高層框架結構設計中應注意的若干問題＊

張瑞紅(上?，F(xiàn)代建筑設計集團都市設計院,上海200041)

高層框架結構設計中應注意的若干問題＊

張瑞紅
(上?，F(xiàn)代建筑設計集團都市設計院,上海200041)

隨著高層建筑技術的發(fā)展,高層建筑設計思想在不斷更新,建筑平面布置與豎向體形也越來越復雜,給高層結構設計提出了更高的要求,并且越來越成為結構工程師設計工作的主要重點和難點之所在。本文結合當前高層建筑結構設計特點,對高層建筑框架結構設計中基礎、主、梁、板等四個部分的設計要點及設計過程中需注意的若干問題進行了探討,以期為同行提供有益的參考。

高層建筑;鋼筋混凝土;結構設計

隨著經濟的高速發(fā)展,我國高層建筑發(fā)展迅速,其設計思想在不斷更新,建筑平面布置與豎向體形也越來越復雜,給高層結構設計提出更高的要求。高層建筑采用框架結構形式,可形成內部大空間,同時也能進行靈活的建筑平面布置,因此,框架結構體系在結構設計中應用甚廣,特別是在高度不超過60 m的高層建筑中,其優(yōu)勢更為明顯、突出。與此同時,高層建筑框架結構設計過程中的一些現(xiàn)實問題卻往往被忽視,給工程質量留下隱患。筆者結合自身工作經驗,對高層建筑框架結構設計中所存在的若干問題進行探討,以期為同行提供有益的參考。

一、高層建筑框架結構設計中應注意的幾個問題

一是結構的規(guī)則性問題。由于新舊規(guī)范在這方面的內容出現(xiàn)了較大的變動,新規(guī)范在這方面增添了相當多的限制條件,例如:平面規(guī)則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等,同時新規(guī)范采用強制性條文明確規(guī)定“建筑不應采用嚴重不規(guī)則的設計方案”,因此結構工程師在遵循新規(guī)范的這些限制條件上必須嚴格注意,以避免后期施工圖設計階段工作的被動。

二是結構的超高問題。在抗震規(guī)范與高層建筑設計規(guī)范中,對高層建筑結構的總高度都有嚴格的限制,尤其是新規(guī)范中針對以前的超高問題,除了將原來的限制高度設定為A級高度的建筑外,增加了B級高度的建筑,因此,結構工程師必須對結構的該項控制因素嚴格注意,一旦結構為B級高度建筑甚或超過了B級高度,其設計方法和處理措施將有較大的變化。在實際工程設計中,出現(xiàn)過由于結構類型的變更而忽略該問題,導致施工圖審查時未予通過,必須重新進行設計或需要召開專家會議進行論證等工作的情況,對工程工期、造價等整體規(guī)劃造成了巨大的影響,阻礙了工程的開展,這種現(xiàn)象應該引起結構工程師的高度重視。

三是嵌固端的設置問題。由于高層建筑一般都帶有二層或二層以上的地下室和人防,因此嵌固端既有可能設置在地下室頂板,也有可能設置在人防頂板等位置。但是在這個問題上,結構設計工程師往往忽視了由嵌固端的設置所帶來的一系列需要注意的問題,如:嵌固端樓板的設計、嵌固端上下層剛度比的限制、嵌固端上下層抗震等級的一致性、在結構整體計算時嵌固端的設置、結構抗震縫設置與嵌固端位置的協(xié)調等等問題,而忽略其中任何一個方面都有可能導致后期設計工作的大量修改或埋下安全隱患。

四是短肢剪力墻的設置問題。在新規(guī)范中,對墻肢截面高厚比為5-8的墻定義為短肢剪力墻,且根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和實際經驗,對短肢剪力墻在高層建筑中的應用增加了相當多的限制,因此,在高層建筑結構設計中,結構工程師應盡可能少采用或不用短肢剪力墻,以避免給后期設計工作增加不必要的麻煩。

二、高層建筑框架結構設計要點

高層建筑框架結構設計過程中要特別注重對基礎、柱、梁、板等部分的設計。

(一)基礎部分的設計要點

柱下擴展基礎寬度較寬(大于4m)或地基不均勻及地基較軟時,宜采用柱下條基,并應考慮節(jié)點處基礎底面積雙向重復使用的不利因素,適當加寬基礎。建筑地段較好,基礎埋深大于3m時,結構工程師應建議甲方做地下室。當?shù)鼗休d力滿足設計要求時,地下室底板可不再外伸以利于防水。每隔30-40m設一后澆帶,兩個月后再用微膨脹混凝土澆注。設置地下室可降低地基的附加應力,提高地基的承載力,減少地震作用對上部結構的影響。在設計過程中不應設局部地下室,且地下室應有相同的埋深。地下室外墻為混凝土時,相應的樓層處梁和基礎梁可取消?？拐鹂p、伸縮縫在地面以下可不設,連接處應加強,但沉降縫兩側墻體基礎一定要分開。新建建筑物基礎不宜深于周圍已有基礎,如深于原有基礎,其基礎間的凈距應不少于基礎高差的2倍,否則應打抗滑移樁,防止原有建筑的破壞。建筑層數(shù)相差較大時,應在層數(shù)較低的基礎方格中心的區(qū)域內墊焦碴來調整基底附加應力。

同時獨立基礎偏心不能過大,必要時可與相近的基礎做成柱下條基。柱下條形基礎的底板偏心不能過大,必要時可做成三面支承一面自由板(類似筏基中間開洞)。兩根柱的柱下條基的荷載重心和基礎底版的形心宜重合,基礎底板可做成梯形或臺階形,或調整挑梁兩端的出挑長度。獨立基礎的拉梁宜通長配筋,其下應墊焦碴。底層內隔墻一般不用做基礎,可將地面的混凝土墊層局部加厚。此外考慮到一般建筑沉降為鍋底形,結構的整體彎曲和上部結構與基礎的協(xié)同作用,頂、底板鋼筋應拉通(多層的負筋可截斷1/2或1/3),且縱向基礎梁的底筋也應該拉通?；A底面積不應因地震附加力而過分加大,否則地震下安全了而常規(guī)情況下反而沉降差異較大,本末倒置。

(二)柱部分的設計要點

地上為圓柱時,地下部分應改為方柱,以方便施工。圓柱縱筋根數(shù)最少為8根,箍筋用螺旋箍,并注明端部應有一圈半的水平段。方柱箍筋應使用井字箍,并按規(guī)范加密。角柱、樓梯間柱應增大縱筋、并全柱高、加密箍筋。原則上柱的縱筋宜大直徑、大間距,但間距不宜大于200。柱內埋管,管截面面積占柱截面4%以下時,可不必驗算。柱斷面不宜小于450×450,混凝土不宜小于C25,否則梁縱筋錨入柱內的水平段不容易滿足0.45La的要求,不滿足時應加橫筋;否則在梁柱節(jié)點處鋼筋太密,會導致混凝土澆筑困難。異型柱結構,梁縱筋一排根數(shù)不宜過多,柱端部縱筋不宜過密,否則節(jié)點混凝土澆筑困難。當有部分矩形柱部分異型柱時,應注意異型柱的剛度要和矩形柱相接近,不要相差太大。柱應盡量采用高強度混凝土來滿足軸壓比的限制,以減小斷面尺寸。同時要盡量避免使用短柱,短柱箍筋應全高加密,短柱縱筋不宜過大。獨立柱上或柱的中部(半層處)有挑梁時,挑梁長度應有限制。此外考慮到豎向地震作用,柱子的軸壓比及配筋宜留有余地。

(三)梁部分的設計要點

梁上有次梁處(包括挑梁端部)應附加箍筋和吊筋,宜優(yōu)先采用附加箍筋。附加筋一般要有,但不應絕對。一般來說位于梁下部或梁截面高度范圍內的集中荷載,應全部由附加橫向鋼筋承擔,這也就是說,位于梁上的集中力如梁上柱、梁上后做的梁如水箱下的墊梁不必加附加筋。位于梁下部的集中力應加附加筋。但梁截面高度范圍內的集中荷載可根據(jù)具體情況而定。當主次梁截面相差不大,次梁荷載較大時,應加附加筋。當主梁高度很高,次梁截面很小、荷載很小時,如快接近板上附加暗梁,主梁可不加附加筋。當主次梁截面均很大,如工藝要求形成的主次深梁,而荷載相對不大,主梁也可不加附加筋。當外部梁跨度相差不大時,梁高宜等高,尤其是外部的框架梁。當梁底距外窗頂尺寸較小時,宜加大梁高做至窗頂。外部框架梁盡量做成外皮與柱外皮平齊。梁也可偏出柱邊一較小尺寸。梁與柱的偏心可大于1/4柱寬,并宜小于1/3柱寬。

梁上有次梁時,應避免次梁搭接在主梁的支座附近,否則應考慮由次梁引起的主梁抗扭,或增加構造抗扭縱筋和箍筋。原則上梁縱筋宜小直徑小間距,有利于抗裂,但應注意鋼筋間距要滿足要求,并與梁的斷面相應。箍筋按規(guī)定在梁端頭加密,布筋時應將縱筋等距,箍筋肢距可不等,小斷面的連續(xù)梁或框架梁,上、下縱筋均應采用同直徑的,盡量不在支座搭接。端部與框架梁相交或彈性支承在墻體上的次梁,梁端支座可按簡支考慮,但梁端箍筋應加密。上反梁的板吊在梁底下,板荷載宜由箍筋承受,或適當增大箍筋。梁支承偏心布置的墻時宜做下挑沿。挑梁宜做成等截面(大挑梁外露者除外)。與挑板不同,挑梁的自重占總荷載的比例很小,做成變截面不能有效減輕自重。挑梁端部有次梁時,注意要附加箍筋或吊筋,一般挑梁根部不必附加斜筋,除非受剪承載力不足。對于大挑梁,梁的下部宜配置受壓鋼筋以減小撓度,挑梁配筋應留有余地。梁上開洞時,不但要計算洞口加筋,更應驗算梁洞口下偏拉部分的裂縫寬度。而挑梁出挑長度小于梁高時,應按牛腿計算或按深梁構造配筋。

此外扁梁寬度不必過大,只要鋼筋能正常擺下及受剪滿足即可。因為在撓度計算時,梁寬對剛度影響不大,加寬一倍,撓度減小20%左右。相對來講,增大鋼筋更經濟,鋼筋加大一倍,撓度減小60%左右,同時梁的上筋應大部分通長布置,以減小混凝土徐變對撓度的增大,如果上筋不小于下筋,撓度減小20%。當一寬框架梁托兩排間距較小的柱時,可加一剛性挑梁,兩個柱支承在剛性挑梁的端頭。梁寬大于350時,應采用四肢箍。

(四)板部分的設計要點

板的鋼筋宜采用大直徑大間距,但間距不大于200,間距盡量用200。板上下鋼筋間距宜相等,直徑可不同,但鋼筋直徑類型也不宜過多。相連幾個房間的同型號同間距板底鋼筋宜連通。配筋計算時,可考慮塑性內力重分布,將板上筋乘以0.8-0.9的折減系數(shù),將板下筋乘以1.1-1.2的放大系數(shù)。支承在外圈框架梁上的板負筋不宜過大,否則將對梁產生過大的附加扭距。一般:板厚＞150時采用φ10@200;否則用φ8@200。當厚板與薄板相接時,薄板支座按固定端考慮是適當?shù)?但厚板就不合適,宜減小厚板支座配筋,增大跨中配筋。非矩形板宜減小支座配筋,增大跨中配筋。室內輕隔墻下一般不應加粗鋼筋,一是輕隔墻有可能移位,二是板整體受力,應整體提高板的配筋。只有垂直單向板長邊的不可能移位的隔墻,如廁所與其他房間的隔墻下才可以加粗鋼筋。

三、結語

對于高層建筑框架結構的設計,有關規(guī)范雖已有詳細規(guī)定,但仍有若干問題沒有明確具體做法,通過以上這些設計要點的歸納和總結,有利于高層建筑框架結構設計工作的開展。高層建筑結構設計是不容忽視的問題,設計工作者只有按相應的規(guī)范的構造要求來嚴格執(zhí)行,才能從根本上消除設計質量的隱患。

[1]陳翠榮.框架結構設計中應注意的幾個問題[J].山西建筑,2007,(33).

[2]JGJ 3-2002,高層建筑混凝土結構技術規(guī)程[S].

[3]蔣魯蓉.鋼筋混凝土框架結構設計有關問題的初步探討[J].山西建筑,2008,(1).

[4]程全豐.鋼筋混凝土框架結構設計的幾個問題分析[J].今日科苑,2008,(8).

2010-02-28

張瑞紅(1976-),女,河北石家莊人,工程師。