浅谈高层建筑混凝土框架结构优化设计

陈铖楷

摘 要：随着社会经济的繁荣，我国高层建筑也迅速发展，而钢筋混凝土结构的应用在建筑市场行业中最为普及，其中钢筋混凝土框架结构是最常用的结构形式。本文对梁、柱结构的布置、梁柱截面尺寸的选取以及配筋和材料的应用都要达到对抗震等级、振型组合数的合理和轴压比限值等问题进行初步的探讨钢筋混凝土框架结构优化设计概念。

关键词： 框架结构、混凝土、设计、结构优化

引言：

随着社会的发展与进步，高层建筑在城市中应运而生，钢筋混凝土框架结构是当前我国建筑结构设计中一种量大面广普遍的结构形式，由于近些年来建筑结构设计在市场的需求量逐渐增大，它的出图方案时间也缩得越来越短了，从而忽视钢筋混凝土框架结构设计方案的优化。建筑是人类文化的载体，是我们生活的场所，尤其近几年自然灾害（地震，洪灾）频繁，为了我们的家人，我们的同胞。所以我们设计建筑任何一个环节都需达到规范、规程的要求，因此掌握钢筋混凝土框架结构优化设计的方法尤为重要。

一、梁、柱结构平面布置

1、梁的布置

（1）梁是板的支承构件，因此梁应尽量根据板的经济跨度来布置。

（2）梁必须有可靠的支承构件，一般为柱或承重墙。

（3）当梁的支承构件为承重墙时，梁的位置宜避开门、窗洞口。

（4）当楼板有超过1.0m的大洞口时，宜在洞边布置梁。

（5）作为预制板的支承梁时，梁的间距应符合预制板的长度。

2、选取纵横向框架梁均匀承重的结构布置形式。结构布置若能尽量做到纵横向框架梁均匀承重，不但结构整体抗震性能好，而且能发挥纵向框架梁的作用，同时也使得柱配筋上下均匀，柱截面大小合理。

3、选取竖向荷载传至柱的传荷路径最短的结构布置形式。框架柱、框架梁的布置应选取在上下各层墙体基本对齐的轴线上，以便绝大部分墙体荷载直接经框架梁传至框架柱；次梁的布置应使墙体荷载及楼、屋面恒活荷载传至框架梁的传力路线最短，这样使得梁的数量最少。如图1所示为一种较好的次梁布置形式：横向次梁为一级次梁，内走廊墙下次梁为二级次梁。

4、次梁尽可能连续布置且外挑。连续梁自身的受力性能和经济性比单跨梁优越，这是由于多跨连续梁为非静定结构，梁挠度较小，梁截面可取得较小，弯矩包络图连续均匀分布在梁上下两侧，梁截面配筋上下均匀，梁裂缝宽度容易满足规范要求，裂缝宽度控制时不必增加太多的钢筋。如图2 所示是一种较好的次梁布置形式，如果次梁按楼层墙体分隔位置布置，则在2.7m跨内走廊及2.1m外挑处不布置次梁， 则带外挑的连续次梁变成两根单跨梁，单跨梁两端的嵌固作用对支承梁产生扭矩，故加大了支承梁的抗扭纵筋和箍筋；外挑梁端大跨度的边梁对端部挑梁也产生了较大的扭矩。采用连续带外挑的次梁布置形式，次梁的支承梁扭矩就大大减小。

当大空间房间有内柱时，若纵横向柱间距相等或者相差不超过20%，则宜在纵横向均匀布置次梁，形成连续井字梁， 这样使得纵横向框架梁高度相同且最小，井字梁高度也相同且最小，最大限度地满足了建筑在大空间使用时净高的要求。无内柱的大空间房屋井字梁布置四周向外连续或外挑，其优越性更明显，所示是一种较好的井字梁布置形式。

二、优化梁、柱截面选取与配筋

1、梁截面的选取与配筋

a、简支梁的截面高度一般取跨度的1/10～1/14，悬臂梁的截面高度一般取挑出长度的1/6左右，一般做到悬挑长度的1/6，但悬挑长度一旦大于3米，配筋就非常大。梁截面的高宽比一般取2.0到2.5，T形截面取2.5到4.0，一般梁h=250、300、350、400……750、800、900、1000……，宽度 b=120、150、180、200、250、300……

b、悬臂梁根部高度一般取悬臂长度的1/5，实际设计时可以将端部高度减小，做成楔形截面。一般上部钢筋受拉，下部可按构造配筋。钢筋砼梁高一般为跨度的1/14～1/8，梁宽为梁高的1/3～1/2，且梁的高与宽应符合有关模数规定。梁的宽度不大于支撑柱在该方向的宽度，很多时候梁要托住上面多层的墙和板或板荷载比较大（底框比较典型），这时候单靠跨度来算很难接近正确值，比如有的跨度只有3米，托一层的墙板，梁高只要350，而有的3米跨却要托五层墙板，那么梁高就要达到700。一般大概算下该梁承重上面多少墙板重，然后求出弯矩，翻钢筋混凝土结构计算图表，通过弯矩直接查到需要多高多宽的梁，这样得出的数据接近正确值。

（2）钢筋混凝土结构梁截面的选取按纵筋配筋率在1.0%～2.0%之间为最佳。当梁纵筋配筋率<1.0%时，梁出现裂缝，梁的配筋由裂缝宽度控制；梁纵筋配筋率小时， 表明梁截面偏大，梁的截面大，施工过程中温度应力也大，规范要求配较多的侧面纵筋，箍筋也要加大，但设计人员应注意梁宽在400～350mm时，不必设四肢箍，三肢箍能满足要求，当梁端纵向受拉钢筋配筋率>2.0%时梁端箍筋加密区范围内的箍筋最小直径要加大2mm。

（3）连续梁各跨梁截面应按梁纵筋配筋包络图及剪力包络图选取。连续梁各跨梁截面的选取在满足梁挠度要求的条件下，使得梁纵筋配筋率在1.0%～2.0%之间，同时应使梁纵筋配筋包络图连续均匀地分布在梁上下两侧。纵筋配筋在满足纵筋最小净距的条件下，应使配筋排数最少，以便使得梁截面有效高度最大。外挑梁截面可设计成变截面，变截面的斜度根据其剪力及弯矩包络图决定。

2、柱截面选取与配筋

柱截面按柱轴压比控制，以绝大多数柱配筋是构造配筋为最优结果。按规范规定，柱纵筋配筋率大于3 %时，柱箍筋直径不应小于8mm，且宜采用焊接接头，这就使得配筋费用变大。

三、新型材料的优越性和应用

普通砖混凝土结构的建筑抗震性不好，塌倒了砸伤的人的伤害大。而且在搅拌、运输、浇筑、振捣、养护条件的波动以及气温的变化和用水量或骨料含水量的变化所引起水灰比的波动等因素都会影响混凝土的质量，这样砖混凝土的施工方面远远就比钢架结构的大了。

随着科学技术的发展， 无国界的技术交流，采用国家推荐的新型技术材料用于新科技工程建设的工程实践， 如高强度高性能混凝土、高强度钢材、轻质墙体材料等， 工程技术人员应及时收集这方面的资料及工程应用情况，从工程经济的角度分析其应用条件，以使得工程设计经济合理。由于工程综合效益的需要设计宽扁梁时，宽扁梁的受力纵筋选用HRB400钢筋较为合理，一方面降低了配筋率，另一方面使得纵筋配筋排数最少， 梁的有效高度增大。对于地面以下或处于潮湿工作环境中的梁，由于梁的裂缝宽度控制较严，梁的受力纵筋选用HRB400钢筋有时就不经济了。轻质墙体材料较普通墙体材料单方价格要高，但工程中如果墙体较多，柱网跨度较大， 地基承载力又低，采用轻质墻体材料是最适合的了，这些都要具体分析选取。

四、结束语

总之，建筑是文化的载体，是人们生活的场所，建筑的设计首先各个环节都要达标，否则就是一个失败的害人建筑品，不存在意义。通过对钢筋混凝土框架结构的合理优化设计，能够显著抗震性、较少钢材、商品混凝土的用量，一方面可以降低工程的建设成本，另一方面还可以有效的减缓建筑能耗，达到集约化建设的目的，因此在现代化的工程建设中，应当大力推广结构优化设计方法。

参考文献：

[1]刘礼联.小高层住宅短肢剪力墙结构设计优化措施分析探讨[J].中外建筑，2010

[2]徐霞.高层建筑框支剪力墙结构设计优化[J].建筑施工，2013，5（6）：524-525.

[3]GB20010-2002，商品混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002