多層框架房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題探討

徐興培

摘要：隨著我國(guó)建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)多層框架房屋建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，在鋼筋混凝土建筑中，框架結(jié)構(gòu)是一種常用的結(jié)構(gòu)形式，具有傳力明確、結(jié)構(gòu)布置靈活、抗震性和整體性好的優(yōu)點(diǎn)，目前己被廣泛地應(yīng)用于各類多層的工業(yè)與民用建筑中。本文主要分析了多層框架房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀和計(jì)算方法，然后結(jié)合工程實(shí)例探討了多層框架房屋建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：多層框架；房屋建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TU318

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1674-3954（2013）21-0146-02

引言

由于框架結(jié)構(gòu)具有空間大、平面布局靈活多樣的特點(diǎn)，滿足了人們不斷追求使用個(gè)性化的要求。因此，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和人們物質(zhì)生活水平的提高，框架結(jié)構(gòu)（住宅、公共建筑）將會(huì)得到較大發(fā)展。

1 多層框架房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀和優(yōu)缺點(diǎn)分析

1.1 多層框架房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀

對(duì)于框架結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)建筑特點(diǎn)方面：它是由鋼筋混凝土梁、柱、節(jié)點(diǎn)及基礎(chǔ)為主框，加上樓板、填充墻、屋蓋所組成的結(jié)構(gòu)形式，樓板和橫梁連在一起，橫梁和柱通過(guò)節(jié)點(diǎn)連為一體，形成承重結(jié)構(gòu)，將荷載傳至基礎(chǔ)，力的傳遞路線比較明確。對(duì)于整個(gè)房屋全部采用這種結(jié)構(gòu)形式的稱為框架結(jié)構(gòu)或純框架結(jié)構(gòu)。框架可以是等跨或不等跨的，也可以是層高相同或不完全相同的，有時(shí)因房屋布局和空間使用要求等原因，也可能要在某層抽柱或某跨抽梁，形成缺梁、缺柱的框架。墻體是填充墻，僅起圍護(hù)和分隔作用，所以框架結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是承重構(gòu)件與圍護(hù)構(gòu)件有明確分工，建筑物的內(nèi)外墻處理十分靈活，應(yīng)用范圍很廣，因此能為建筑提供靈活的使用空間。在結(jié)構(gòu)受力性能方面：框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面較小，因此框架結(jié)構(gòu)的承載力和剛度都較低，它的受力特點(diǎn)類似于豎向懸臂剪切梁，樓層越高，水平位移越慢，高層框架在縱橫兩個(gè)方向都承受很大的水平力，所以框架結(jié)構(gòu)屬于柔性結(jié)構(gòu)，自振周期較長(zhǎng)，地震反應(yīng)較小，經(jīng)過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以具有較好的延性性能。

1.2 多層框架房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)分析

1.2.1 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)

空間分隔靈活，自重輕，節(jié)省材料；具有可以較靈活地配合建筑平面布置的優(yōu)點(diǎn)，利于安排需要較大空間的建筑結(jié)構(gòu)；框架結(jié)構(gòu)的梁、柱構(gòu)件易于標(biāo)準(zhǔn)化、定型化，便于采用裝配整體式結(jié)構(gòu)，以縮短施工工期；采用現(xiàn)澆混凝土框架時(shí)，結(jié)構(gòu)的整體性、剛度較好，設(shè)計(jì)處理好也能達(dá)到較好的抗震效果，而且可以把梁或柱澆注成各種需要的截面形狀。

1.2.2 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)

框架節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中顯著，框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度小，屬柔性結(jié)構(gòu)框架，在強(qiáng)烈地震作用下，結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生水平位移較大，易造成嚴(yán)重的非結(jié)構(gòu)性破壞，適用于非抗震設(shè)計(jì)；鋼材和水泥用量較大，構(gòu)件的總數(shù)量多，吊裝次數(shù)多，接頭工作量大，工序多，浪費(fèi)人力，施工受季節(jié)、環(huán)境影響較大；不適宜建造高層建筑。

2 多層框架房屋建筑計(jì)算方法

2.1 豎向荷載作用下內(nèi)力計(jì)算

在內(nèi)力計(jì)算中，在豎向荷載作用下框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力可用分層法、彎矩二次分配法等近似方法計(jì)算。分層法在分層計(jì)算時(shí)，將上、下柱遠(yuǎn)端的彈性支承改為固定端，同時(shí)將除底層外的其他各層柱的線剛度乘以系數(shù)0.9，相應(yīng)地柱的彎矩傳遞系數(shù)由1/2改為1/3，底層柱和各層梁的線剛度不變且其彎矩傳遞系數(shù)仍為1/2。彎矩二次分配法是先對(duì)各節(jié)點(diǎn)的不平衡彎矩都進(jìn)行分配（其問(wèn)不傳遞），然后對(duì)各桿件的遠(yuǎn)端進(jìn)行傳遞。分層法和彎矩二次分配法的計(jì)算精度較高，可用于工程設(shè)計(jì)。

2.2 水平荷載作用下內(nèi)力計(jì)算

水平荷載作用下框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力可用D值法、反彎點(diǎn)法等簡(jiǎn)化方法計(jì)算。其中D值法的計(jì)算精度較高，當(dāng)梁、柱線剛度比大于3時(shí)，反彎點(diǎn)法也有較好的計(jì)算精度。D值是框架結(jié)構(gòu)層問(wèn)柱產(chǎn)生單位相對(duì)側(cè)移所需施加的水平剪力（如圖1為某工程剪力示意圖），可用于框架結(jié)構(gòu)的側(cè)移計(jì)算和各柱問(wèn)的剪力分配。D值是在考慮框架梁為有限剛度、梁柱節(jié)點(diǎn)有轉(zhuǎn)動(dòng)的前提下得到的，故比較接近實(shí)際情況。影響柱反彎點(diǎn)高度的主要因素是柱上、下端的約束條件。柱兩端的約束剛度不同，相應(yīng)的柱端轉(zhuǎn)角也不相等，反彎點(diǎn)向轉(zhuǎn)角較大的一端移動(dòng)，即向約束剛度較小的一端移動(dòng)。D值法中柱的反彎點(diǎn)位置就是根據(jù)這種規(guī)律確定的。

在水平荷載作用下，框架結(jié)構(gòu)各層產(chǎn)生層問(wèn)剪力和傾覆力矩。層問(wèn)剪力使梁、柱產(chǎn)生彎曲變形，引起的框架結(jié)構(gòu)側(cè)移曲線具有整體剪切型變形特點(diǎn)；傾覆力矩使框架柱（尤其是邊柱）產(chǎn)生軸向拉、壓變形，引起的框架結(jié)構(gòu)側(cè)移曲線具有整體彎曲型變形特點(diǎn)。當(dāng)框架結(jié)構(gòu)房屋較高或其高寬比較大時(shí)，宜考慮柱軸向變形對(duì)框架結(jié)構(gòu)側(cè)移的影響。

2.3 軟件輔助計(jì)算

在手算前，用PKPM對(duì)初選方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)剛度、效應(yīng)分析、桿件內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算，基本掌握模型建立、荷載輸入、參數(shù)確定、整體計(jì)算、結(jié)果分析等各重要環(huán)節(jié)。如若電算通過(guò)，則繼續(xù)進(jìn)行手算；若不通過(guò)，則應(yīng)變換截面尺寸，直至電算通過(guò)。此外，還可利用SAP2000等數(shù)值分析軟件，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行建模模擬，驗(yàn)算內(nèi)力、變形等。

3 多層框架房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例分析

3.1 多層框架房屋建設(shè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原始資料

某辦公樓建筑，室外氣溫：年平均氣溫最冷月份-20℃，年平均氣溫最高月份25℃凍土深度：最大凍土深度為1.2m基本雪壓：0.40kN/m²；基本風(fēng)壓：0.25kN/m²；地質(zhì)資料：20m以上為輕亞粘土，f=210kPa，地下水位深18m?？拐鹪O(shè)防烈度為Ⅶ度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，場(chǎng)地設(shè)計(jì)分組為第三組，場(chǎng)地土類型為Ⅱ類。地面粗糙度類別C類。建筑場(chǎng)地：70m×40m。

提供的建筑材料：鋼筋：HPB300級(jí)，HRB335級(jí)，HRB400-HRB500級(jí)?；炷粒篊30～C40。砌體（填充墻）：加氣砌塊、空心砌塊，強(qiáng)度等級(jí)≥MU7.5（加氣砌塊、空心砌塊容重不大于8kN/m³），采用M7.5混合砂漿砌筑。焊條：HPB300級(jí)（φ）級(jí)鋼筋用E43××焊條，HRB335級(jí)（φ）級(jí)鋼筋用E50××焊條。

3.2 多層框架房屋建筑物組成及功能要求

辦公大樓擬建6層總建筑面積3000～5000m²左右。其中辦公室：35～45m²左右，50個(gè)左右；會(huì)議室：80～90m²左右，2個(gè)，分布在上部。設(shè)電梯一部，入口門庭兩層通高。要求采用框架結(jié)構(gòu)，建筑設(shè)計(jì)要求有標(biāo)志性并體現(xiàn)時(shí)代氣息。建筑物防火等級(jí)為二級(jí)。

3.3 多層框架房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟

3.3.1 建筑設(shè)計(jì)部分

平面設(shè)計(jì)：合理確定平面柱網(wǎng)尺寸；布置房間；確定樓（電）梯數(shù)量、位置及形式；滿足室內(nèi)采光、通風(fēng)要求。剖面設(shè)計(jì)：確定合理層高；給出樓（地）面、屋面、墻身工程做法。立面設(shè)計(jì)：建筑風(fēng)格、造型應(yīng)富有創(chuàng)意，有時(shí)代感。要求完成的建筑施工圖有：首層平面圖（1：100）；標(biāo)準(zhǔn)層平面圖（1：100）；建筑詳圖（1：50或1：25）；立面圖（1：100或1：50）：正立面、側(cè)立面；剖面圖（1：100或1：50，剖切位置必須在樓梯部位）；建筑設(shè)計(jì)說(shuō)明書（在建筑設(shè)計(jì)說(shuō)明中，應(yīng)說(shuō)明自己所選取的方案的設(shè)計(jì)意圖，注意從平、立、剖等方面分別說(shuō)明）。

3.3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分

結(jié)構(gòu)選型：根據(jù)建筑設(shè)計(jì)方案及設(shè)計(jì)原始資料，選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)布置：確定柱在平面上的排列方式，一般柱網(wǎng)有內(nèi)廊式和等跨式兩種，選擇承重方案，框架結(jié)構(gòu)的平面布置形式非常的靈活，框架結(jié)構(gòu)按照承重方式的不同分為三類：橫向框架承重方案；縱向框架承重方案；縱橫向框架混合承重方案。合理布置結(jié)構(gòu)構(gòu)件，初步確定材料強(qiáng)度等級(jí)及構(gòu)件截面尺寸。要確定構(gòu)件的截面尺寸，只能先估算，等構(gòu)件的內(nèi)力和結(jié)構(gòu)的變形計(jì)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為框架的最終截面尺寸。如果所需的截面尺寸與估算的截面尺寸相差很大，則要重新估算和重新進(jìn)行計(jì)算。結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析及構(gòu)件設(shè)計(jì)：根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家設(shè)計(jì)規(guī)范，計(jì)算結(jié)構(gòu)荷載及地震作用；手算完成結(jié)構(gòu)一個(gè)主軸方向的內(nèi)力分析，進(jìn)行框架梁、柱、的內(nèi)力組合，完成構(gòu)件截面設(shè)計(jì)；同時(shí)，可采用工程設(shè)計(jì)軟件PKPM計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力及配筋（如圖2為某工程衛(wèi)生問(wèn)處錯(cuò)誤配筋圖和衛(wèi)生問(wèn)處正確配筋圖），并與手算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。完成樓梯的計(jì)算和配筋，完成板的配筋計(jì)算。繪制結(jié)構(gòu)施工圖。

4 結(jié)束語(yǔ)

總之，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)遇到一些規(guī)范或規(guī)程未論及的問(wèn)題，這就需要設(shè)計(jì)人員積累經(jīng)驗(yàn)，利用正確的概念進(jìn)行設(shè)計(jì)。鑒于多層框架房屋建設(shè)對(duì)于我國(guó)建筑行業(yè)發(fā)展的重要性，因此，本文研究這個(gè)課題具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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