论多高层钢筋混凝土框架结构的设计

张吉平

（山西省财政税务专科学校，山西太原 030024)

论多高层钢筋混凝土框架结构的设计

张吉平

（山西省财政税务专科学校，山西太原 030024)

高层建筑主要有四种常见的结构设计，其中以框架结构为最基本的结构形式，因此框架结构的设计是建筑设计特别是多高层建筑设计的基础部分。因为拥有足够大的强度和良好的延展性以及较强的整体性，钢筋混凝土框架结构目前被广泛应用于建筑行业，尤其是地震设防地区的建筑设计。在工程设计过程中，如何正确地分析研究各个工程的特点，有针对地选用合理的方案，采取理想的结构形式，是每一个工程设计人员都要首当其冲面对的关键问题。

多高层建筑；钢筋混凝土；框架结构设计

高层建筑主要有四种常见的结构设计，其中以框架结构为最基本的结构形式，其他的结构形式都是以此为基础，因此，框架结构的设计是建筑设计特别是多高层建筑设计的基础部分。框架结构是由立柱和横梁组成的杆件体系，是建筑设计中最常见的承重结构。框架结构有着布置灵活的特点，能够获得相对较大的使用空间，因此被广泛适用于住宅、公寓、办公楼、写字楼以及其他商业建筑中。由于框架结构柱网布置灵活，能获得较大的使用空间，在办公楼、教学楼、住宅楼、公寓以及商业建筑中常常采用。因为拥有足够大的强度和良好的延展性以及较强的整体性，钢筋混凝土框架结构目前被广泛应用于建筑行业，尤其是地震设防地区的建筑设计。在工程设计过程中，如何正确地分析研究各个工程的特点，有针对地选用合理的方案，采取理想的结构形式，是每一个工程设计人员都要首当其冲面对的关键问题。

一、常见的高层建筑结构分类

1.基本框架结构

所谓基本框架结构，主要是指基构成基本框架的基础、梁、柱、楼板这四种结构，它是高层建筑的基础，起着承重的作用。其中以基础、柱子和梁为框架的最基本的结构，同时也是主要的承重体。以框架结构为基本结构的建筑，其形式灵活，能够形成相对较大的应用空间，处理相对方便，同时具有抗震性和整体性的优势，此外还具备一定的可塑变能力。

2.框架配合剪力墙

框架配合剪力墙结构就是讲框架和剪力墙这两种下级结构相结合，形成一个结构体系，是多高层建筑结构设计常采用的另外一种结构形式。其中，由框架和剪力墙共同承担竖向的应力载荷，因为剪力墙的刚度大，能够承担侧向应力载荷，所以水平的应力载荷就靠剪力墙来分担。框架与剪力墙的配合，不但增加了多高层建筑的抗侧力强度，而且减少了框架结构带来的侧向位移的可能。且二者相结合也让层与层之间的变形可能趋向均衡，因此，框架和剪力墙的结构形式在很大程度上增加了建筑的可建高度。

3.单纯剪力墙

利用墙体来承受全部的水平应力载荷和竖向应力载荷的建筑体系就是剪力墙结构。刚性明显是剪力墙的主要突出特性，因此剪力墙可以均匀直接地传导力。因其结构的强度和刚性都很高，同时也具备一定的延展性，在对抗侧向位移的时候能够有效地控制位移程度。所以，单纯剪力墙的结构在对抗台风、地震等类似的灾害时可以起到很好的作用，其建筑高度相较之下高于前面两种结构，具有良好的整体性和抗倒塌性。

4.简体结构体系

由简体为结构主体的体系就称之为简体体系。有简体结构构成的多高层建筑有着较强的强度和刚度，其明显特征就是简体结构体系中的所有构件都可以合理参与应力载荷的分配，在抗台风、地震等上的能力是四种结构中最强的，而且可以符合大空间、大跨度的需要，被普遍应用在超高层建筑的建设上。

二、钢筋混凝土的性质特点及工作原理

1.钢筋混凝土的性质

钢筋混凝土又称钢筋砼，先用铁丝将钢筋固定成想要的形状结构，然后在钢筋骨架外覆盖模板，再将混凝土浇灌进去，进过护养达到强度标准后再拆模，得到的就是钢筋混凝土。混凝土结构有着较强的抗压强度，但是抗拉强度仅有抗压强度的十分之一左右，任何显著的拉弯作用都会导致其结构的破坏，因而极少被单独使用在工程中。与混凝土相比，钢筋有着强劲的抗拉力强度，常被人们加入混凝土共同使用，由钢筋来承担拉力，混凝土承担压力。

2.钢筋混凝土的工作原理

因为拥有足够大的强度和良好的延展性以及较强的整体性，钢筋混凝土框架结构目前被广泛应用以建筑行业，尤其是地震设防地区的建筑设计。

钢筋有显著的抗拉力强度，但是抗压强度不高；混凝土以抗压强度著称，但抗拉强度较低，材料自身的性质决定了两者可以共同工作、相互配合、互补不足。首先，钢筋与混凝土有着相似的线膨胀系数，不会因为环境的改变而产生过大的应力。其次，钢筋与混凝土之间有良好的黏结力，有时钢筋的表面也被加工成有间隔的肋条（称为变形钢筋），用来提高混凝土与钢筋之间的咬合程度，需要的情况下会将钢筋的端部弯起呈180°弯钩，以加大与混凝土之间的拉力。最后，混凝土中的氢氧化钙提供了碱性环境，能够在钢筋的表面形成了一层钝化的保护膜，让其在相对于中性与酸性的环境下更加不易被腐蚀。

3.钢筋混凝土的优点

钢筋混凝土结构发扬了钢筋与混凝土各自的优势，弥补了二者各自的不足。它有着如下的优势特点：

（1）取材简易：钢筋混凝土结构所用的是比重较大的砂石，材料简单易寻，还可以有效地利用矿渣、煤粉等工业废渣，利于环保。

（2）用材合理：钢筋混凝土结构不仅发挥了钢筋和混凝土两种材料的优势，互补不足，而且与钢材相比有着更加低廉的造价。

（3）可模性好：钢筋混凝土是由混凝土浇灌钢筋骨架搭建的模子而成，可根据建筑需求设计制成各种不同形状不同尺寸的结构或者构件，具有较强的可模性。

（4）整体性好：钢筋混凝土结构的整体性较好，因钢筋与混凝土之间的机械咬合稳固，只要设计合理，便能具备良好的抗震、抗爆性能。

（5）耐久性好：钢筋混凝土结构具有很好的耐久性，在正常的使用条件下是不需要经常性的保养和维护的。

（6）耐火性好：与钢结构相比，钢筋混凝土结构具有更好的耐火性。

三、多高层建筑钢筋混凝土的框架结构设计

1.钢筋混凝土框架结构底层的设计

没有地下室的多高层钢筋混凝土建筑，独立基础埋置的位置较深，一般应在-0.05m左右将基础拉梁按照一个结构层来输入。例如，某工程项目要求三层钢筋混凝土框架结构，丙类建筑，Ⅱ类建筑场地；3.3m层高，基础埋深4.0m，0.8m基础高，室内外高差0.45m。根据《建筑抗震设计规范》第6.1.2条，在Ⅶ度地震区该工程框架结构的抗震等级应为为三级。按三层框架房屋计算，第一层取3.35m高，基础按照中心受压来计算，显然这样的选择是有欠妥当的。因为根据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)第7.3.11条规定，框架结构底柱的高度应取基础顶面至首层楼盖顶面的高度。而上述构造所设计拉梁是无法平衡柱脚弯矩的。根据工程设计的经验来看，这样的框架结构最好是按照四层来进行整体的分析计算，就是将基础拉梁作为一个结构层来输入，若在拉梁上有应力荷载，应一并载入。根据《建筑抗震设计规范》第6.2.3条，框架柱底层柱脚弯矩设计值应乘以增大系数1.15。因此，在设计拉梁层的时候，一般来说要比较底层柱的配筋是由基础拉梁顶面的截面来控制，还是由基础顶面的截面控制。另外，考虑到地基土的约束作用，对于这样的设计而言，在电算程序总信息的输入中可将地下室层数设为1，并重复计算一次，再按照两次计算结果的包络图来进行框架结构底层柱的设计。

2.多层框架房屋基础拉梁的设计

当多层框架房屋基础埋置较深时，可以在±0.000以下选取适当的位置来设置基础拉梁，这样可以减小底层柱的计算长度和底层的位移程度。

一般情况下，当独立基础的埋深值不大，或者虽然埋深值较大但采用了短柱基础时，可视具体要求沿主轴的两个方向来设置构造基础拉梁。设计时，基础拉梁截面的宽度可取柱中心距的1／20～1／30，高度可取柱中心距的1／12～1／18。当拉梁上承受楼梯柱或者填充墙传来的应力荷载时，应适当加大拉梁截面。

3.多层框架结构中楼梯、电梯的小井筒设计

在多高层建筑的框架结构中，应该尽量避免设置钢筋混凝土的楼梯、电梯小井筒，因为钢筋混凝土的小井筒的存在会减少框架结构能承担的地震剪力，并且小井筒下的基础设计也具有较高的难度，因此在设计中通常采用构造柱夹砌体材料做填充墙形成隔墙。

必须设计为钢筋混凝土小井筒时，井筒的墙壁厚度应当减少，并进进行刚度弱化（可采取开竖缝、开结构洞等办法）；配筋也只能配置少量单排钢筋，消弱小井筒的作用。

设计计算时，除了按照框架确定抗震等级计算外，还要按照带井筒的框架来进行复核，并加强与井筒墙体相连的柱子的配筋。

4.多高层建筑中钢筋混凝土框架结构计算的注意事项

（1）基础拉梁层计算模型的选定

在选用TAT或者SATWE等程序进行框架整体计算时，对于基础拉梁层无楼板的情况，应取0作为楼板厚度，并定义弹性节点，采用总纲分析方法进行分析计算。而当房屋平面不规则时，虽然楼板厚度也要取0，并且也要定义弹性节点，但程序分析时自动按照刚性楼面来进行计算，这样一来便与实际情况不相符，在设计过程中要特别注意这一点。

（2）多高层建筑框架结构的抗震等级

在工程设计中，多数房屋建筑分属于丙类建筑（如民用住宅、办公楼、一般工业建筑等），其抗震等级可参考《建筑抗震设计规范》表6.1.2来确定。而对于交通、通讯、消防、医疗等类型的建筑以及大型体育场馆、大型商场、科技展厅、电影院等公共建筑，可首先根据GB50223-2004《建筑抗震设防分类标准》来确定那些建筑属于哪些类别。丙类建筑的地震作用均按本地区抗震设防烈度计算；乙类建筑在一般情况下当抗震设防烈度为Ⅵ～Ⅷ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。

（3）地震力的振型组合数

对于多高层建筑而言，当不考虑扭转耦联计算时，地震力的振型组合数至少要取3；当振型数多于3时，应取3的倍数，但不能多于层数；而房屋层数≤2时，则振型数可取层数。

对于多高层建筑不规则的结构，考虑扭转耦联时振型数要取>19。若是结构层数较多或者结构刚度突变较大，振型数应多取。若结构有转换层、顶部小塔楼、多塔等结构时，振型数应取≥l2，但不能超过3倍层数；只有当定义为弹性楼板，且采用总刚分析时，振型数才可以取得较少。

[1]洪慧慧.论钢筋混凝土多层框架结构的地震控制设计[J].民营科技，2009，(05).

[2]陈炎浩.论钢筋混凝土框架结构房屋的抗震设计[J].广东科技，2007，(04).

[3]黄岳军.谈钢筋混凝土框架结构施工技术[J].中华民居，2011，(07).

TU

A

1673-0046（2012）8-0139-02