关于框架结构设计的探析

周跃龙

摘要:框架结构是我国高层建筑中首选结构体系之一,钢筋混凝土框架结构在现实中得到大量的应用,在此分析了钢筋混凝土框架结构设计中应注意的几个问题: ( 1)抗震等级的合理确定; (2)框架结构薄弱层的判定与处理; (3)楼板开大洞结构计算时应注意的问题; ( 4)基础系梁的设置; ( 5)部分参数的合理选用等,可供工程设计时参考。

关键词:框架; 结构;设计

Abstract: the framework structure is China's first choice in the high-rise building one of the structural system, reinforced concrete frame structure in the reality to get a lot of application, in this analysis of reinforced concrete frame structure design of several problems that should pay attention to: (1) the reasonable determination of the seismic grade; (2) frame structure of the judgement of the weak and processing; (3) floor open hole structure calculation problems should be paid attention to; (4) in the Settings of the foundation beam; (5) part of the parameters such as the reasonable choice, for the engineering reference in design.

Keywords: framework; Structure; design

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

钢筋混凝土框架结构是由楼板、梁、柱子及基础4种承重构件组成的空间结构体系。它具有传力明确、结构布置灵活、抗震性和整体性好的优点,目前被广泛应用于各类工业与民用建筑中。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。在设计时,如何处理各种不同的问题值得结构设计人员不断探讨和研究。

1应从概念设计上注意的几个问题

关于“强柱弱梁”,这是为了实现在罕遇地震作用下,让梁端形成塑性铰,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。强柱弱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,以及結构在梁、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。

注意构造措施,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。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。

2框架结构薄弱层的判定与处理

薄弱层是指在强烈地震下,结构首先屈服并产生较大弹塑性位移的部位,这些部位的承载力是满足设计地震作用下抗震承载力要求的。

对于薄弱层的判断,有个人指定、计算判定、强制认定三种方式。在PKPM的SATWE软件里,设计人根据《建筑抗震设计规范》第5. 5. 4条规定或个人经验可以直接指定哪一层为薄弱层;软件在计算时,如果结构的抗侧移刚度不规则,某层的抗侧移刚度小于相邻上一层70% ,或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80% ,或楼层承载力突变,满足《建筑抗震设计规范》第3. 4. 2条竖向不规则的规定,软件自动将该层指定为薄弱层;如果结构存在转换层,即竖向抗侧力构件不连续,那么不管该层刚度与上层或上三层的比值是否满足规范要求,或楼层承载力是否满足规范要求,必须强制认为该层为薄弱层。

薄弱层是对抗震极为不利的结构层,原则上应避免出现薄弱层。避免出现薄弱层的最基本方法是加大该层的抗侧移刚度,即加大该层的柱截面或梁截面;如果条件允许,可以改变该层层高或减少基础埋置深度。当无法避免出现薄弱层时,在结构计算和出图时必须按照规范规定采取相应的措施。根据《建筑抗震设计规范》第3. 4. 3. 2条及第5. 5. 2条至第5. 5. 5条的规定,除对薄弱层的地震剪力乘以1.15倍的放大系数外,还应对结构的楼层屈服强度系数进行验算。楼层屈服强度系数为按构件实际配筋和材料强度标准值计算的楼层受剪承载力和按罕遇地震作用标准值计算的楼层弹性地震剪力的比值。如果在地震烈度7度至9度地区的结构楼层屈服强度系数小于0. 5时,应对结构进行弹塑性变形验算,符合表5. 5. 5的规定。如果不符合上述要求, 必须对结构布置进行调整。

3楼板开大洞结构计算应注意的问题

楼板开洞的结构比较普通,如果开洞面积大于该层楼面面积的30%,就属于平面不规则了,计算时必须进行处理。以PKPM软件为例, TAT和SAT2WE分别采用了两种方式进行处理。TAT软件是将无楼板的节点定义为弹性节点,也就是表明该节点不受刚性楼板假定的限制,其平动自由度独立(在这里所指的节点为梁柱交点) ; SATWE软件是将所有楼板定义为弹性膜,由软件真实地计算楼板的平面内刚度,忽略楼板的片面外刚度。

如果某层洞口面积大于楼层面积的30%以上时,建议应将全楼所有楼板定义为弹性膜比较符合实际,也可以将该层洞口边缘节点定义为弹性节点(即不考虑楼板的刚度) ;如果屋面为刚网架时,应输入一板厚,定义为弹性膜,真实计算楼板的平面内刚度,比较符合实际。

在正确定义了弹性节点或弹性膜后,在后续计算中必须采用总刚度计算法,否则侧刚度计算法仍按刚性楼板计算结构内力和配筋,计算时应特别注意这一点。

4基础系梁的设置问题

如果基础埋置深度较深时,可以用基础梁减少底层柱的计算长度,在±0. 000以下设置系梁,此时系梁宜按一般框架梁进行设计,同时系梁以下的柱应按短柱处理。

如果工程条件符合《建筑抗震设计规范》第6. 1. 11条规定,应设基础系梁。根据抗震要求,可沿两个主轴方向设置构造基础梁。基础梁截面高度可取承台中心距的1 /10～1 /15。构造基础梁纵向受力钢筋可取上述所连接柱的最大轴力设计值的10%作为拉力或压力来计算,当为构造配筋时,应满足最小配筋率;当基础梁上作用有填充墙或楼梯柱等传来的荷载时,应与所连接柱子的最大轴力设计值的10%叠加计算,基础梁截面也应适当增加,算出的配筋应满足受力要求和构造配筋要求。构造基础梁顶标高通常与基础顶标高相同。为减少基础梁计算跨度,可以将基础梁下与独立基础的台阶或锥形斜坡之间的空隙部分,用与素混凝土浇筑至与基础顶面平齐,再浇筑基础梁。

如果用基础梁平衡柱底弯矩,梁的截面尺寸与配筋应按框架梁设计。这时,拉梁正弯矩钢筋应全部拉通,负弯矩钢筋至少应在1/2跨拉通,基础梁的纵筋在框架柱内的锚固、箍筋的加密及其余抗震构造要求应与上部框架梁完全相同,且此时拉梁应设置在基础顶部。

5短柱

在框架结构中,如果柱净高与柱截面高度之比≤4或剪跨比≤2,那么该柱为短柱。

短柱在地震作用下,容易发生脆性破坏,因为短柱的受剪承载力及变形能力不足,会引起建筑物的严重破坏,设计时应尽可能避免。

短柱的形成主要有两种原因:一是由于楼梯间半休息平台或结构局部错层造成两个框架梁之间的框架柱净高较小引起的;二是填充墙设置不当,造成某层的框架柱两侧一部分无填充墙,一部分有填充墙,无填充墙的柱净高与柱截面之比往往小于等于4,形成短柱 。

处理短柱主要是增加柱的抗剪承载力及改善其变形能力,一般采用复合箍筋,箍筋沿全高加密;保证短柱的纵向钢筋对称布置,且每侧的纵向钢筋配筋率以不大于1. 2%的方式处理。

6部分计算参数的合理选用

现浇框架结构中,如果梁两边没有楼板或有弧形梁时,扭矩折减系数应为1. 0;如果梁两侧均有楼板,应对梁的扭矩进行折减,折减系数一般为0. 4。对于一般工程,梁的配筋应计算两次:一次对所有梁的扭矩折减,计算出两侧都有楼板的梁的配筋;另一次对所有的梁扭矩不折减,计算出一侧有楼板或两侧都没有楼板的梁的配筋。这样计算结构比较符合实际,这一点应引起设计人员的重视。

结构计算时,框架梁在竖向荷载作用下,梁端负弯矩往往很大,造成钢筋太密,无法施工;同时,由于框架结构一般为超静定结构,框架梁在达到承载能力极限状态之前,总会产生不同程度的塑性内力重分布,因此可以适当降低框架梁在竖向荷载作用下的负弯矩,通过平衡条件相应增大梁跨中弯矩。应注意这里只是降低梁在竖向荷载作用下的负弯矩,然后再与水平作用产生的弯矩组合设计。

而梁弯矩放大系数仅在没有考虑梁的活荷载不利布置时起作用,并且对梁的正负弯矩均起作用,且不可与考虑梁的活荷载不利布置同时考虑,这样会引起梁弯矩增大,造成材料浪费。

7设计构造方面的问题

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于足够的重视,但对于《建筑抗震设计规范》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、0. 08且体积配箍率分别不宜小于0. 6%、0. 5%、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。

底层框架柱箍筋加密区范围应满足要求,《建筑抗震设计规范》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”,设计中應重点说明框架梁的纵向配筋率应注意《建筑抗震设计规范》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2 mm”,在目前设计中,这一规定常被忽视,造成梁端延性不足。

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》中规定“框架端节点处,当框架梁上部纵筋水平直线段锚固长度不足时,应伸至柱外边并向下弯折,弯折前的水平投影长度不应小于0. 4 LaE”,当框架柱截面尺寸小于400mm×400 mm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。

8应用平法图集须注意的问题

现在大部分地区的框架结构一般都用《混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图(03G 101 - 1) 》的平法,表示梁、柱、剪力墙的配筋,在使用图集时宜注意以下问题。

框架柱如果采用剖面列表法表示配筋时,需注意每层楼面标高以下的箍筋加密区长度应为框架梁高与规范规定的箍筋加密区长度( 1 /6 柱净高、柱截面高度、500 mm中的较大值)之和,因为PKPM软件出图时加密区长度没有包含梁高,而施工人员如果按图施工,往往会造成箍筋加密区高度不够。

另外,由于一层建筑地面是在主体结构浇筑完毕后才施工的,如果一层地面为刚性地面,根据《建筑抗震设计规范》第6. 3. 10. 2条规定,柱箍筋在刚性地面上下各500mm范围内应加密,这一点往往被施工单位忽视,设计人员在设计图纸中应有明确交待。

在框架结构中,井字梁支座上部纵筋的外伸长度应交待,平法图集第68页有专门说明,设计人员应明确指出。此外,由于梁截面过小或承载力较大时,框架梁如设三排纵筋,建议调整梁截面或纵筋直径改为两排,否则,第三排纵筋的外伸长度应交待。

9结语

以上主要阐述了多层框架结构在设计过程中的基本问题,当然实际工程中可能会遇到更多问题,在此不再赘述。设计多层框架结构,设计人应首先判断结构方案的可行性,对可能碰到的问题提前采取措施予以解决,并对所有计算结构认真分析、判断,准确无误后方可应用于实际工程。