探討大跨度框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題

馬俊林

（云南省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院， 云南 昆明 650000）

0 引言

隨著我國現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)建筑對于設(shè)計(jì)的要求日益提高。現(xiàn)如今的工業(yè)類建筑因工藝的需求，大跨度框架較多，但大跨度框架建筑本身在施工過程中難度較大，框架節(jié)點(diǎn)復(fù)雜、樓板局部分布不均、不具有連續(xù)性等不利問題會影響到具體的建筑施工。因此需要設(shè)計(jì)者和施工方的高度重視大跨度框架的建筑設(shè)計(jì)。現(xiàn)階段部分設(shè)計(jì)者在保證大跨度框架結(jié)構(gòu)安全的情況下，充分發(fā)揮材料建筑設(shè)計(jì)的材料，結(jié)合具體的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)算方式。在大跨度框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，施加了預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)，形成預(yù)應(yīng)力大跨度框架結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)大跨度框架結(jié)構(gòu)的剛性和承載力。但是預(yù)應(yīng)力大跨度框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中會存在壓彎構(gòu)件彎曲變形問題以及應(yīng)力對于強(qiáng)度穩(wěn)定性影響的問題，都是需要在設(shè)計(jì)過程中亟待解決的。因此本文結(jié)合實(shí)際案例，以某工程廠房的大跨度框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例入手，結(jié)合大跨度框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的常見問題，從工地實(shí)地的條件、抗震等級、荷載取值等角度分析建筑大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案，對于設(shè)計(jì)中存在不合理的問題進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，從而推動(dòng)我國建筑行業(yè)更好的發(fā)展。

1 大跨度框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

我國目前的建筑施工過程中，常見的大跨度框架結(jié)構(gòu)需要具備一定的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和要求，依據(jù)建筑物的使用功能，選擇不同的結(jié)構(gòu)框架類型?，F(xiàn)階段大跨度框架結(jié)構(gòu)包括轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)和折梁結(jié)構(gòu)。

1.1 轉(zhuǎn)化梁結(jié)構(gòu)

所謂的轉(zhuǎn)化梁結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用過程中，通常都會在建筑的檐口高度設(shè)置一個(gè)全面系統(tǒng)的工作模式。在設(shè)計(jì)過程中會在量化結(jié)構(gòu)，建立起有效的支撐力。這種結(jié)構(gòu)通常是用斜板將應(yīng)力傳遞給斜坡所展開的工作模式，通過斜坡傳遞給框架柱和結(jié)構(gòu)柱。在工作過程中通過加大梁上柱荷載，可以做好對結(jié)構(gòu)柱的框架設(shè)計(jì)。該方案在計(jì)算過程中通常計(jì)算簡單，且在實(shí)際工作中不用考慮截面問題。需要依據(jù)具體的力學(xué)模型在一定的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算，但轉(zhuǎn)化梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中存在的問題在于經(jīng)濟(jì)性較差，需要耗費(fèi)大量的成本。

1.2 折梁結(jié)構(gòu)

針對建筑施工中常見的框架結(jié)構(gòu)中的折梁結(jié)構(gòu)，通常指的是在橫向布置一個(gè)跨度較大的折梁結(jié)構(gòu)，可以將折梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力直接傳遞給上方的屋面。但由于實(shí)際設(shè)計(jì)過程中折梁的跨度應(yīng)用較大的截面，這就導(dǎo)致設(shè)計(jì)中存在了荷載傳遞較差的一種工作模式。這種模式在設(shè)計(jì)過程中缺少對于空間整體作用的考量，需要依據(jù)框架具體的結(jié)構(gòu)來進(jìn)行設(shè)計(jì)，還要結(jié)合具體的框架結(jié)構(gòu)受力考慮到除了彎距壓力之外，還有軸向壓力。所以在計(jì)算的過程中，要全面的對于受力問題進(jìn)行考量。

2 大跨度框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題

當(dāng)前工業(yè)類建筑中為滿足生產(chǎn)工藝的需求，廣泛應(yīng)用大跨度框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。但大跨度框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在施工難度大、樓板局部不連續(xù)等問題，需要采取合理的設(shè)計(jì)方案，通過對設(shè)計(jì)中存在的弊端進(jìn)行分析，找出大跨度框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的薄弱位置，加強(qiáng)構(gòu)造措施來增加建筑對不可預(yù)見破壞因素的抵抗力。本次設(shè)計(jì)是結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目案例出發(fā)，選擇某工廠的大跨度框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。如：某廠房是三層框架結(jié)構(gòu)，擁有大型的工藝設(shè)備，部分?jǐn)?shù)據(jù)之間的位置設(shè)置是 20米，屬于大跨度框架設(shè)計(jì)需求?；凇督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)文件規(guī)定的要求顯示，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中大跨度框架指代的是跨度大于或等于18米為大跨度框架。該項(xiàng)目所在地的廠房建筑總高度21米，采取YJK軟件建模的設(shè)計(jì)模式，依據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)要求。結(jié)合廠房具體參數(shù)輸入四級抗震模式，在一定參數(shù)模式下修改抗震等級為二級，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中存在部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題急需解決。

2.1 大跨度框架梁鋼筋擁擠

上述案例中大跨度框架結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)過程中，二樓是大型的設(shè)備，荷載力較大，需要框架承擔(dān)較大的荷載。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)師的框架梁寬取為300毫米，在考慮到梁配筋需求尺寸大的情況下，設(shè)計(jì)師需要制作600毫米梁寬，具體的柱子截面尺寸為柱子截面尺寸為800mm×800mm，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過程中，需要結(jié)合大跨度框架的需求，結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)鋼筋節(jié)點(diǎn)進(jìn)行鋼筋的擺布，在實(shí)際擺布過程中不能太密[1]。但該工程設(shè)計(jì)過程中制作的附件太密、近距太小，這就導(dǎo)致實(shí)際施工時(shí)會存在振搗問題。除此之外由于該廠房設(shè)計(jì)師對于大跨度框架設(shè)計(jì)采取的是用豎向加腋的方式，致使底部鋼筋太多，無法綁扎，需要設(shè)計(jì)者根據(jù)具體的規(guī)定按照一定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，解決鋼筋擺布太密的問題。

2.3 短柱問題

大跨度框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，由于柱的凈高與平行水平方向的截面高度存在小于四差距，被稱為短柱。一般來說短柱在水平力的作用下會承擔(dān)較大的剪力，但是大跨度框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中會容易發(fā)現(xiàn)脆性的剪切破壞，使得短柱的延性降低，而且抗震性減弱。因此在設(shè)計(jì)過程中需要依據(jù)具體的設(shè)計(jì)短柱要求，沿柱高進(jìn)行加密。畢竟短柱受到的承載力較低，延性差的問題很容易在地震時(shí)產(chǎn)生脆性破壞，進(jìn)而引發(fā)整體結(jié)構(gòu)。

2.4 荷載大

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中廠房地面的設(shè)備荷載較大，而且還會配備相應(yīng)的管道吊掛荷載和噴淋荷載，樓面荷載是保證模型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。需要設(shè)計(jì)者結(jié)合大跨度框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和地基部分，充分考慮到設(shè)計(jì)的承受能力和影響承受能力等多種因素。但是往往在大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)者缺少對于地基部分進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訉?，同時(shí)缺少基礎(chǔ)底面積和承受能力影響因素的考量，沒有對于基礎(chǔ)地基進(jìn)行加固處理。設(shè)計(jì)者缺少結(jié)合大跨度的框架結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土的。牢固性加固的考量，致使基地的附加應(yīng)力較低，很難保證工廠大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性。

3 大跨度框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)建議

大跨度框架結(jié)構(gòu)的樓板即使豎向的受力構(gòu)件優(yōu)勢水平的受力構(gòu)件，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中需要充分考慮到樓面荷載力大的問題。采取加厚樓板、雙層雙向配筋和加大配筋等方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)在設(shè)計(jì)過程中要結(jié)合大跨度框架梁鋼筋擁擠、短柱和等效荷載問題進(jìn)行解決。

3.1 依據(jù)工程規(guī)范合理分配大跨度框架梁鋼筋

結(jié)合上述某工廠的實(shí)踐案例，在大跨度框架結(jié)構(gòu)的梁設(shè)計(jì)過程中需要全面掌握具體的設(shè)計(jì)文件和圖紙。設(shè)計(jì)師依據(jù)“強(qiáng)柱弱梁”的原則在設(shè)計(jì)過程中依據(jù)文件規(guī)范和審查施工等組織設(shè)計(jì)，依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》6.3.3條規(guī)定,梁端頂面和底面鋼筋比值有限值要求[2]。同時(shí)要考慮到配筋問題，加強(qiáng)對于水平荷載的控制。因?yàn)樗胶奢d對于建筑結(jié)構(gòu)傾覆力矩，以及豎向構(gòu)件引起的軸力和建筑高度平方成正比。大跨度框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中風(fēng)的作用力較大，屋面結(jié)構(gòu)荷載會傳給軸向總力。因此設(shè)計(jì)者需要加大對于頂層邊柱的配筋量，同時(shí)要充分考慮到具體設(shè)計(jì)中梁配筋過密的問題。針對框架梁與外挑梁斷層尺寸之間存在的差距，將框架梁的主筋向外挑梁進(jìn)行延伸。在實(shí)際施工過程中，通過對于鋼筋中密集問題進(jìn)行區(qū)分，可以適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行箍筋，避免將次梁搭建在主梁支柱附近，使得大跨度框架梁鋼筋結(jié)構(gòu)擁擠，導(dǎo)致施工質(zhì)量不能保證，節(jié)點(diǎn)抗震性不強(qiáng)。實(shí)際施工過程中，施工者可以充分考慮到端梁豎向加腋的方式，使梁柱的接觸面積不斷增大，從大跨度框架結(jié)構(gòu)整體的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)域增強(qiáng)承載力，減少箍筋用量。同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮到受力鋼筋節(jié)點(diǎn)，利用塑形鉸使得大跨度框架各處之間的柱端距離加大。同時(shí)在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，主義頂層邊柱的配筋量，箍筋要盡量使用螺旋箍進(jìn)行箍筋，地下方柱應(yīng)使用井字箍，按照具體的設(shè)計(jì)需求進(jìn)行加密，增強(qiáng)大跨度框架的抗震性能，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁。

3.2 避免短柱問題

大跨度框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中由于跨度較大，所以設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮到聯(lián)系梁以及布置短柱連接高度較大的姑娘，同時(shí)要充分考慮到部分短柱的出現(xiàn)，解決設(shè)計(jì)過程中短柱問題。通常情況下，在大跨度框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，短柱的出現(xiàn)會使延性很差、抗震能力不良。大跨度框架設(shè)計(jì)時(shí)可以采取部分特殊的措施，如需按照柱身箍筋、柱高加密的方式，通過柱身箍筋不僅可以抵抗剪力，還可以針對核心砼起到約束作用，以此來改善抗壓承載力和變形性能，能夠更大程度上防止短柱中的主筋壓屈。結(jié)合該工廠的大跨度框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員需要嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行箍筋的配置，增加耗能能力。在設(shè)計(jì)模型時(shí)，要充分考慮到剪力墻的荷載通常情況下設(shè)計(jì)模型不能對短柱形成的情況進(jìn)行判斷，所以需要設(shè)計(jì)人員結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際設(shè)計(jì)狀況進(jìn)行認(rèn)真判斷。同時(shí)要注重短柱的軸壓比限值需要滿足具體建筑工程設(shè)計(jì)的需求，在樓梯間以及墻面不砌至板底時(shí)時(shí)或有夾層的情況下，很容易形成短柱。在廠房設(shè)計(jì)過程中每層層高為7.5米，標(biāo)高是4.2米就存在著短柱問題，原因在于部分夾層使得柱凈高與截面柱截面比值Hn/h小于4[3]。

3.3 等效荷載

本次項(xiàng)目廠房設(shè)計(jì)的地面樓面設(shè)備多，因此設(shè)計(jì)者在大跨度框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，需要通過進(jìn)行等效荷載計(jì)算。按照內(nèi)力相等的原則將復(fù)雜的荷載進(jìn)行簡化，在實(shí)際計(jì)算的過程中，需要結(jié)合具體的車間設(shè)備以及荷載量進(jìn)行分析，選取一塊樓板，按照設(shè)備不利位置以及彎曲等效原則進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合具體計(jì)算要求，計(jì)算其等效活荷載為 6KN/m2,輸入相應(yīng)的模型。以同樣的方式進(jìn)行等效荷載的計(jì)算，設(shè)計(jì)者要充分考慮到框架節(jié)點(diǎn)，彎矩分配的系數(shù)[4]。合理的對于梁板進(jìn)行分配，解決荷載問題。如廠房自動(dòng)化設(shè)備每臺 1.5m×1.2m×2.0m,運(yùn)行荷載3.0噸,通過計(jì)算等效荷載，減少框架梁的截面高度，同時(shí)設(shè)計(jì)過程中，需要根據(jù)樓面的荷載力進(jìn)行分析和計(jì)算。

3.4 框架結(jié)構(gòu)的防震設(shè)計(jì)問題

大跨度框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最需要解決的就是防震問題，由于大跨度框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中廠房設(shè)備多荷載力大，所以防震效能較差，要做好防震準(zhǔn)備。在結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)時(shí)最好加入延性好的材料作為仿真材料的可選材料之一，可以使用鋼筋混凝土作為大跨度框架結(jié)構(gòu)的支撐材料。借助鋁合金、玻璃材質(zhì)設(shè)置為廠房樓面的墻體，同時(shí)對于樓面建筑可以采取鋼板和混凝土作為材料增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的減震效能。同時(shí)在大跨度框架結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)過程中，最常見的結(jié)構(gòu)體系便是剪力墻能夠以此來減少承重墻之外，墻體數(shù)量。使大跨度框架結(jié)構(gòu)中廠房所承受的壓力和負(fù)荷量減少，促使框架結(jié)構(gòu)本身的設(shè)計(jì)更具有科學(xué)性。優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)工作者在設(shè)計(jì)過程中可以進(jìn)一步使屋面的斜梁壓力降低，利用下弦拉練的方式對力進(jìn)行傳播途徑的改變，減少配筋的應(yīng)用量，使其減震效能可以更加提升。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文的研究結(jié)合實(shí)際案例，針對現(xiàn)如今應(yīng)用最廣泛的建筑結(jié)構(gòu)—大跨度框架結(jié)構(gòu)，實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢和應(yīng)用過程中存在的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)鋼筋擁擠、短柱、等效荷載等問題進(jìn)行了分析。包括從建筑設(shè)計(jì)的計(jì)算和構(gòu)造等方面進(jìn)行了深入的調(diào)研，以實(shí)際案例為主，提出了構(gòu)造控制的措施。希望借此可以使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師具有清晰的概念，學(xué)會正確判斷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不利部分，并開展針對性地設(shè)計(jì)，促使設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果可靠和構(gòu)造措施合理，設(shè)計(jì)出符合規(guī)范的建筑。