多层框架房屋建筑结构设计问题探讨

徐兴培

摘要：随着我国建筑行业的不断发展，对多层框架房屋建筑结构的设计提出了更高的要求，在钢筋混凝土建筑中，框架结构是一种常用的结构形式，具有传力明确、结构布置灵活、抗震性和整体性好的优点，目前己被广泛地应用于各类多层的工业与民用建筑中。本文主要分析了多层框架房屋建筑结构设计的研究现状和计算方法，然后结合工程实例探讨了多层框架房屋建筑结构的设计。

关键词：多层框架；房屋建筑；结构设计

中图分类号：TU318

文献标识码：B

文章编号：1674-3954（2013）21-0146-02

引言

由于框架结构具有空间大、平面布局灵活多样的特点，满足了人们不断追求使用个性化的要求。因此，随着社会的不断发展和人们物质生活水平的提高，框架结构（住宅、公共建筑）将会得到较大发展。

1 多层框架房屋建筑结构设计研究现状和优缺点分析

1.1 多层框架房屋建筑结构设计研究现状

对于框架结构，在结构建筑特点方面：它是由钢筋混凝土梁、柱、节点及基础为主框，加上楼板、填充墙、屋盖所组成的结构形式，楼板和横梁连在一起，横梁和柱通过节点连为一体，形成承重结构，将荷载传至基础，力的传递路线比较明确。对于整个房屋全部采用这种结构形式的称为框架结构或纯框架结构。框架可以是等跨或不等跨的，也可以是层高相同或不完全相同的，有时因房屋布局和空间使用要求等原因，也可能要在某层抽柱或某跨抽梁，形成缺梁、缺柱的框架。墙体是填充墙，仅起围护和分隔作用，所以框架结构的最大特点是承重构件与围护构件有明确分工，建筑物的内外墙处理十分灵活，应用范围很广，因此能为建筑提供灵活的使用空间。在结构受力性能方面：框架结构构件截面较小，因此框架结构的承载力和刚度都较低，它的受力特点类似于竖向悬臂剪切梁，楼层越高，水平位移越慢，高层框架在纵横两个方向都承受很大的水平力，所以框架结构属于柔性结构，自振周期较长，地震反应较小，经过合理的结构设计可以具有较好的延性性能。

1.2 多层框架房屋建筑结构设计优缺点分析

1.2.1 钢筋混凝土框架结构的主要优点

空间分隔灵活，自重轻，节省材料；具有可以较灵活地配合建筑平面布置的优点，利于安排需要较大空间的建筑结构；框架结构的梁、柱构件易于标准化、定型化，便于采用装配整体式结构，以缩短施工工期；采用现浇混凝土框架时，结构的整体性、刚度较好，设计处理好也能达到较好的抗震效果，而且可以把梁或柱浇注成各种需要的截面形状。

1.2.2 钢筋混凝土框架结构的缺点

框架节点应力集中显著，框架结构的侧向刚度小，属柔性结构框架，在强烈地震作用下，结构所产生水平位移较大，易造成严重的非结构性破坏，适用于非抗震设计；钢材和水泥用量较大，构件的总数量多，吊装次数多，接头工作量大，工序多，浪费人力，施工受季节、环境影响较大；不适宜建造高层建筑。

2 多层框架房屋建筑计算方法

2.1 竖向荷载作用下内力计算

在内力计算中，在竖向荷载作用下框架结构的内力可用分层法、弯矩二次分配法等近似方法计算。分层法在分层计算时，将上、下柱远端的弹性支承改为固定端，同时将除底层外的其他各层柱的线刚度乘以系数0.9，相应地柱的弯矩传递系数由1/2改为1/3，底层柱和各层梁的线刚度不变且其弯矩传递系数仍为1/2。弯矩二次分配法是先对各节点的不平衡弯矩都进行分配（其问不传递），然后对各杆件的远端进行传递。分层法和弯矩二次分配法的计算精度较高，可用于工程设计。

2.2 水平荷载作用下内力计算

水平荷载作用下框架结构内力可用D值法、反弯点法等简化方法计算。其中D值法的计算精度较高，当梁、柱线刚度比大于3时，反弯点法也有较好的计算精度。D值是框架结构层问柱产生单位相对侧移所需施加的水平剪力（如图1为某工程剪力示意图），可用于框架结构的侧移计算和各柱问的剪力分配。D值是在考虑框架梁为有限刚度、梁柱节点有转动的前提下得到的，故比较接近实际情况。影响柱反弯点高度的主要因素是柱上、下端的约束条件。柱两端的约束刚度不同，相应的柱端转角也不相等，反弯点向转角较大的一端移动，即向约束刚度较小的一端移动。D值法中柱的反弯点位置就是根据这种规律确定的。

在水平荷载作用下，框架结构各层产生层问剪力和倾覆力矩。层问剪力使梁、柱产生弯曲变形，引起的框架结构侧移曲线具有整体剪切型变形特点；倾覆力矩使框架柱（尤其是边柱）产生轴向拉、压变形，引起的框架结构侧移曲线具有整体弯曲型变形特点。当框架结构房屋较高或其高宽比较大时，宜考虑柱轴向变形对框架结构侧移的影响。

2.3 软件辅助计算

在手算前，用PKPM对初选方案进行结构刚度、效应分析、杆件内力标准值的计算，基本掌握模型建立、荷载输入、参数确定、整体计算、结果分析等各重要环节。如若电算通过，则继续进行手算；若不通过，则应变换截面尺寸，直至电算通过。此外，还可利用SAP2000等数值分析软件，对设计方案进行建模模拟，验算内力、变形等。

3 多层框架房屋建筑结構设计实例分析

3.1 多层框架房屋建设结构设计原始资料

某办公楼建筑，室外气温：年平均气温最冷月份-20℃，年平均气温最高月份25℃冻土深度：最大冻土深度为1.2m基本雪压：0.40kN/m²；基本风压：0.25kN/m²；地质资料：20m以上为轻亚粘土，f=210kPa，地下水位深18m。抗震设防烈度为Ⅶ度，设计基本地震加速度值为0.10g，场地设计分组为第三组，场地土类型为Ⅱ类。地面粗糙度类别C类。建筑场地：70m×40m。

提供的建筑材料：钢筋：HPB300级，HRB335级，HRB400-HRB500级。混凝土：C30～C40。砌体（填充墙）：加气砌块、空心砌块，强度等级≥MU7.5（加气砌块、空心砌块容重不大于8kN/m³），采用M7.5混合砂浆砌筑。焊条：HPB300级（φ）级钢筋用E43××焊条，HRB335级（φ）级钢筋用E50××焊条。

3.2 多层框架房屋建筑物组成及功能要求

办公大楼拟建6层总建筑面积3000～5000m²左右。其中办公室：35～45m²左右，50个左右；会议室：80～90m²左右，2个，分布在上部。设电梯一部，入口门庭两层通高。要求采用框架结构，建筑设计要求有标志性并体现时代气息。建筑物防火等级为二级。

3.3 多层框架房屋建筑结构设计步骤

3.3.1 建筑设计部分

平面設计：合理确定平面柱网尺寸；布置房间；确定楼（电）梯数量、位置及形式；满足室内采光、通风要求。剖面设计：确定合理层高；给出楼（地）面、屋面、墙身工程做法。立面设计：建筑风格、造型应富有创意，有时代感。要求完成的建筑施工图有：首层平面图（1：100）；标准层平面图（1：100）；建筑详图（1：50或1：25）；立面图（1：100或1：50）：正立面、侧立面；剖面图（1：100或1：50，剖切位置必须在楼梯部位）；建筑设计说明书（在建筑设计说明中，应说明自己所选取的方案的设计意图，注意从平、立、剖等方面分别说明）。

3.3.2 结构设计部分

结构选型：根据建筑设计方案及设计原始资料，选择适当的结构体系。结构布置：确定柱在平面上的排列方式，一般柱网有内廊式和等跨式两种，选择承重方案，框架结构的平面布置形式非常的灵活，框架结构按照承重方式的不同分为三类：横向框架承重方案；纵向框架承重方案；纵横向框架混合承重方案。合理布置结构构件，初步确定材料强度等级及构件截面尺寸。要确定构件的截面尺寸，只能先估算，等构件的内力和结构的变形计算好后，如果估算的截面尺寸符合要求，便以估算的截面尺寸作为框架的最终截面尺寸。如果所需的截面尺寸与估算的截面尺寸相差很大，则要重新估算和重新进行计算。结构内力分析及构件设计：根据现行国家设计规范，计算结构荷载及地震作用；手算完成结构一个主轴方向的内力分析，进行框架梁、柱、的内力组合，完成构件截面设计；同时，可采用工程设计软件PKPM计算结构内力及配筋（如图2为某工程卫生问处错误配筋图和卫生问处正确配筋图），并与手算结果进行对比分析。完成楼梯的计算和配筋，完成板的配筋计算。绘制结构施工图。

4 结束语

总之，结构设计中经常会遇到一些规范或规程未论及的问题，这就需要设计人员积累经验，利用正确的概念进行设计。鉴于多层框架房屋建设对于我国建筑行业发展的重要性，因此，本文研究这个课题具有非常重要的现实意义。

参考文献

[1]熊丹安，建筑设计与结构设计概要[M]，武汉：武汉理工大学出版社，2005（02）

[2]徐秀丽，混凝土框架结构设计[M]，北京：中国建筑工业出版社，2008（09）

[3]吕晓寅，刘林，等，混凝土房屋结构设计[M]，北京：清华大学出版社，2009（05）