框架結(jié)構(gòu)概念設(shè)計及措施

薛晨曦

河南建筑材料研究設(shè)計院有限責任公司（450002）

0 引言

改革開放以來,隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，我國的多層建筑也發(fā)展迅速,設(shè)計思想也在不斷更新。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)形式之一。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是由樓板、梁、柱及基礎(chǔ)4種承重構(gòu)件組成,由主梁、柱與基礎(chǔ)構(gòu)成平面框架,各平面框架再由連續(xù)梁連接起來而形成空間結(jié)構(gòu)體系。在合理的高度和層數(shù)的情況下，框架結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)布置靈活，能獲得較大的使用空間，可適合多種工藝與使用功能的要求。在辦公樓、教學樓、住宅樓、公寓以及商業(yè)建筑中常常采用。合理的利用概念設(shè)計，可使框架結(jié)構(gòu)設(shè)計更加靈活、經(jīng)濟，這里從概念設(shè)計理念出發(fā)，簡要的介紹了框架結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的注意事項，以期望引起業(yè)內(nèi)人士的重視，起到拋磚引玉的目的。

1 結(jié)構(gòu)概念設(shè)計

所謂概念設(shè)計，是一種創(chuàng)造性思維的體現(xiàn)。建筑結(jié)構(gòu)中概念設(shè)計是體現(xiàn)工程先進設(shè)計理念和思想的關(guān)鍵，一個優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)該清楚地認識到框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中，概念設(shè)計與結(jié)構(gòu)措施的至關(guān)重要性。概念設(shè)計中，結(jié)構(gòu)設(shè)計師們通過以往的實際工程情況和自己豐富的經(jīng)驗，基于設(shè)計的基本原則和思想，依據(jù)整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的相互關(guān)系、并有意識地處理工程施工中結(jié)構(gòu)和構(gòu)件、結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，分析結(jié)構(gòu)的破壞機理和實際震害情況，從整體角度確定結(jié)構(gòu)的總體布置和結(jié)構(gòu)抗震具體措施，從而達到一種宏觀的、全面而完整的設(shè)計目標[1-2]。

概念設(shè)計改變了計算機設(shè)計中的不足之處。雖然目前計算機技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，但是計算機設(shè)計容易給設(shè)計師一種錯覺，會使設(shè)計師感覺計算機程序的應(yīng)用簡單,從而過分的依賴計算機軟件，減少了結(jié)構(gòu)概念的學習,自身的設(shè)計能力逐漸下降。有些設(shè)計師就習慣將分析程序用到設(shè)計過程中，卻不知計算機設(shè)計是把雙刃劍，一旦選擇了錯誤的軟件就會導致結(jié)構(gòu)設(shè)計出現(xiàn)問題，這種潛在的問題會隨著時間的增加而突顯出來[3]。為了彌補計算機設(shè)計的不足之處，就需要應(yīng)用到概念設(shè)計，設(shè)計師需要加強結(jié)構(gòu)概念的學習，做到清楚的掌握有關(guān)結(jié)構(gòu)概念,并且根據(jù)所學的內(nèi)容去選擇最佳結(jié)構(gòu)方案。在現(xiàn)行的《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一標準》中，就提到了概念理論,制定了以它為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計準則，相對比以往的設(shè)計方法,這種方法更具先進性，使結(jié)構(gòu)設(shè)計方案更加科學、合理?？傊瑢⒏拍钤O(shè)計應(yīng)用到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中,提高了設(shè)計方案的可靠性，使設(shè)計成果更具創(chuàng)造性，結(jié)構(gòu)設(shè)計方案更加完美。

2 框架結(jié)構(gòu)概念設(shè)計措施

工程設(shè)計中概念設(shè)計強調(diào)協(xié)同工作，協(xié)同工作通常是指結(jié)構(gòu)在服役過程中每一個構(gòu)件都能充分發(fā)揮其自身作用，并與其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件相互配合。這不僅要求工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有一定長的使用壽命，同時還需要構(gòu)件所承受的荷載力保持一致，不能出現(xiàn)長期受力不均的現(xiàn)象。簡單的講，框架結(jié)構(gòu)概念設(shè)計主要從以下幾個方面入手：

2.1 建筑方案的合理選擇

首先,我們要控制房屋適用高度和結(jié)構(gòu)高寬比，結(jié)構(gòu)的高寬比大，則傾覆力矩也大。為了幫助設(shè)計者在初步設(shè)計階段根據(jù)結(jié)構(gòu)高度和結(jié)構(gòu)體系確定比較合理而經(jīng)濟的平面尺寸,宏觀控制結(jié)構(gòu)的剛度、穩(wěn)定和承載力，JGJ3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定了框架結(jié)構(gòu)的高寬比限值。

其次，結(jié)構(gòu)布置應(yīng)簡單規(guī)則均勻。結(jié)構(gòu)簡單包含有三層意思：

1）結(jié)構(gòu)的類別劃分，計算模型清楚；

2）各結(jié)構(gòu)構(gòu)件力學功能分工,在荷載和作用下，傳力路線直接、明確；

3）其受力、薄弱環(huán)節(jié)及抗震性能估計把握，精細分析程序可靠。這就要求工程師在熟練運用計算機設(shè)計程序的同時，更要掌握必要的框架結(jié)構(gòu)簡化估算方法。

結(jié)構(gòu)規(guī)則均勻要求含平面和立面兩部分，包括剛度、承載力和傳力途徑三個方面。要求框架結(jié)構(gòu)在可能的情況下，在豎向建筑造型和結(jié)構(gòu)布置上均勻，剛度、承載力和傳力途徑均無突變，從而限制應(yīng)力集中、過大變形和敏感薄弱部位的出現(xiàn)；在建筑平面上規(guī)則，結(jié)構(gòu)布置均勻，盡量減少里出外進、凹凸不平，盡量避免部分結(jié)構(gòu)超強造成結(jié)構(gòu)的相對薄弱部位，該強的強，該弱的弱；盡量使荷載和作用能用短而直接的途徑傳播，盡量使質(zhì)量中心和剛度中心重合或接近。

最后，是剛?cè)徇m度。事實表明，結(jié)構(gòu)的變形越小，地震的危害就越小。但是不能得出剛度越大越好的結(jié)論，因為剛度愈大，地震作用愈大，材料用量會增加。此外，結(jié)構(gòu)振動和變形的大小不僅和結(jié)構(gòu)剛度有關(guān)，還與場地土有關(guān)，當結(jié)構(gòu)自振周期與場地土的卓越周期接近時,建筑物的地震反應(yīng)會加大，無論振動變形還是地震力都會加大。因此，對于框架結(jié)構(gòu)設(shè)計，不能做出“剛一些好”還是“柔一些好”的簡單結(jié)論，應(yīng)該結(jié)合結(jié)構(gòu)的具體高度、場地條件等進行綜合判斷[4]。

2.2 強剪弱彎設(shè)計

為了提高抗震墻的變形能力,避免發(fā)生破壞，對于一道截面較長的抗震墻，應(yīng)該利用洞口設(shè)置弱連梁，使墻體分為小開口墻、多肢墻或單肢墻，并使每個墻段的高寬比不小于 2。弱連梁，是指在地震作用下各層連梁的總約束彎矩不大于該墻段總地震彎矩的20%。目前有許多設(shè)計人員將結(jié)構(gòu)中門洞連梁、窗洞連梁都改為截面高度極小的二力桿件，這對結(jié)構(gòu)抗震是很不好的。在實際設(shè)計中，對連梁的剛度都要進行折減,因為剪力墻的剛度一般都很大，在水平力作用下，剪力墻中的連梁會因為很大的內(nèi)力而超過截面允許值，可靠的辦法是讓這些連梁先屈服，使連梁形成塑性鉸而不發(fā)生脆性破壞，連梁首先就必須滿足強剪弱彎的要求，對連梁的剛度進行折減實際上就是降低其抗彎能力。

強剪弱彎是保證構(gòu)件延性，防止脆性破壞的重要原則，它要求人為加大各承重構(gòu)件相對于其抗彎能力的抗剪承載力，使這些部位在結(jié)構(gòu)經(jīng)歷罕遇地震的過程中以足夠的保證率不出現(xiàn)脆性剪切失效。對于多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中的多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)梁應(yīng)注意抗剪驗算和構(gòu)造，使其滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2.3 強柱弱梁節(jié)點設(shè)計

為了實現(xiàn)在罕遇地震作用下，讓梁端形成塑形鉸，柱端處于非彈性工作狀態(tài)，但節(jié)點還處于彈性工作階段[5]。強柱弱梁措施的強弱，也就是相對于梁端截面實際抗彎能力而言柱端截面抗彎能力增強幅度的大小，是決定由強震引起柱端截面屈服后塑性轉(zhuǎn)動能否不超過其塑性轉(zhuǎn)動能力，從而使柱不被壓壞的關(guān)鍵控制措施。柱強于梁的幅度大小取決于梁端縱筋不可避免的構(gòu)造超配程度的大小，以及結(jié)構(gòu)在梁、柱端塑性鉸逐步形成過程中的塑性內(nèi)力重分布和動力特征的相應(yīng)變化。因此，當建筑許可時盡可能將柱的截面尺寸做得大些，并控制柱的軸壓比滿足規(guī)范要求，以增加延性。原則調(diào)整放大，加強柱的配筋構(gòu)造。梁端縱向受拉鋼筋的配筋不得過高，以免在罕遇地震中進入屈服階段不能形成塑性鉸。

3 小結(jié)

通過論述，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)雖然相對比較簡單,但設(shè)計中仍有很多需要注意的問題,只有熟練地掌握規(guī)范，從結(jié)構(gòu)概念設(shè)計出發(fā)，并結(jié)合長期的設(shè)計經(jīng)驗總結(jié)積累，才能設(shè)計出既安全又經(jīng)濟適用的優(yōu)秀作品。

[1]謝寶.淺談概念設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J].建筑與規(guī)劃設(shè)計,2013,(3)(總126).

[2]林佳偉,曹士偉.概念設(shè)計在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J].工程科技.

[3]郭峰,梁利生.探討建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的概念設(shè)計[J].能源環(huán)境.

[4]葉菁.鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計要點及注意事項[J].甘肅科技縱橫,2010,39(5).

[5]孫素英,張震.概念設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中重要性探討[J].建筑結(jié)構(gòu)，2008(4)：34～35.