在设计独立基础时，作用在基础顶面上的外荷载（柱脚内力设计值）只取轴力设计值、弯矩设计值而无剪力设计值，甚至只取轴力设计值。工程设计实践证明，这2种情况的设计结果都会导致基础尺寸偏小、配筋偏少。如果在涉及混凝土多层框架房屋的整体计算分析中输入风荷载，让轴力设计值、弯矩设计值和剪力设计值共同作用于柱脚，基础本身及其上部结构的安全就更为可靠。 2.2 基础拉梁层计算模型的选定 用TAT或SATWE等电算程序进行框架整体计算时，对于基础拉梁层无楼板的情况下，楼板厚度应取0，并定义弹性节点，用总纲分析方法进行分析计算。当房屋平面不规则时，虽然楼板厚度取0，也定义弹性节点但未采用总纲分析，程序分析时却自动按刚性楼面假定进行计算，这与实际情况不符，设计过程中要特别注意这一点。 2.3 结构的抗震等级 在工程设计中，多数房屋建筑按其抗震设防分类属于丙类建筑，如民用住宅、办公楼及一般工业建筑等等，其抗震等级可根据烈度、结构类型和房屋的高度按建筑抗震设计规范（GB50011-2010）表6.1.2确定。对于电讯、交通、能源、消防和医疗等类建筑以及大型体育场馆、大型零售商场等公共建筑，可首先根据建筑抗震设防分类标准（GB50223-2004）确定其中哪些建筑属于乙类建筑（可能还有甲类建筑，本文不涉及）。若为丙类建筑，其地震作用均按本地区抗震设防烈度计算；若为乙类建筑，一般情况下，当抗震设防烈度为度时，抗震措施应符合本地区抗震设防烈度提高I度的要求。例如，位于度地震区（如北京）的乙类建筑，应按度由建筑抗震设计规范（GB50011-2010）表6.1.2确定其抗震等级为一级；当度乙类建筑的高度超过表6.1.2规定的范围时，还应经专门研究，采取比一级抗震等级更有效的抗震措施。 2.4 地震力的振型组合数 地震力的振型组合数，对高层建筑，当不考虑扭转耦联计算时，至少要取3，且为3的倍数；振型数也不能取的太多，不能多于结构有质量贡献的自由度总数（每个刚性板取3个，每个弹性节点取2个）。例如全部为刚性楼板的结构，振型数不能超过楼层数的3倍，否则可能出现异常。高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）规定：抗震设计时，B级高度的高层建筑结构、混合结构和本规程第10章规定的复杂高层建筑结构，宜考虑平扭耦联计算结构的扭转效应，振型数不应小于15，对多塔楼结构的振型数不应小于塔楼数的9倍，且计算振型数应使各振型参与质量之和不小于总质量的90%。当结构楼层数较多或结构层刚度突变较大时，如高层、错层、越层、多塔、楼板开大洞、顶部有小塔楼、有转换层、有弹性板等复杂结构，振型数应相对多取。只有当定义弹性楼板，且采用总刚分析，必要时振型数才可以取得较少。建筑抗震设计规范（GB50011-2010）指出，合适的振型个数一般可以取振型参与质量达到总质量的90所需的振型数。SATWE等电算程序已有这种功能，可以很方便地输出这种参与质量的比值。有些设计人员不大重视电算程序使用手册的应用，选取振型数时比较随意，这是应当改进的。此外，对于耦联计算，可在必要时补充非耦联计算。 2.5框架结构应注意带楼梯、电梯的小井筒的设计 多层框架结构应尽量避免设置钢筋混凝土楼梯、电梯小井筒。因为钢筋混凝土井筒的存在会吸收较大的地震剪力，相应地减少框架结构所承担的地震剪力，而且井筒下的基础设计也比较困难，故在设计过程中这些井筒多采用构造柱夹砌体材料做填充墙形成隔墙。当必须设计为钢筋混凝土井筒时，井筒墙壁厚度应当减薄，并通过开竖缝、开结构洞等办法进行刚度弱化；配筋也只宜配置少量单排钢筋，以减小井筒的作用。设计计算时，除按框架确定抗震等级并计算外，还应按带井筒的框架（当平面不规则时，宜考虑耦联）复核，并加强与井筒墙体相连的柱子的配筋。此外，还要特别指出，对框架结构出屋顶的楼电梯间和水箱间等，应采用框架承重，不得采用砌体墙承重；而且应当考虑鞭梢效应（按塔楼考虑）乘以增大系数；雨篷等构件应从承重梁上挑出，不得从填充墙上挑出；楼梯梁和夹层梁等应承重在柱上，不得支承在填充墙上。 2.6 柱部分 （1）地上为圆柱时，地下部分应改为方柱，方便施工。圆柱纵筋根数最少为8根，箍筋用螺旋箍，并注明端部应有一圈半的水平段。方柱箍筋应使用井字箍，并按规范加密。角柱、楼梯间柱应增大纵筋并全柱高加密箍筋。幼儿园不宜用方柱。 （2）原则上柱的纵筋宜大直径大间距，但间距不宜大于200。 （3）柱内埋管，由于梁的纵筋锚入柱内，一般情况下仅在柱的四角才有条件埋设较粗的管。管截面面积占柱截面4%以下时，可不必验算。柱内不得穿暖气管。 （4）柱断面不宜小于450450，混凝土不宜小于C25，否则梁纵筋锚入柱内的水平段不容易满足0.4La的要求，不满足时应加横筋；而且在梁柱节点处钢筋太密，混凝土浇筑困难。异型柱结构，梁纵筋一排根数不宜过多，柱端部纵筋不宜过密，否则节点混凝土浇筑困难。当有部分矩形柱部分异型柱时，应注意异型柱的刚度要和矩形柱相接近，不要相差太大。 （5）柱应尽量采用高强度混凝土来满足轴压比的限制，减小断面尺寸。 （6）尽量避免短柱，短柱箍筋应全高加密，短柱纵筋不宜过大。 （7）考虑到竖向地震作用，柱子的轴压比及配筋宜留有余地。 （8）独立柱上或柱的中部（半层处）有挑梁时，挑梁长度应有限制。 结束语 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】建筑抗震设计规范GB500112010中国建筑工业出版社，2010 【2】混凝土结构设计规范GB500102010中国建筑工业出版社，2011 【3】高层建筑混凝土结构技术规程JGJ32010中国建筑工业出版社，2011