高層建筑框架梁限額設(shè)計(jì)

吳延珍 王振杰 謝進(jìn)全 馬振

摘 要：本文從經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，按照限額設(shè)計(jì)的要求，基于高層建筑理想計(jì)算模型，討論結(jié)構(gòu)側(cè)移特征，分析高層建筑最大層間位移出現(xiàn)的位置，提出“梁配筋圖歸并以樓層層間位移相近為原則”的歸并理念，對(duì)施工圖審查設(shè)計(jì)和施工有一定的參考價(jià)值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞：側(cè)移特征；最大層間位移；限額設(shè)計(jì)

THE QUOTA DESIGN OF HIHG-RISE BUILDING RC BEAMS

Wu Yanzhen1 Wang Zhenjie 1 Xie Jinquan1 Ma Zhen2

（1.Planning and Architectural Design Research Institute； 2.Qingdao Technological University， Qingdao 266001， China）

Abstract： This paper focusing on the economy of the structure， is always under the guidance of the quoted design. Based on ideal calculating model of high-rise building， structure lateral displacement characteristics is discussed. The author analysis position of the most story drift of high-rise building， and suggested merging idea that merging of reinforcement of RC beams is based on the similar interlaminar displacement， which are valuable to working drawing examination， designing and construction.

Key words： Lateral displacement characteristics； Most story drift； Quota design

1.問(wèn)題提出

所謂限額設(shè)計(jì)，是指在保證各專業(yè)達(dá)到使用功能的前提下，按照房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)商分配的投資限額控制施工圖設(shè)計(jì)，嚴(yán)格控制不合理的設(shè)計(jì)變更，確保總投資不被突破。國(guó)內(nèi)研究表明，工程設(shè)計(jì)費(fèi)占工程全部費(fèi)用的比重不到1%，但對(duì)工程造價(jià)的影響程度卻高達(dá)75%，因此，房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)商紛紛提出限額設(shè)計(jì)的要求。

但是，有些設(shè)計(jì)人員的經(jīng)濟(jì)意識(shí)淡薄，單純按“安全適用、技術(shù)先進(jìn)”的目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，忽視“經(jīng)濟(jì)合理”的設(shè)計(jì)要求，無(wú)法滿足開(kāi)發(fā)商限額設(shè)計(jì)的要求。比如，一幢18層的純剪力墻結(jié)構(gòu)民用住宅，有些設(shè)計(jì)人員把3-18層的梁配筋圖歸并為同一張施工圖，也有些設(shè)計(jì)人員每隔三層歸并為一張梁配筋施工圖，沒(méi)有掌握科學(xué)合理的歸并方法，造成不必要的浪費(fèi)。

限額設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，本文從一個(gè)側(cè)面入手，以高層建筑框架梁歸并問(wèn)題為著眼點(diǎn)，分析高層建筑水平位移的變形特點(diǎn)，探討水平位移與框架梁配筋的關(guān)系，提出科學(xué)合理框架梁配筋歸并方法，協(xié)調(diào)“安全適用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理”三者矛盾，做好限額設(shè)計(jì)。

2.高層建筑水平位移的變形特點(diǎn)

2.1 理想計(jì)算模型

將高層建筑視為一根豎直放置嵌固于基礎(chǔ)的開(kāi)孔、帶橫肋的巨型空間構(gòu)架式懸臂梁，假定水平風(fēng)荷載和水平地震作用沿建筑物的豎向分布呈倒三角形分布，如圖1所示。

圖1 理想計(jì)算模型

2.2 基于理想計(jì)算模型的高層建筑變形分析

（1）彎曲側(cè)移變形

由結(jié)構(gòu)力學(xué)，懸臂梁任一高度x處的彎矩為：

（1）

由 以及邊界條件，令 ，可得任意截面處的位移為：

（2）

（2）剪切側(cè)移變形

由結(jié)構(gòu)力學(xué)，懸臂梁任一高度x處的剪力為：

（3）

由 以及邊界條件，可得任意截面處的位移為：

（4）

2.3 基于理想計(jì)算模型的高層建筑最大層間位移位置的確定

由（2）式和（4）式對(duì)x連續(xù)求二階導(dǎo)數(shù)，分別有：

彎曲變形

剪切變形

對(duì)于豎向懸臂梁彎曲側(cè)移變形模式，當(dāng) 時(shí)， ，此時(shí) 達(dá)最大值，即最大層間水平位移發(fā)生在頂層。

對(duì)于豎向懸臂梁剪切側(cè)移變形模式，當(dāng) 時(shí)， ，此時(shí) 達(dá)最大值，即最大層間水平位移發(fā)生在底層。

2.4 高層建筑最大層間位移位置的確定

對(duì)于一般的高層建筑結(jié)構(gòu)，其在水平荷載作用下的側(cè)移變形大都介于彎曲型和剪切型之間，其最大層間相對(duì)水平位移大都在 上下的樓層，圖3為PKPM空間結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)純剪力墻層間位移的計(jì)算結(jié)果。

3.高層建筑水平位移與框架梁配筋之間的關(guān)系

3.1 水平位移的構(gòu)成要素

水平荷載作用下的位移，通常由三部分構(gòu)成：（1）樓層的整體剪切位移；（2）結(jié)構(gòu)整體彎曲變形產(chǎn)生的側(cè)移；（3）基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)位移。其中，樓層的整體剪切位移由樓層剪力引起，結(jié)構(gòu)整體彎曲變形產(chǎn)生的側(cè)移由水平荷載產(chǎn)生的傾覆力矩引起，而基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)位移由地基變形引起的結(jié)構(gòu)整體剛性轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的位移。

3.2 各構(gòu)成要素對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

對(duì)于高層建筑來(lái)說(shuō)，基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生樓蓋的整體傾斜，下部樓層剛性轉(zhuǎn)動(dòng)所引起的位移對(duì)本層結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形并不產(chǎn)生直接影響，因此，直接引起結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形的是本層構(gòu)件所發(fā)生的整體剪切位移和結(jié)構(gòu)整體彎曲變形產(chǎn)生的側(cè)移。

3.3 高層建筑水平位移與框架梁配筋之間的關(guān)系

由結(jié)構(gòu)力學(xué)基本理論，在樓層抗側(cè)剛度一定的情況下，樓層發(fā)生的層間剪切位移越大，樓層層間剪力越大，墻端或柱端的彎矩越大，那么與墻或柱相連的框架梁彎矩就越大，梁配筋就越大。同樣，在樓層抗彎剛度一定的情況下，樓層發(fā)生的層間轉(zhuǎn)角越大，墻端或柱端的彎矩越大，那么與墻或柱相連的框架梁彎矩就越大，梁配筋就越大。

4.框架梁配筋的歸并方法

4.1歸并方法

高層建筑框架梁的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)摒棄底部加強(qiáng)區(qū)以上每隔三層歸并為一張梁配筋施工圖的做法，應(yīng)本著“梁配筋圖歸并以樓層層間位移相近為原則”的歸并理念，根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)整體分析的計(jì)算結(jié)果，確定最大層間位移出現(xiàn)的位置，分析各樓層層間位移的數(shù)據(jù)，以最大層間位移出現(xiàn)的位置為基點(diǎn)，把層間位移相近的樓層歸并為同一層，從而最終確定框架梁配筋圖歸并方案，以優(yōu)化配筋，做到限額設(shè)計(jì)。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

某18層鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)民用住宅，20層，各層層高為3m，結(jié)構(gòu)總高度為60m，地震烈度為0.15g，設(shè)計(jì)地震分組為一組，經(jīng)PKPM三維空間計(jì)算程序的分析計(jì)算，其第4層的層間位移為1.84mm，該樓層的框架梁用鋼量為4.032t，第7層的層間位移為2.30mm， 該樓層的框架梁用鋼量為4.654t，顯然，若將第4層和第7層的梁配筋歸并為同一層，就相當(dāng)于把第4層的框架梁用鋼總量放大15%，造成不必要的浪費(fèi)。

5.結(jié)論

本文以豎向懸臂梁為計(jì)算模型，建立高層建筑水平側(cè)移方程，利用數(shù)理方法確定最大層間位移的位置，分析高層建筑水平位移與框架梁配筋之間的關(guān)系，提出“梁配筋圖歸并以樓層層間位移相近為原則”的歸并理念，通過(guò)某一具體工程的經(jīng)濟(jì)效益分析，框架梁用鋼總量可以節(jié)省15%，經(jīng)濟(jì)效益明顯，對(duì)工程設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值和借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

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【文章編號(hào)】1627-6868（2016）01-0068-02

【作者簡(jiǎn)介】吳延珍，男，國(guó)家一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師，院長(zhǎng)，主要從事抗震理論分析與減震、隔震的研究。