框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)心得

李 慧 琛

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030013)

0 引言

在國家基礎(chǔ)建設(shè)如此火熱的今天，框架結(jié)構(gòu)被應(yīng)用于醫(yī)院、學(xué)校、辦公等重點(diǎn)項(xiàng)目中，雖然歷次地震災(zāi)難給了我們很多深刻的教訓(xùn)，框架并不是一種抗震性能非常好的結(jié)構(gòu)，但由于其布局靈活，結(jié)構(gòu)簡單，仍廣泛應(yīng)用。作為結(jié)構(gòu)工程師，在框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)，確保結(jié)構(gòu)主體的安全。

框架結(jié)構(gòu)是由梁、柱、板構(gòu)件組成的空間結(jié)構(gòu)體系，板主要承受豎向荷載，梁、柱主要承受豎向荷載、風(fēng)荷載及地震作用。從重要性來說，框架柱的重要性要大于梁、板等構(gòu)件。歷次地震表明，框架柱安全決定了整個樓座的安全。

1 單跨結(jié)構(gòu)

根據(jù)GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2016年版)第6.1.5所述，甲、乙類建筑及高度大于24 m的丙類建筑，不應(yīng)采用單跨框架結(jié)構(gòu)；高度不大于24 m的丙類建筑不宜采用單跨框架結(jié)構(gòu)。單跨框架結(jié)構(gòu)有很大的安全隱患，發(fā)生地震時(shí)，一側(cè)框架柱出現(xiàn)塑性鉸，那另一側(cè)的框架柱及相鄰的框架柱很可能發(fā)生連續(xù)倒塌，主要原因是單跨結(jié)構(gòu)體系無多道防線。如果一定要做單跨結(jié)構(gòu)，可在四周做一些剪力墻，做成少墻框架，但少墻框架也有它的缺陷，剪力墻處剛度太大，吸收地震力也大，往往會使墻體超筋，而且很難調(diào)整，造成建造成本的大幅度增加。

2 框架梁、柱截面取值

框架梁、柱的截面尺寸的確定是根據(jù)結(jié)構(gòu)豎向荷載大小，相鄰柱的跨度，抗震設(shè)防烈度決定的?？蚣芰旱母叨瘸醵砂纯缍鹊?/8～1/12確定，最小高度不要小于400 mm。次梁的高度可按跨度的1/12～1/16確定，最小不要小于300 mm，當(dāng)然根據(jù)跨度確定梁高是一種粗略的計(jì)算方法，梁具體的合適高度還是要滿足撓度和裂縫的要求，同時(shí)滿足剛度及剪壓比的要求，必要時(shí)可以起拱，起拱高度應(yīng)滿足規(guī)范要求。由于建筑功能要求不能把梁做的過高時(shí)也可以做成寬扁梁，寬扁梁中心應(yīng)與柱中心重合，并雙向布置，框架梁上下鋼筋應(yīng)穿過框架柱1/3柱跨長度。寬扁梁抗震性能不是很好，且不得用于一級抗震等級的框架結(jié)構(gòu)。框架柱的截面尺寸取值主要由結(jié)構(gòu)位移和軸壓比確定，如果配筋過大不滿足施工要求時(shí)也要把柱截面做大。對于跨度較大的框架結(jié)構(gòu)，框架梁一般都比較高，而框架柱相對比較小，形成一種強(qiáng)梁弱柱的結(jié)構(gòu)形式，此時(shí)，框架柱由于剛度較小，地震時(shí)先于框架梁破壞。所以，無論計(jì)算結(jié)構(gòu)是否通過，也要把框架柱做大，框架柱的短邊高度一定要大于框架梁的高度。當(dāng)然，地庫結(jié)構(gòu)可以不用這么考慮?？蚣苤孛娉叽缫俗兘孛嬖O(shè)計(jì)。這主要由結(jié)構(gòu)整體剛度決定，變截面框架柱會使結(jié)構(gòu)剛度相對均勻。

3 梁、柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)

框架柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪不足是框架結(jié)構(gòu)經(jīng)常遇到的問題，這是由于節(jié)點(diǎn)核心區(qū)承受很大的剪力，以至于發(fā)生脆性剪切破壞，破壞的結(jié)果是嚴(yán)重的，汶川地震中框架結(jié)構(gòu)倒塌主要都是梁、柱節(jié)點(diǎn)破壞先于梁、柱破壞。所以，在抗震計(jì)算時(shí)，要求節(jié)點(diǎn)核心區(qū)要處于彈性狀態(tài)，要足夠結(jié)實(shí)，不能出現(xiàn)框架核心區(qū)先于框架梁、框架柱屈服。在此，有三種方法可以借鑒，一是提高框架柱核心區(qū)混凝土強(qiáng)度(可以整體提高框架柱混凝土強(qiáng)度)，提高核心區(qū)的混凝土抗剪強(qiáng)度。二是將與框架柱連接的框架梁做低、做寬，將框架柱核心區(qū)附加剪力減少。三是采用型鋼混凝土框架柱，附加區(qū)域可為基礎(chǔ)頂～框架核心區(qū)不滿足計(jì)算高度，不用通高設(shè)置。當(dāng)然，采用型鋼混凝土框架柱會提高施工難度，也會使造價(jià)提高。

4 框架柱箍筋加密

框架柱箍筋通高加密的部位為樓層外圍陽角處和樓梯間四角處，這幾處為剛度較大區(qū)和薄弱區(qū)，外圍陽角處框架柱建立結(jié)構(gòu)模型時(shí)可以設(shè)置角柱，樓梯四角框架柱加密需要后期手工修改，并適當(dāng)提高配筋率和配箍率。

5 樓梯要求

GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2016版)中針對樓梯計(jì)算也有了新的要求。第一，宜采用鋼筋混凝土樓梯。第二，宜采用滑動支座樓梯。做滑動支座樓梯主要的目的是讓樓梯梯板與上下兩層樓板分開，這樣樓梯就不會參與地震作用。但要做成滑動樓梯有很多限制，首先梯板形式盡量做成AT型、BT型、CT型、DT型，樓梯挑出長度過長，配筋過大，也不好施工。其次單層樓梯宜做成兩跑樓梯。如果不采用滑動支座，就要計(jì)入樓梯構(gòu)件對地震作用及其效應(yīng)的影響，梯板應(yīng)輸入模型計(jì)算，樓梯周圍梁、柱會有配筋變化。

6 樓板要求

樓板作為承受豎向荷載的關(guān)鍵構(gòu)件，其厚度取值非常關(guān)鍵。對于醫(yī)院、學(xué)校等乙類建筑來說，樓板厚度可以取厚一點(diǎn)，單向板可取1/35～1/40,雙向板可取1/30～1/35，樓板鋼筋宜雙層雙向設(shè)置，這樣可以比較從容的應(yīng)對將來的功能修改。對于辦公樓來說樓板厚度可以按構(gòu)造手冊取用，因?yàn)楸旧砗奢d取值也不大，功能變化也比較小。

7 計(jì)算模型

目前結(jié)構(gòu)工程師一般會使用PKPM或YJK建立結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，兩種軟件在計(jì)算原理上基本相同。我們主要注意以下幾點(diǎn)：

1)根據(jù)建筑實(shí)際定位去建立模型，過去由于軟件的原因，我們建立模型的時(shí)候不是很仔細(xì)，往往結(jié)構(gòu)模型和建筑圖不一致，當(dāng)然軟件也不會算的很準(zhǔn)確。如今隨著結(jié)構(gòu)軟件的發(fā)展，計(jì)算趨于精細(xì)化，這就要求我們的結(jié)構(gòu)模型要與實(shí)際結(jié)構(gòu)完全一致，這樣才能使結(jié)果更加精確。

2)關(guān)于框架結(jié)構(gòu)周期折減到底怎么取。規(guī)范中明確指出，框架結(jié)構(gòu)周期折減系數(shù)在0.6～0.7之間，折減這么多的原因主要在于框架結(jié)構(gòu)中房間分割主要是砌塊墻，砌塊墻與主體結(jié)構(gòu)剛性連接，砌塊的剛度和強(qiáng)度對結(jié)構(gòu)墻影響很大，而且分隔墻很多。砌塊墻不僅容重高，而且施工不方便，目前有很多項(xiàng)目結(jié)構(gòu)內(nèi)隔墻已不采用砌塊墻，但外隔墻由于保溫要求依然使用。所以，大空間或者采用新型內(nèi)隔墻板材的框架結(jié)構(gòu)周期折減系數(shù)是可以酌情提高的，不過也不要高過0.85，留有足夠的安全儲備，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)一定要與建筑核對清楚，避免返工。

3)框架結(jié)構(gòu)的位移不得大于1/550，計(jì)算位移時(shí)，主次梁可不點(diǎn)鉸，這樣容易滿足規(guī)范要求，而且在實(shí)際當(dāng)中，混凝土結(jié)構(gòu)主次梁不可能形成真正的鉸接，所以按固結(jié)考慮是正確的。當(dāng)遇到一些結(jié)構(gòu)類型很不規(guī)則的建筑時(shí)，扭轉(zhuǎn)很難避免，如果位移計(jì)算值很小，也可以不用考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

8 結(jié)語

以上幾點(diǎn)是結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的問題，框架結(jié)構(gòu)在滿足計(jì)算的前提下簡化結(jié)構(gòu)方案，盡量避免復(fù)雜的異性結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，因此與建筑工程師提前溝通就非常重要了。