民用建筑框架结构设计要点与应用

杨远杯

（广东省建筑设计研究院有限公司，广东 广州 510010）

0 引言

随着我国社会建设的快速发展，城市化的进程也在不断的推进。为了满足人们的生活需要，提高人们的生活质量，越来越多的民用建筑投入建设。在民用建筑设计中，得到最广泛应用的结构体系是框架结构。虽然在吸取以往设计及工程经验教训的情况下，我们对框架结构的设计有长足的进步，但设计的不当还是会影响工程的施工质量，给工程质量留下安全隐患。因此把握框架设计的要点，提升设计质量有利于建筑能够安全建设使用。

1 框架结构的特点

框架结构是由梁和柱共同组成的框架来承受房屋全部荷载的结构[1]。框架结构的优点体现在以下3 个方面：①框架结构建筑的墙体不作为承重构件，仅发挥分隔及围护的作用，因此可以采用轻质材料或新型材料作为墙体，降低结构自重。②因为墙体不承重，墙体能够较灵活地布置，可以配合建筑要求围合出适用的空间，也可以形成较大的空间满足建筑使用功能。③采用现浇的混凝土框架，能够使结构有较好的整体性，并且在满足要求的情况下可以根据建筑立面需求，把梁柱浇注成所需的截面形状。主要缺点为：侧向刚度小，不适合在超高层建筑中采用。因此提高抗侧刚度和侧向位移是框架结构设计时需要重点考虑的因素。

2 框架结构的设计要点

2.1 合理进行平面布置

“规则、对称、均匀”是结构平面布置遵循的基本原则，合理的结构平面布局能够加强建筑结构的稳定性，从而增强建筑的抗震性能。结构的平面布置主要包括柱网的布置以及梁板的布置。柱网的布置要尽量均匀分布，满足建筑使用功能的同时要考虑梁的跨度，在民用建筑中，一般采用的柱跨为6～10m。梁截面的尺寸不仅取决于它的跨度，也取决于建筑的立面效果，在考量框架梁截面时要清楚建筑是否对梁截面有限制要求。板的厚度一般取决于板块的跨度，因此在梁板布置时也要注重次梁的布置。在布置次梁时，传力路径要明确且直接，尽量减短荷载从次梁到框架梁的传递路径，保证传力路径简洁且有效。在民用建筑，特别是公用建筑之中，建筑功能或许会因使用要求有所改变，因此墙体下设梁的原则不一定适用，因此在保证荷载满足的情况下可采取十字或者井字的次梁布置方式。

2.2 合理设置变形缝

在结构设计中，结构布置的基本原则是规则、对称、均匀。但是随着建筑设计需求的提升以及建筑理念的创新，为了达到理想的效果，如今的建筑设计往往会采取不规则的平面布置，这让结构平面不规则的问题尤为突出，主要表现为：楼面大开洞，楼板不连续，平面大凹进、平面超长以及竖向体型收进。对于此类问题，合理的设置变形缝显得尤为重要，它可以将复杂的结构体型划分为若干个型体规则的单体，有效地减少应力集中、地震扭转效应等导致的局部损坏发生。设置变形缝的原则如下：①设缝前应根据建筑平面布置进行整体分析。②变形缝宜设置在竖向体型收进引起两侧层数或层高明显不一致的部位。③室外连廊以及类似的细腰部位宜设变形缝，若连廊为单跨结构，设缝后宜附属在相邻主体结构上。④应综合考虑建筑使用功能，合理设置变形缝的位置。

2.3 基础设计

基础设计是结构设计的重要环节，为了保证建筑结构的安全质量，要做好基础的设计。基础设计前应仔细阅读地质勘查报告，设计时要结合地质状况与上部结构荷载，并且需要考虑经济性的原则，选择合适的基础类型。多层民用框架结构在考虑经济效益的情况下，一般采用柱下独立基础或者条形基础。设计时应该结合地质资料确定持力层以及基础埋深，充分考虑地基的承载能力以及地基的变形问题。桩基础的承载力高，沉降量小，更适合在高层框架结构中使用。桩基础设计时应结合钻孔资料，认真核算桩基的有效桩长以及承载力，保证设计的合理性，并且需要考虑施工偶遇问题的解决方案。

2.4 柱结构设计

框架柱作为框架结构的竖向受力构件，将上部结构所受的荷载传递到基础，是框架结构中最重要的构件。框架柱设计中要注意以下3 个方面。

（1）控制框架柱轴压比。轴压比反映的是框架柱的受压状况，控制轴压比能够保证框架柱有更好的塑性变形能力，保证框架结构有更好的延性，保证框架结构有较好的抗震能力。抗震等级越高，对轴压比的限制也越严格，当轴压比不满足规范限值时，主要调整方式有增大框架柱截面以及提高框架柱混凝土强度。在民用建筑特别是公用建筑中，设计人员要考虑到房间使用功能变化导致的荷载变化，使框架柱轴压比在满足要求的同时具有一定的富余度。

（2）角柱构造加强。角柱是位于建筑平面的凸角部、与柱的正交两个方向各只有一根框架梁与之相连接的框架柱[2]。在地震作用下，角柱在框架柱中会受到更大的扭转剪力，在两侧框架梁的双向弯矩作用下，扭转效应的影响进一步加大。对此，为保证角柱的稳定性，需要对角柱进行对称配筋设计，在满足计算配筋的同时还应该对角柱配筋适当加大，放大系数一般采用1.3～1.4。在抗震等级为一级以及二级的建筑结构设计中，角柱箍筋需要全高加密。

（3）短柱构造加强。当柱净高与截面高度≤4 或剪跨度≤2 时，这种柱就称为短柱[3]。短柱的剪跨比小，侧向刚度大，在地震作用下吸收的地震力大，更容易受到破坏，影响结构的稳定性与建筑的安全性。为了避免短柱脆性破坏的问题，笔者认为，首先需要正确判定短柱。因建筑功能所需设立的夹层或错层、楼梯间的层间平台梯梁等使柱子有效长度减小的情况都会形成短柱。对于结构中出现的短柱，要加强其构造措施，对其进行全高加密处理，提高短柱的抗剪承载力和延性，增强短柱的抗震性能。

2.5 梁结构设计

结构设计时应确保结构受地震作用时梁端斜截面受剪承载力不低于正截面的受弯承载力[4]，通过放大梁端剪力设计值与加强梁端加密区箍筋，合理设计和配筋，满足强剪弱弯的设计原则。

框架结构设计中，梁端允许出现塑性铰，设计人员可考虑塑性内力重分布对框架梁端负弯矩进行调幅，调整梁跨中与支座的弯矩，充分发挥材料的能力，调幅系数一般取值为0.8～0.9。

民用框架结构中常出现悬挑结构。悬挑梁属于静定结构，其根部一旦达到抗弯强度极限、出现塑性铰，就会直接破坏，所以悬挑梁支座部位纵筋锚固至关重要[5]。在结构计算时应充分考虑悬挑梁的载荷情况，对悬挑梁进行合理的配筋设计：①梁面纵向受力钢筋应该按照计算确定，钢筋伸入支座的长度满足锚固需求，对于连续梁边跨外伸的悬挑梁还应不小于纵筋外伸长度。②悬挑梁受压纵筋一般为受压构造筋，但在考虑时竖向地震作用时，下部钢筋可能受拉，需要按照计算结果配置足够的钢筋。

2.6 重视结构计算

目前的结构设计多会借助于结构计算软件，根据软件的电算结果验证结构布置的合理性并进行截面确定、配筋等结构设计。结构计算软件的正确运用，要求结构工程师有清晰的结构概念，能建立反映工程实际的计算模型[6]。在结构模型计算前，要严格把控计算参数。框架结构模型中，由于框架结构墙体不承重，在模型里以线荷载的形式表达，而墙体实际会给建筑提供一定刚度，因此在整体计算时模型的刚度会偏小，周期偏大，地震作用效应也会相应偏小，结构的安全储备会降低。为了更贴合工程实际，需要根据填充墙的数量对模型进行周期折减，折减的参数一般为0.7～0.9。电算结果需要结合相应规范及行业标准，判断其合理有效后才能应用于工程结构设计。合理的计算模型与电算结果不仅可以保证结构安全可靠，还能节约施工建设成本。

3 工程实例

3.1 工程概况

本工程为广州某高校教学楼。地上9 层，无地下室，首层层高为5.5m，标准层层高为4.2m，结构高度为39.1m。本工程设计结构安全等级为二级，所在地区设防烈度为Ⅶ度，设计基本加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.35s，基本风压为0.5kN/m2。考虑教学楼需要较大开间以及本工程的结构高度，采用框架结构，框架抗震等级为Ⅱ级。

3.2 结构分缝

建筑主体呈U 字形，西北侧有单层的报告展厅，通过花架与主体相连接，层高为6m。根据设缝原则，同时为减少错层引起的短柱，避免竖向刚度突变，减小地震力作用，将报告展厅与主体教学楼进行分缝处理，将建筑分为两栋单体分别进行结构设计，主体结构模型如图1 所示。

图1 主体结构YJK 模型

3.3 结构布置

本建筑的主要柱跨为10m，框架柱按照房间布局及功能要求均匀分布。在保证结构安全下，考虑工程经济性，柱截面和柱混凝土强度随楼层逐渐减小。同时需要注意避免结构刚度的突变，截面与混凝土等级不可在同一层同时降低。

根据柱跨，框架梁的截面普遍采用300×800。由于建筑立面有所要求，通过与建筑设计师沟通确定，外侧框架梁梁高提高至900mm 或1000mm，在满足建筑要求的同时，能够提高框架的侧向刚度，减小整体建筑的扭转效应。

次梁布置时要主次分明，传力路径清晰。本工程在板块内通过布置平行次梁，将板块分为面积均匀的单向板，满足设计要求的同时能减小板厚，降低结构自重。

3.4 结构模型

本工程楼梯没有设置弹性支座，采用现浇混凝土板式楼梯，因此需要考虑楼梯刚度对整体计算的影响，把楼梯建入结构模型。通过计算模型对比发现，楼梯的刚度会显著提高楼层的剪力，减小结构的层间位移，楼梯周边的梁柱配筋有所增加，若设计时不考虑楼梯刚度会为工程带来安全隐患。

3.5 基础设计

根据工程地质勘查资料，本工程地下局部存在淤泥质土，同时结构荷载较大，不适宜采用浅基础。为减小不均匀沉降的影响，经过对比分析最终采用高强预应力混凝土管桩。本工程主体结构存在电梯基坑与集水井，首层局部存在设备间有降板需求，需要降低承台标高予以避让。

3.6 构造加强措施

本工大部分桩承台面标高为-1m，承台面至首层梁间柱为短柱，需要进行构造加强。设计时采用了两种构造加强措施，具体如下：①该部分短柱除了全高加密外，还将箍筋的直径提高一级。②首层梁底与承台面较为贴近，在两者的间隙填充混凝土，以增强短柱的抗剪能力。

由于南侧建筑长度达到了66m，属于平面超长，为了减低温度作用带来的不理影响，在结构中的超长向设置后浇带，超长方向的板面筋不采用分离式配筋，板面筋沿超长方向通长拉通。

对于内凹部位，结构的连接较为薄弱，整体计算时将该处楼板定义为弹性膜，复核此处楼板在地震工况下的应力状态；设计时将连接部位的板厚加厚，此处板筋适当放大配筋面积并采用双层双向拉通。

3.7 计算结果

从电算结果来看，结构的周期比、位移比、刚重比、剪重比、轴压比等各项指标均满足规范需要，能够较好的满足建筑安全性需求。

4 结语

随着社会进步和科学发展，框架结构在工程中得到越来越多的应用。在实际进行框架结构设计时，设计人员要把握框架设计的各项要点，遵守相关规范标准的要求，综合考虑各方面的因素，让设计更安全、经济、适用。对于工程中出现的问题，要结合工程实际，采取有效的应对措施和解决办法，以此提高结构设计的整体质量，促进工程顺利完成。同时要学会总结归纳设计施工经验，为日后设计工作提供帮助。