論多高層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

張吉平

（山西省財政稅務(wù)?？茖W(xué)校，山西太原 030024)

論多高層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

張吉平

（山西省財政稅務(wù)?？茖W(xué)校，山西太原 030024)

高層建筑主要有四種常見的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中以框架結(jié)構(gòu)為最基本的結(jié)構(gòu)形式，因此框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是建筑設(shè)計(jì)特別是多高層建筑設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)部分。因?yàn)閾碛凶銐虼蟮膹?qiáng)度和良好的延展性以及較強(qiáng)的整體性，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)目前被廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)，尤其是地震設(shè)防地區(qū)的建筑設(shè)計(jì)。在工程設(shè)計(jì)過程中，如何正確地分析研究各個工程的特點(diǎn)，有針對地選用合理的方案，采取理想的結(jié)構(gòu)形式，是每一個工程設(shè)計(jì)人員都要首當(dāng)其沖面對的關(guān)鍵問題。

多高層建筑；鋼筋混凝土；框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高層建筑主要有四種常見的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中以框架結(jié)構(gòu)為最基本的結(jié)構(gòu)形式，其他的結(jié)構(gòu)形式都是以此為基礎(chǔ)，因此，框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是建筑設(shè)計(jì)特別是多高層建筑設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)部分?？蚣芙Y(jié)構(gòu)是由立柱和橫梁組成的桿件體系，是建筑設(shè)計(jì)中最常見的承重結(jié)構(gòu)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)有著布置靈活的特點(diǎn)，能夠獲得相對較大的使用空間，因此被廣泛適用于住宅、公寓、辦公樓、寫字樓以及其他商業(yè)建筑中。由于框架結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)布置靈活，能獲得較大的使用空間，在辦公樓、教學(xué)樓、住宅樓、公寓以及商業(yè)建筑中常常采用。因?yàn)閾碛凶銐虼蟮膹?qiáng)度和良好的延展性以及較強(qiáng)的整體性，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)目前被廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)，尤其是地震設(shè)防地區(qū)的建筑設(shè)計(jì)。在工程設(shè)計(jì)過程中，如何正確地分析研究各個工程的特點(diǎn)，有針對地選用合理的方案，采取理想的結(jié)構(gòu)形式，是每一個工程設(shè)計(jì)人員都要首當(dāng)其沖面對的關(guān)鍵問題。

一、常見的高層建筑結(jié)構(gòu)分類

1.基本框架結(jié)構(gòu)

所謂基本框架結(jié)構(gòu)，主要是指基構(gòu)成基本框架的基礎(chǔ)、梁、柱、樓板這四種結(jié)構(gòu)，它是高層建筑的基礎(chǔ)，起著承重的作用。其中以基礎(chǔ)、柱子和梁為框架的最基本的結(jié)構(gòu)，同時也是主要的承重體。以框架結(jié)構(gòu)為基本結(jié)構(gòu)的建筑，其形式靈活，能夠形成相對較大的應(yīng)用空間，處理相對方便，同時具有抗震性和整體性的優(yōu)勢，此外還具備一定的可塑變能力。

2.框架配合剪力墻

框架配合剪力墻結(jié)構(gòu)就是講框架和剪力墻這兩種下級結(jié)構(gòu)相結(jié)合，形成一個結(jié)構(gòu)體系，是多高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常采用的另外一種結(jié)構(gòu)形式。其中，由框架和剪力墻共同承擔(dān)豎向的應(yīng)力載荷，因?yàn)榧袅Φ膭偠却?，能夠承?dān)側(cè)向應(yīng)力載荷，所以水平的應(yīng)力載荷就靠剪力墻來分擔(dān)?？蚣芘c剪力墻的配合，不但增加了多高層建筑的抗側(cè)力強(qiáng)度，而且減少了框架結(jié)構(gòu)帶來的側(cè)向位移的可能。且二者相結(jié)合也讓層與層之間的變形可能趨向均衡，因此，框架和剪力墻的結(jié)構(gòu)形式在很大程度上增加了建筑的可建高度。

3.單純剪力墻

利用墻體來承受全部的水平應(yīng)力載荷和豎向應(yīng)力載荷的建筑體系就是剪力墻結(jié)構(gòu)。剛性明顯是剪力墻的主要突出特性，因此剪力墻可以均勻直接地傳導(dǎo)力。因其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛性都很高，同時也具備一定的延展性，在對抗側(cè)向位移的時候能夠有效地控制位移程度。所以，單純剪力墻的結(jié)構(gòu)在對抗臺風(fēng)、地震等類似的災(zāi)害時可以起到很好的作用，其建筑高度相較之下高于前面兩種結(jié)構(gòu)，具有良好的整體性和抗倒塌性。

4.簡體結(jié)構(gòu)體系

由簡體為結(jié)構(gòu)主體的體系就稱之為簡體體系。有簡體結(jié)構(gòu)構(gòu)成的多高層建筑有著較強(qiáng)的強(qiáng)度和剛度，其明顯特征就是簡體結(jié)構(gòu)體系中的所有構(gòu)件都可以合理參與應(yīng)力載荷的分配，在抗臺風(fēng)、地震等上的能力是四種結(jié)構(gòu)中最強(qiáng)的，而且可以符合大空間、大跨度的需要，被普遍應(yīng)用在超高層建筑的建設(shè)上。

二、鋼筋混凝土的性質(zhì)特點(diǎn)及工作原理

1.鋼筋混凝土的性質(zhì)

鋼筋混凝土又稱鋼筋砼，先用鐵絲將鋼筋固定成想要的形狀結(jié)構(gòu)，然后在鋼筋骨架外覆蓋模板，再將混凝土澆灌進(jìn)去，進(jìn)過護(hù)養(yǎng)達(dá)到強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)后再拆模，得到的就是鋼筋混凝土?；炷两Y(jié)構(gòu)有著較強(qiáng)的抗壓強(qiáng)度，但是抗拉強(qiáng)度僅有抗壓強(qiáng)度的十分之一左右，任何顯著的拉彎作用都會導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)的破壞，因而極少被單獨(dú)使用在工程中。與混凝土相比，鋼筋有著強(qiáng)勁的抗拉力強(qiáng)度，常被人們加入混凝土共同使用，由鋼筋來承擔(dān)拉力，混凝土承擔(dān)壓力。

2.鋼筋混凝土的工作原理

因?yàn)閾碛凶銐虼蟮膹?qiáng)度和良好的延展性以及較強(qiáng)的整體性，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)目前被廣泛應(yīng)用以建筑行業(yè)，尤其是地震設(shè)防地區(qū)的建筑設(shè)計(jì)。

鋼筋有顯著的抗拉力強(qiáng)度，但是抗壓強(qiáng)度不高；混凝土以抗壓強(qiáng)度著稱，但抗拉強(qiáng)度較低，材料自身的性質(zhì)決定了兩者可以共同工作、相互配合、互補(bǔ)不足。首先，鋼筋與混凝土有著相似的線膨脹系數(shù)，不會因?yàn)榄h(huán)境的改變而產(chǎn)生過大的應(yīng)力。其次，鋼筋與混凝土之間有良好的黏結(jié)力，有時鋼筋的表面也被加工成有間隔的肋條（稱為變形鋼筋），用來提高混凝土與鋼筋之間的咬合程度，需要的情況下會將鋼筋的端部彎起呈180°彎鉤，以加大與混凝土之間的拉力。最后，混凝土中的氫氧化鈣提供了堿性環(huán)境，能夠在鋼筋的表面形成了一層鈍化的保護(hù)膜，讓其在相對于中性與酸性的環(huán)境下更加不易被腐蝕。

3.鋼筋混凝土的優(yōu)點(diǎn)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)揚(yáng)了鋼筋與混凝土各自的優(yōu)勢，彌補(bǔ)了二者各自的不足。它有著如下的優(yōu)勢特點(diǎn)：

（1）取材簡易：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)所用的是比重較大的砂石，材料簡單易尋，還可以有效地利用礦渣、煤粉等工業(yè)廢渣，利于環(huán)保。

（2）用材合理：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不僅發(fā)揮了鋼筋和混凝土兩種材料的優(yōu)勢，互補(bǔ)不足，而且與鋼材相比有著更加低廉的造價。

（3）可模性好：鋼筋混凝土是由混凝土澆灌鋼筋骨架搭建的模子而成，可根據(jù)建筑需求設(shè)計(jì)制成各種不同形狀不同尺寸的結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件，具有較強(qiáng)的可模性。

（4）整體性好：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的整體性較好，因鋼筋與混凝土之間的機(jī)械咬合穩(wěn)固，只要設(shè)計(jì)合理，便能具備良好的抗震、抗爆性能。

（5）耐久性好：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有很好的耐久性，在正常的使用條件下是不需要經(jīng)常性的保養(yǎng)和維護(hù)的。

（6）耐火性好：與鋼結(jié)構(gòu)相比，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有更好的耐火性。

三、多高層建筑鋼筋混凝土的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)底層的設(shè)計(jì)

沒有地下室的多高層鋼筋混凝土建筑，獨(dú)立基礎(chǔ)埋置的位置較深，一般應(yīng)在-0.05m左右將基礎(chǔ)拉梁按照一個結(jié)構(gòu)層來輸入。例如，某工程項(xiàng)目要求三層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，丙類建筑，Ⅱ類建筑場地；3.3m層高，基礎(chǔ)埋深4.0m，0.8m基礎(chǔ)高，室內(nèi)外高差0.45m。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.1.2條，在Ⅶ度地震區(qū)該工程框架結(jié)構(gòu)的抗震等級應(yīng)為為三級。按三層框架房屋計(jì)算，第一層取3.35m高，基礎(chǔ)按照中心受壓來計(jì)算，顯然這樣的選擇是有欠妥當(dāng)?shù)?。因?yàn)楦鶕?jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2002)第7.3.11條規(guī)定，框架結(jié)構(gòu)底柱的高度應(yīng)取基礎(chǔ)頂面至首層樓蓋頂面的高度。而上述構(gòu)造所設(shè)計(jì)拉梁是無法平衡柱腳彎矩的。根據(jù)工程設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)來看，這樣的框架結(jié)構(gòu)最好是按照四層來進(jìn)行整體的分析計(jì)算，就是將基礎(chǔ)拉梁作為一個結(jié)構(gòu)層來輸入，若在拉梁上有應(yīng)力荷載，應(yīng)一并載入。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.2.3條，框架柱底層柱腳彎矩設(shè)計(jì)值應(yīng)乘以增大系數(shù)1.15。因此，在設(shè)計(jì)拉梁層的時候，一般來說要比較底層柱的配筋是由基礎(chǔ)拉梁頂面的截面來控制，還是由基礎(chǔ)頂面的截面控制。另外，考慮到地基土的約束作用，對于這樣的設(shè)計(jì)而言，在電算程序總信息的輸入中可將地下室層數(shù)設(shè)為1，并重復(fù)計(jì)算一次，再按照兩次計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)圖來進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)底層柱的設(shè)計(jì)。

2.多層框架房屋基礎(chǔ)拉梁的設(shè)計(jì)

當(dāng)多層框架房屋基礎(chǔ)埋置較深時，可以在±0.000以下選取適當(dāng)?shù)奈恢脕碓O(shè)置基礎(chǔ)拉梁，這樣可以減小底層柱的計(jì)算長度和底層的位移程度。

一般情況下，當(dāng)獨(dú)立基礎(chǔ)的埋深值不大，或者雖然埋深值較大但采用了短柱基礎(chǔ)時，可視具體要求沿主軸的兩個方向來設(shè)置構(gòu)造基礎(chǔ)拉梁。設(shè)計(jì)時，基礎(chǔ)拉梁截面的寬度可取柱中心距的1／20～1／30，高度可取柱中心距的1／12～1／18。當(dāng)拉梁上承受樓梯柱或者填充墻傳來的應(yīng)力荷載時，應(yīng)適當(dāng)加大拉梁截面。

3.多層框架結(jié)構(gòu)中樓梯、電梯的小井筒設(shè)計(jì)

在多高層建筑的框架結(jié)構(gòu)中，應(yīng)該盡量避免設(shè)置鋼筋混凝土的樓梯、電梯小井筒，因?yàn)殇摻罨炷恋男【驳拇嬖跁p少框架結(jié)構(gòu)能承擔(dān)的地震剪力，并且小井筒下的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)也具有較高的難度，因此在設(shè)計(jì)中通常采用構(gòu)造柱夾砌體材料做填充墻形成隔墻。

必須設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土小井筒時，井筒的墻壁厚度應(yīng)當(dāng)減少，并進(jìn)進(jìn)行剛度弱化（可采取開豎縫、開結(jié)構(gòu)洞等辦法）；配筋也只能配置少量單排鋼筋，消弱小井筒的作用。

設(shè)計(jì)計(jì)算時，除了按照框架確定抗震等級計(jì)算外，還要按照帶井筒的框架來進(jìn)行復(fù)核，并加強(qiáng)與井筒墻體相連的柱子的配筋。

4.多高層建筑中鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)計(jì)算的注意事項(xiàng)

（1）基礎(chǔ)拉梁層計(jì)算模型的選定

在選用TAT或者SATWE等程序進(jìn)行框架整體計(jì)算時，對于基礎(chǔ)拉梁層無樓板的情況，應(yīng)取0作為樓板厚度，并定義彈性節(jié)點(diǎn)，采用總綱分析方法進(jìn)行分析計(jì)算。而當(dāng)房屋平面不規(guī)則時，雖然樓板厚度也要取0，并且也要定義彈性節(jié)點(diǎn)，但程序分析時自動按照剛性樓面來進(jìn)行計(jì)算，這樣一來便與實(shí)際情況不相符，在設(shè)計(jì)過程中要特別注意這一點(diǎn)。

（2）多高層建筑框架結(jié)構(gòu)的抗震等級

在工程設(shè)計(jì)中，多數(shù)房屋建筑分屬于丙類建筑（如民用住宅、辦公樓、一般工業(yè)建筑等），其抗震等級可參考《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》表6.1.2來確定。而對于交通、通訊、消防、醫(yī)療等類型的建筑以及大型體育場館、大型商場、科技展廳、電影院等公共建筑，可首先根據(jù)GB50223-2004《建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》來確定那些建筑屬于哪些類別。丙類建筑的地震作用均按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度計(jì)算；乙類建筑在一般情況下當(dāng)抗震設(shè)防烈度為Ⅵ～Ⅷ度時，抗震措施應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高I度的要求。

（3）地震力的振型組合數(shù)

對于多高層建筑而言，當(dāng)不考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)計(jì)算時，地震力的振型組合數(shù)至少要取3；當(dāng)振型數(shù)多于3時，應(yīng)取3的倍數(shù)，但不能多于層數(shù)；而房屋層數(shù)≤2時，則振型數(shù)可取層數(shù)。

對于多高層建筑不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)時振型數(shù)要取>19。若是結(jié)構(gòu)層數(shù)較多或者結(jié)構(gòu)剛度突變較大，振型數(shù)應(yīng)多取。若結(jié)構(gòu)有轉(zhuǎn)換層、頂部小塔樓、多塔等結(jié)構(gòu)時，振型數(shù)應(yīng)取≥l2，但不能超過3倍層數(shù)；只有當(dāng)定義為彈性樓板，且采用總剛分析時，振型數(shù)才可以取得較少。

[1]洪慧慧.論鋼筋混凝土多層框架結(jié)構(gòu)的地震控制設(shè)計(jì)[J].民營科技，2009，(05).

[2]陳炎浩.論鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋的抗震設(shè)計(jì)[J].廣東科技，2007，(04).

[3]黃岳軍.談鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)施工技術(shù)[J].中華民居，2011，(07).

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1673-0046（2012）8-0139-02