淺談民用建筑多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王明才

（重慶電力設(shè)計(jì)院重慶400000）

淺談民用建筑多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王明才

（重慶電力設(shè)計(jì)院重慶400000）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和房地產(chǎn)市場取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。城市住房建筑的多樣化趨勢，以及城市住房建筑施工技術(shù)的提升，使得多層框架房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)這種新型設(shè)計(jì)方式在商品房開發(fā)中被普遍的運(yùn)用。本文著重分析了對多層框架房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容，并以多層混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例分析優(yōu)化方法。

民用建筑；多層框架；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 引言

隨著社會的不斷發(fā)展與進(jìn)步，我國的建筑行業(yè)也日益壯大起來，其對建筑造型和功能的要求也越來越高，框架結(jié)構(gòu)是當(dāng)下建筑較為流行的一種結(jié)構(gòu)模式，被人們在民用建筑中廣泛使用，這里將民用建筑的多層框架作為描述的對象，談?wù)撛摻Y(jié)構(gòu)的諸多影響因素，同時(shí)在文章中說明柱子和梁的面積，鋼筋以及裂縫寬度的改造方式，將建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與建筑的穩(wěn)定性相結(jié)合。

2 多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容

2.1 確立多層框架結(jié)構(gòu)類型

在當(dāng)前的多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對于多層框架結(jié)構(gòu)的類型選擇不當(dāng)是建筑物出現(xiàn)問題的主要因素之一，由于設(shè)計(jì)者沒有結(jié)合施工現(xiàn)場的實(shí)際情況選擇合適的框架結(jié)構(gòu)，往往會引發(fā)多種災(zāi)難性事故。比如，近期經(jīng)常發(fā)生的房屋地基的不均勻沉降問題就是其中之一。在多層框架房屋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，地基傾斜狀態(tài)下的敏感程度是影響多層框架結(jié)構(gòu)的因素之一。對于上述問題，設(shè)計(jì)者需要借助計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。①對板跨的厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)，單向板的取值范圍大約為短向板跨的0.028～0.03倍之間；雙向板的取值范圍大約為短向板跨的0.023～0.025倍之間。在這個(gè)基礎(chǔ)上，結(jié)合撓度、裂縫等相關(guān)系數(shù)合理搭配鋼筋，選擇板值；②利用計(jì)算軟件分析出梁截面參數(shù)以及柱截面參數(shù)，梁截面的寬度和高度區(qū)間應(yīng)在跨度的[0.3，0.5]倍和[0.1，0.67]倍之間選?。虎塾?jì)算多層框架結(jié)構(gòu)的荷載承載力值，這需要利用中國建筑科學(xué)研究院PKPMCAD工程部編制的“多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計(jì)軟件”SATW進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)整體計(jì)算，主要計(jì)算和分析的參數(shù)包括：樓面荷載、柱節(jié)點(diǎn)荷載、梁上荷載以及風(fēng)載在內(nèi)的相關(guān)荷載參數(shù)；④確定合理的多層框架結(jié)構(gòu)類型，所選擇的結(jié)構(gòu)類型必須在合理的自振周期內(nèi)，確保共振的穩(wěn)定。

2.2 多層框架結(jié)構(gòu)房屋荷載取值

荷載主要是指施加在工程結(jié)構(gòu)上使工程結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件產(chǎn)生效應(yīng)的各種外力及其他因素。多層框架房屋結(jié)構(gòu)大都是柱下獨(dú)立基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方式，柱下獨(dú)立基礎(chǔ)根據(jù)其受力性能主要分軸心受壓基礎(chǔ)、偏心受壓基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括基礎(chǔ)形式、埋置深度、底面尺寸、基礎(chǔ)高度、底板配筋計(jì)算等。在抗震要求方面，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）中的相關(guān)規(guī)定：地基主要受力范圍內(nèi)不存在軟弱粘性土層時(shí)（軟弱粘性土層地基承載力特征值分別小于80kPa、100kPa和120kPa），房屋層數(shù)在8層以內(nèi)并且高度在24m以下的建筑可以不進(jìn)行天然地基及基礎(chǔ)的抗震承載力驗(yàn)算。但是這些房屋在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮風(fēng)荷載對建筑本身造成的影響。在進(jìn)行荷載取值設(shè)計(jì)過程中，必須輸入風(fēng)荷載，確保除地震區(qū)高層建筑以外的一般工業(yè)和民用建筑荷載取值正確、合理。此外，在多層框架房屋獨(dú)立基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過程中，如果基礎(chǔ)頂面外荷載設(shè)計(jì)值取值不合理，不僅會造成建筑材料的浪費(fèi)，還將會直接影響多層建筑結(jié)構(gòu)的安全性。

2.3 調(diào)整框架梁裂縫寬度、斜截面配筋

在對框架梁的裂縫寬度進(jìn)行驗(yàn)算時(shí)，對于裂縫寬度所受的影響的因素以及調(diào)整的方式常被工程設(shè)計(jì)人員所忽視，因此，給予這方面足夠的重視。通常，對裂縫的寬度產(chǎn)生影響的因素主要有兩方面：①構(gòu)件的混凝土的強(qiáng)度的等級；②鋼筋的級別以及直徑。由于混凝土等級跟鋼筋的級別之間存在著一定的“依賴關(guān)系”，所以，對于普通的混凝土構(gòu)件而言，高等級的混凝土對于減小梁的裂縫寬度并不會產(chǎn)生較大的影響。通常情況下，為了有效減小梁的裂縫寬度，可以適當(dāng)?shù)脑黾恿旱呐浣盥驶蛘咴龃罅旱慕孛娉叽纭４送?，值得注意的是，在利用?jì)算機(jī)輔助軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模中的荷載輸入時(shí)，一定要將恒、活載數(shù)值分開輸入，以便進(jìn)行內(nèi)力組合和裂縫寬度的計(jì)算，不要貪圖省事而將恒、活載合并輸入，以防止梁、柱內(nèi)力計(jì)算錯誤，致使所繪制的施工圖不能使用。

3 以多層混凝土框架結(jié)構(gòu)為例分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法

3.1 多層混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中梁、柱截面的確定

在多層混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)根據(jù)相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)對梁、柱的截面尺寸進(jìn)行初步擬定，在初步擬定時(shí)應(yīng)盡可能使柱的線剛度與梁的線剛度之比大于1.0，使其滿足強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要求。在初步擬定梁、柱的截面尺寸并經(jīng)PKPM軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算后，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理：①梁的裂縫寬度大于0.3或梁超配筋或梁的撓度值大于了允許值；柱超配筋或柱的軸壓比超限等，若出現(xiàn)上述情況，應(yīng)提高混凝土的標(biāo)號或提高鋼筋的強(qiáng)度等級或放大梁柱的截面尺寸，再進(jìn)行試算；②對于部分梁、柱的構(gòu)造配筋，可根據(jù)柱的軸壓比和梁的裂縫寬度適當(dāng)減小梁、柱截面尺寸后再進(jìn)行試算；③當(dāng)梁、柱截面尺寸在計(jì)算后均滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，應(yīng)對梁、柱的配筋率進(jìn)行仔細(xì)的審查，以保證設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

3.2 多層混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中梁、柱的配筋

在對多層混凝土框架結(jié)構(gòu)梁進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)時(shí)，框架結(jié)構(gòu)梁的縱向鋼筋的配筋率應(yīng)控制在0.5～1.5%之間，在保持一定的配筋率時(shí)，可選用直徑較小的鋼筋，以增加混凝土的握裹面積，減小梁的裂縫寬度。在地震作用下，為了達(dá)到強(qiáng)剪弱彎的要求，應(yīng)使梁端的斜截面受剪承載力大于正截面的受彎承載力。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可將梁端的負(fù)彎矩乘以0.85～1.0的系數(shù)，且將梁中的正彎矩乘以1.1～1.3的系數(shù)，同時(shí)還可以將梁端箍筋直徑增加2mm。在進(jìn)行多層混凝土框架結(jié)構(gòu)柱的配筋設(shè)計(jì)時(shí)，為滿足抗震的強(qiáng)柱弱梁要求，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)?shù)脑龃笾臉?gòu)造配筋而適當(dāng)減小梁的構(gòu)造配筋，由此可見，框架結(jié)構(gòu)的柱承擔(dān)了更大的荷載，以達(dá)到梁的設(shè)計(jì)強(qiáng)度小于柱的強(qiáng)度的效果。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，使梁的破壞發(fā)生在柱破壞之前，以減少損失。所以在進(jìn)行點(diǎn)算時(shí)，參數(shù)的調(diào)整十分重要，對框架結(jié)構(gòu)的縱向構(gòu)造鋼筋的配筋結(jié)果乘以1.2～1.6的系數(shù)，以滿足要求。

3.3 其他

3.3.1 梁、柱中心線重合的問題

在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)計(jì)的梁、柱中心線必須保持完全重合的關(guān)系，若在設(shè)計(jì)時(shí)兩者中心線的位置關(guān)系發(fā)生了變動，在對框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，就必須將梁、柱節(jié)點(diǎn)在偏心作用下的受力進(jìn)行全面的分析。如果兩者的中心線產(chǎn)生的偏心距大于梁寬度的25%，必須對其進(jìn)行科學(xué)合理的調(diào)整和處理，以保證設(shè)計(jì)達(dá)到相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和要求?？紤]到多層混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震作用，若梁、柱中心線之間的偏心距大于柱體寬度的25%，在梁、柱的節(jié)點(diǎn)位置便會出現(xiàn)斜向裂縫和豎向裂縫，降低了建筑工程的質(zhì)量和性能，并對框架結(jié)構(gòu)的外觀造成不利影響。針對以上的問題，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際的工程情況進(jìn)行相應(yīng)的處理，確保整個(gè)建筑工程的質(zhì)量和功能。

3.3.2 多層混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的短柱問題

在多層混凝土框架結(jié)構(gòu)中，其柱端存在一定的彎矩M和剪力V。在設(shè)計(jì)過程中，柱的長短是根據(jù)柱的剪跨來確定的，其中剪跨比的計(jì)算公式為：

λ=M/Vh0

式中：λ為剪跨比；M為彎矩；V為剪力；h0為柱與彎矩水平方向上柱截面的有效高度。

當(dāng)λ≤1.5時(shí)，該柱為極短柱；當(dāng)1.5＜λ≤2時(shí)，該柱宜按照短柱計(jì)算；當(dāng)λ＞2時(shí)，該柱為長柱。相關(guān)試驗(yàn)表明極短柱易發(fā)生剪切斜拉破壞，短柱常發(fā)生剪切破壞，短柱的破壞為脆性破壞，直接影響著框架結(jié)構(gòu)的質(zhì)量；而長柱一般發(fā)生彎曲破壞，對框架結(jié)構(gòu)的功能及外觀造成一定的影響。需要特別注意的是在多層混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常常由于樓梯間休息平臺高矮不同或樓層層高不同等原因，難免會把某一層的柱設(shè)計(jì)成短柱形式。所以在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)對這些短柱的受力情況進(jìn)行全面分析，保證其安全性。

3.3.3 雙向梁、柱抗側(cè)力體系的布置問題

多層混凝土框架結(jié)構(gòu)在施工過程中需要承受水平方向和垂直方向的荷載，所以在進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)為了進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量，必須設(shè)置雙向的梁、柱支撐體系，且這個(gè)體系能夠具備較好的抗側(cè)力能力。除此之外，側(cè)向支撐體系的剛度需要通過一定的計(jì)算來確定，以保證建筑工程在各個(gè)不同的方面都能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

綜上所述，隨著建筑工業(yè)的不斷發(fā)展，多層框架房屋結(jié)構(gòu)的適用范圍和建筑設(shè)計(jì)理念已經(jīng)成為相關(guān)領(lǐng)域研究的熱門課題。雖然在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，多層框架房屋要比高層結(jié)構(gòu)相對簡單，但是一些細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)仍需注意，例如荷載取值、基礎(chǔ)拉梁設(shè)計(jì)、框架結(jié)構(gòu)梁、帶樓電梯小井設(shè)計(jì)等問題。因此只有不斷加強(qiáng)熟悉和研究多層框架房屋結(jié)構(gòu)的特性，完善多層框架房屋的設(shè)計(jì)方案，減少和避免各類事故和隱患的存在，推動我國多層框架房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的前進(jìn)。

[1]郭旗.淺談鋼筋混凝土多層框架房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].中國房地產(chǎn)業(yè)：理論版，2012（6）：276.

[2]武猛.試析民用建筑的多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].建材與裝飾，2013（3）：1～2.

[3]楊學(xué)輝，呂霖霖.民用建筑多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注意的問題[J].中國科技投資，2013（A35）：46.

TU375.4

A

1004-7344（2016）28-0331-02

2016-9-17

王明才（1963-），男，工程師，大專，主要從事土建設(shè)計(jì)工作。