民用建筑多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原則與要點(diǎn)探析

王曉穎

摘 要：多層框架結(jié)構(gòu)建筑涉及到多種力學(xué)知識(shí)，并且其設(shè)計(jì)也相對復(fù)雜，設(shè)計(jì)多層框架結(jié)構(gòu)對建筑設(shè)計(jì)人員提出了很高的設(shè)計(jì)要求，也需要設(shè)計(jì)人員具備豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。由此可知，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行多層框架結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要全面分析各個(gè)影響因素，從而保質(zhì)保量地完成設(shè)計(jì)工作。本文探討了框架結(jié)構(gòu)建筑的分類，重點(diǎn)敘述了民用建筑剁成框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原則以及要點(diǎn)分析，為同行提供參考資料。

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

中圖分類號(hào)：TU323.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）15-0111-02

隨著科技以及社會(huì)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，我國建筑設(shè)計(jì)施工行業(yè)也日益發(fā)展起來，并且民眾對建筑的功能以及構(gòu)造的要求也日益增加。當(dāng)下社會(huì)中，框架結(jié)構(gòu)建筑是比較流行也比較受歡迎的結(jié)構(gòu)模式之一。這種模式也在民用建筑設(shè)計(jì)中被廣泛采用。受力清晰、空間使用率高、造價(jià)低等特點(diǎn)都是這種結(jié)構(gòu)被人們采納的特性，在建筑行業(yè)，可以通過采用框架結(jié)構(gòu)來達(dá)到有效提高建筑綜合性能的目的。

1 框架結(jié)構(gòu)分類

框架結(jié)構(gòu)的可以根據(jù)使用材料的不同進(jìn)行分類。具體可分為鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)。這些不同種類的框架結(jié)構(gòu)廣泛運(yùn)用在多層框架民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中。

1.1 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)

取材方便、造價(jià)低廉、耐久性能優(yōu)越，這些都是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)具有的優(yōu)點(diǎn)。這種結(jié)構(gòu)也被廣泛運(yùn)用在我國民用住宅的設(shè)計(jì)建設(shè)工程中，整體來說，我國大部分的框架結(jié)構(gòu)建筑都采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。

1.2 鋼框架結(jié)構(gòu)

抗震性好、自重較輕、施工便捷、機(jī)械化程度高等都是鋼框架結(jié)構(gòu)所具備的優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不能超越的。但是用鋼量較大、設(shè)計(jì)成本較高則是這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)。并且相比混凝土框架結(jié)構(gòu)來說，鋼框架結(jié)構(gòu)后期的維修費(fèi)用也比較高。實(shí)際應(yīng)用過程中，一些建筑工程對于強(qiáng)度等級并沒有特別嚴(yán)格的需求與要求，普通的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)則能滿足實(shí)際的要求，使用鋼框架結(jié)構(gòu)便會(huì)增加工程總體造價(jià)，增加建設(shè)成本，并且大材小用。鋼框架結(jié)構(gòu)相比而言更適用于工期要求緊、工作效率較高的搶險(xiǎn)工程中。鋼框架結(jié)構(gòu)施工流程主要為在工程預(yù)先制作好相應(yīng)型號(hào)的鋼柱、鋼梁，然后運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，在現(xiàn)場對鋼柱鋼梁進(jìn)行焊接組裝。相比鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，鋼框架結(jié)構(gòu)的耐火性很差，能夠使用這種結(jié)構(gòu)的場合也很有局限性，這種結(jié)構(gòu)不向鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一樣能夠擁有廣泛的使用范圍，這也是制約鋼框架結(jié)構(gòu)生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的因素之一。雖然我國目前對鋼框架結(jié)構(gòu)在民用多層建筑中的運(yùn)用還不夠成熟廣泛，但隨著我國鋼產(chǎn)量的增加以及煉鋼技術(shù)的不斷提升，鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建造技術(shù)也將不斷提升。因此，這種技術(shù)在我國以及世界上仍有很好的發(fā)展空間。

2 多層框架住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

2.1 荷載

獨(dú)立基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的荷載取值不當(dāng)是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中容易出現(xiàn)的一個(gè)問題。一般情況下，選用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的多層框架房屋的基礎(chǔ)多為柱下獨(dú)立基礎(chǔ)。這種情況，就需要設(shè)計(jì)人員計(jì)算基礎(chǔ)和地基涉及的承載力，并且要對其整體進(jìn)行計(jì)算與嚴(yán)格的驗(yàn)證。風(fēng)荷與其相關(guān)影響也是設(shè)計(jì)者需要進(jìn)行分析計(jì)算的參數(shù)之一。無論房屋建設(shè)地點(diǎn)不處于地震區(qū)還是處于地震區(qū)，設(shè)計(jì)者都要根據(jù)實(shí)際的地質(zhì)參數(shù)以及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載力的計(jì)算分析。另外，在對獨(dú)立基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，除了要分析基礎(chǔ)頂面剪力的設(shè)計(jì)值以外，還要對結(jié)構(gòu)的軸力和彎矩的設(shè)計(jì)值進(jìn)行計(jì)算分析，從而保證獨(dú)立基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果穩(wěn)定且合理。

2.2 截面尺寸

框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵與前提是梁柱截面尺寸的設(shè)計(jì)。這就就要求在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)值不僅要嚴(yán)格按照國家規(guī)范設(shè)定的范圍進(jìn)行設(shè)計(jì)，還要考慮到梁柱的線剛度比以及柱的線剛度等參數(shù)，讓魔性計(jì)算假定與實(shí)際尺寸相符合。這樣做可以避免當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良損害。

2.3 框架柱配筋

當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，框架柱將會(huì)受到很大的扭轉(zhuǎn)剪力，并且也會(huì)受到不同程度的雙向彎矩作用。一般情況下，框架柱有比較低的配筋率，這就導(dǎo)致了框架柱的橫梁約束較小，并在雙向偏心受壓的狀態(tài)下受力。地震產(chǎn)生的作用力就會(huì)對內(nèi)柱產(chǎn)生非常大的損害。因此，對框架結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)的配筋計(jì)算設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)思路要往最不利的方向考慮。為了保證框架柱復(fù)核相關(guān)規(guī)范的強(qiáng)度要求，在配筋計(jì)算的過程中，設(shè)計(jì)者應(yīng)該注意在地震的強(qiáng)作用下，建筑的角柱、邊柱、抗震墻等會(huì)出現(xiàn)的偏心受拉的情況。所以，對于這些結(jié)構(gòu)部分，要保證其縱筋的設(shè)計(jì)總截面面積相比設(shè)計(jì)計(jì)算值大20%；設(shè)計(jì)者可以通過將框架柱的箍筋設(shè)計(jì)成井字型或菱形等形式來達(dá)到提高箍筋對混凝土約束的目的。當(dāng)?shù)鼗幍刭|(zhì)情況屬于軟弱圖層時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以適當(dāng)增大剁成框架建筑結(jié)構(gòu)的框架柱的配筋。

2.4 基礎(chǔ)拉梁

避免基礎(chǔ)拉梁不合理設(shè)計(jì)參數(shù)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的內(nèi)容之一。一般來說，基礎(chǔ)拉梁適合設(shè)置在±0.000以下的位置。并且，設(shè)計(jì)者應(yīng)該按照結(jié)構(gòu)的要求設(shè)置基礎(chǔ)拉梁，不應(yīng)該減少底層柱和減少底層的位移的計(jì)算。如果基礎(chǔ)的埋深相對交錢，是記者可以根據(jù)柱子荷載、抗震要求、地基的情況，設(shè)置沿著建筑主軸的方向的基礎(chǔ)拉梁。其中，柱中心距的1/18是比較理想的高度，柱中心距的1/30為比較理想的寬度。同時(shí)，可以適當(dāng)加大拉梁的截面以達(dá)到更好地進(jìn)行配筋的目的。這樣的拉梁應(yīng)該設(shè)置在基礎(chǔ)的頂部，設(shè)置在基礎(chǔ)的頂面上相比較不夠理想。設(shè)計(jì)者也可以按照中心受壓情況對基礎(chǔ)拉梁進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 多層框架民用建筑結(jié)構(gòu)基本原則

3.1 結(jié)構(gòu)薄弱層設(shè)計(jì)

在強(qiáng)烈地震情況下，建筑結(jié)構(gòu)中最易發(fā)生塑性位移的部位叫做結(jié)構(gòu)薄弱層。設(shè)計(jì)人員對多層框架建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)該首要保證結(jié)構(gòu)薄弱層承載力的合理性，以達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求的抗震性能指標(biāo)。根據(jù)總多的科學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可知，在建筑結(jié)構(gòu)的綜合性能方面，結(jié)構(gòu)薄弱層有著至關(guān)重要的影響。由此可見，在設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)人員要盡量避免在多層框架建筑中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)薄弱層。設(shè)計(jì)者可以通過加大薄弱層的柱截面和梁截面達(dá)到增強(qiáng)抗震側(cè)移以及結(jié)構(gòu)剛度的目的。如果現(xiàn)實(shí)條件制約的情況下無法避免結(jié)構(gòu)薄弱層的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員可以通過盡量降低結(jié)構(gòu)薄弱層層高或減少基礎(chǔ)埋深的辦法加強(qiáng)薄弱層強(qiáng)度，也需要設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)措施，對結(jié)構(gòu)薄弱層進(jìn)行加強(qiáng)，從而保證對曾框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.2 框架結(jié)構(gòu)梁的設(shè)計(jì)

在多層框架建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，橫向鋼筋承受了梁下部范圍以及截面高度范圍內(nèi)的全部集中荷載。所以，在設(shè)計(jì)工作中，需要認(rèn)真考慮附加箍筋以及吊筋的設(shè)計(jì)情況。設(shè)計(jì)人員要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的總說明畫出主梁次梁的搭接處的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)，并在次梁的兩側(cè)適當(dāng)補(bǔ)充增加主梁箍筋。當(dāng)框架梁和次梁相交的時(shí)候，設(shè)計(jì)者可以對梁端采用按照簡支梁的方式進(jìn)行處理，并必須對梁端的箍筋進(jìn)行一定的加密處理。

3.3 框架結(jié)構(gòu)柱的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)人員對框架結(jié)構(gòu)柱進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，如果地上部分采用圓柱型的結(jié)構(gòu)柱，則地下部分要盡量設(shè)計(jì)成矩形。這樣設(shè)計(jì)可以再施工過程中有效地減少施工工序。設(shè)計(jì)人員要保證地上部分圓柱形框架柱的配筋數(shù)最少為8根，同時(shí)要通過采用螺旋式箍筋的方法保證對結(jié)構(gòu)整體性和結(jié)構(gòu)柱承載力起到有效的增加增強(qiáng)作用。設(shè)計(jì)人員可以通過采用井字復(fù)合箍的箍筋方式對地下矩形柱進(jìn)行強(qiáng)度提升。設(shè)計(jì)者還應(yīng)該對有抗震要求的情況按照相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范對矩形柱配筋進(jìn)行加密處理，從而保證框架結(jié)構(gòu)柱的抗震性能達(dá)到國家相關(guān)規(guī)定。對于非抗震要求，康佳結(jié)構(gòu)柱一般情況下其截面邊長應(yīng)該大于等于250mm；對于需要達(dá)到四級抗震要求的建筑結(jié)構(gòu)，其框架結(jié)構(gòu)柱的界面邊長需要大于等于300mm；對于要符合一到三級抗震要求的建筑結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)柱丶界面邊長要大于等于400mm。

4 框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的其他問題

4.1 現(xiàn)澆板的共同作用

在設(shè)計(jì)多層框架結(jié)構(gòu)建筑過程中，梁板整體現(xiàn)澆是廣泛采用的施工方法。這種方法使梁與板共同作用，一方面提高了框架梁的截面剛度，另外一方面也對梁端負(fù)彎矩承載能力進(jìn)行了提升。為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)可靠性，提升框架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)過程中在框架結(jié)構(gòu)建筑中采用現(xiàn)澆板施工技術(shù)是有效的措施。

4.2 梁端斜截面配筋調(diào)整

為了滿足“強(qiáng)剪弱彎”的規(guī)范要求，即在地震的作用下，讓框架梁的梁端斜截面所承受的剪承載力滿足規(guī)范要求，設(shè)計(jì)者可以再具體的設(shè)計(jì)工作中通過以下的措施實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)：控制梁端箍筋的直徑保持在合理范圍，并適當(dāng)增加2mm的直徑，這樣可以在加大梁的跨中受力鋼筋的同時(shí)不放大梁端負(fù)彎矩鋼筋，盡量不在支座處設(shè)置彎起鋼筋，最好讓箍筋承受支座剪力。

4.3 關(guān)于底層層高的問題

進(jìn)行底層計(jì)算時(shí)，層高應(yīng)該算到基礎(chǔ)頂面，即底層柱嵌固點(diǎn)處。在使用軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的過程中，如果計(jì)算層輸入為底層層高，會(huì)導(dǎo)致底層計(jì)算剛度小于實(shí)際剛度，其地震效應(yīng)會(huì)相比偏小，梁柱的配筋也會(huì)跟著變小，這樣勢必導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定。

5 框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原則

5.1 剛?cè)岵?jì)

剛?cè)岵?jì)的設(shè)計(jì)理念應(yīng)該融入到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路中去，剛性太強(qiáng)的結(jié)構(gòu)變形能力一般較差，當(dāng)結(jié)構(gòu)面對強(qiáng)大的瞬間破壞力時(shí)，由于較差的變形能力，容易導(dǎo)致局部損壞或全部受損；塑性較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)雖然可以很大程度上消減外力，但也容易由于較大的變形導(dǎo)致建筑整體傾覆。這些問題一直都是專家們研究爭論的焦點(diǎn)，目前我們只能參照規(guī)范給出的指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5.2 多道防線

安全的結(jié)構(gòu)體系需要設(shè)置層層的風(fēng)險(xiǎn)防范措施。當(dāng)危險(xiǎn)災(zāi)難來臨的時(shí)候，所有結(jié)構(gòu)通力合作來抵抗外力，這樣才能保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定以及安全。如果把抵御風(fēng)險(xiǎn)的希望都寄托在某一個(gè)部分上，是非常危險(xiǎn)的。例如框架剪力墻比純框架更安全、多肢墻壁單片墻更安全，這些就體現(xiàn)了多道防線的設(shè)計(jì)理念。

5.3 抓大放小

“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)剪弱彎”等名詞在框架結(jié)構(gòu)體系以及康結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中都是非常重要的定義。為什么每個(gè)構(gòu)建都有很強(qiáng)的應(yīng)力性反而不好，甚至?xí)癫匕踩[患？簡要來說，建筑結(jié)構(gòu)是由各個(gè)組成構(gòu)建交織在一起的，各個(gè)構(gòu)件所承擔(dān)的任務(wù)也有很大的區(qū)別。當(dāng)然也會(huì)有不同輕重的重要性。但是每個(gè)構(gòu)建存在的目的都是在不可預(yù)料的外力來襲時(shí)抵抗外力來保護(hù)重要構(gòu)建不收破壞所存在的，這時(shí)候通過犧牲某個(gè)構(gòu)件這個(gè)措施來達(dá)到保護(hù)重要構(gòu)件的目的就顯得尤為重要。在框架結(jié)構(gòu)中，柱的損壞一定會(huì)引起梁的損壞。但梁斷或者受損并不一定會(huì)導(dǎo)致柱的損壞。由此可見，柱在鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中屬于關(guān)鍵構(gòu)件。所以為了保證柱能堅(jiān)持到最后一秒，設(shè)計(jì)者應(yīng)刻意將梁設(shè)計(jì)成薄弱的部分，讓結(jié)構(gòu)體系受到破壞力沖擊時(shí)，梁首先遭到破壞吸收能量，保證柱不受到順滑，以達(dá)到最大限度減少可能出現(xiàn)的損失。

5.4 打通關(guān)節(jié)

渾然一體不存在任何關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)體系是理想的機(jī)構(gòu)體系。這樣的結(jié)構(gòu)體系中，外力可以得到有效的傳遞和消減。設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過程中要做的就是盡可能的減少或打通各個(gè)組件之間的關(guān)節(jié)，是力量在各個(gè)關(guān)節(jié)中暢通傳導(dǎo)。

6 結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國建筑行業(yè)也有著突飛猛進(jìn)的發(fā)展。設(shè)計(jì)理念、思路、方法也在不斷地更新。多層建筑設(shè)計(jì)中采用框架結(jié)構(gòu)，可以讓設(shè)計(jì)師靈活地對建筑平面布置進(jìn)行設(shè)計(jì)，也為大空間設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持。本文就是對設(shè)計(jì)過程中框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及的基本理念以及要點(diǎn)的一些闡述，希望這些理念能給各位同行在今后的設(shè)計(jì)工作提供新的思路，以提升我們的工作效率。