民用建筑框架結(jié)構(gòu)設計要點與應用

楊遠杯

（廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

0 引言

隨著我國社會建設的快速發(fā)展，城市化的進程也在不斷的推進。為了滿足人們的生活需要，提高人們的生活質(zhì)量，越來越多的民用建筑投入建設。在民用建筑設計中，得到最廣泛應用的結(jié)構(gòu)體系是框架結(jié)構(gòu)。雖然在吸取以往設計及工程經(jīng)驗教訓的情況下，我們對框架結(jié)構(gòu)的設計有長足的進步，但設計的不當還是會影響工程的施工質(zhì)量，給工程質(zhì)量留下安全隱患。因此把握框架設計的要點，提升設計質(zhì)量有利于建筑能夠安全建設使用。

1 框架結(jié)構(gòu)的特點

框架結(jié)構(gòu)是由梁和柱共同組成的框架來承受房屋全部荷載的結(jié)構(gòu)[1]?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點體現(xiàn)在以下3 個方面：①框架結(jié)構(gòu)建筑的墻體不作為承重構(gòu)件，僅發(fā)揮分隔及圍護的作用，因此可以采用輕質(zhì)材料或新型材料作為墻體，降低結(jié)構(gòu)自重。②因為墻體不承重，墻體能夠較靈活地布置，可以配合建筑要求圍合出適用的空間，也可以形成較大的空間滿足建筑使用功能。③采用現(xiàn)澆的混凝土框架，能夠使結(jié)構(gòu)有較好的整體性，并且在滿足要求的情況下可以根據(jù)建筑立面需求，把梁柱澆注成所需的截面形狀。主要缺點為：側(cè)向剛度小，不適合在超高層建筑中采用。因此提高抗側(cè)剛度和側(cè)向位移是框架結(jié)構(gòu)設計時需要重點考慮的因素。

2 框架結(jié)構(gòu)的設計要點

2.1 合理進行平面布置

“規(guī)則、對稱、均勻”是結(jié)構(gòu)平面布置遵循的基本原則，合理的結(jié)構(gòu)平面布局能夠加強建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而增強建筑的抗震性能。結(jié)構(gòu)的平面布置主要包括柱網(wǎng)的布置以及梁板的布置。柱網(wǎng)的布置要盡量均勻分布，滿足建筑使用功能的同時要考慮梁的跨度，在民用建筑中，一般采用的柱跨為6～10m。梁截面的尺寸不僅取決于它的跨度，也取決于建筑的立面效果，在考量框架梁截面時要清楚建筑是否對梁截面有限制要求。板的厚度一般取決于板塊的跨度，因此在梁板布置時也要注重次梁的布置。在布置次梁時，傳力路徑要明確且直接，盡量減短荷載從次梁到框架梁的傳遞路徑，保證傳力路徑簡潔且有效。在民用建筑，特別是公用建筑之中，建筑功能或許會因使用要求有所改變，因此墻體下設梁的原則不一定適用，因此在保證荷載滿足的情況下可采取十字或者井字的次梁布置方式。

2.2 合理設置變形縫

在結(jié)構(gòu)設計中，結(jié)構(gòu)布置的基本原則是規(guī)則、對稱、均勻。但是隨著建筑設計需求的提升以及建筑理念的創(chuàng)新，為了達到理想的效果，如今的建筑設計往往會采取不規(guī)則的平面布置，這讓結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則的問題尤為突出，主要表現(xiàn)為：樓面大開洞，樓板不連續(xù)，平面大凹進、平面超長以及豎向體型收進。對于此類問題，合理的設置變形縫顯得尤為重要，它可以將復雜的結(jié)構(gòu)體型劃分為若干個型體規(guī)則的單體，有效地減少應力集中、地震扭轉(zhuǎn)效應等導致的局部損壞發(fā)生。設置變形縫的原則如下：①設縫前應根據(jù)建筑平面布置進行整體分析。②變形縫宜設置在豎向體型收進引起兩側(cè)層數(shù)或?qū)痈呙黠@不一致的部位。③室外連廊以及類似的細腰部位宜設變形縫，若連廊為單跨結(jié)構(gòu)，設縫后宜附屬在相鄰主體結(jié)構(gòu)上。④應綜合考慮建筑使用功能，合理設置變形縫的位置。

2.3 基礎設計

基礎設計是結(jié)構(gòu)設計的重要環(huán)節(jié)，為了保證建筑結(jié)構(gòu)的安全質(zhì)量，要做好基礎的設計。基礎設計前應仔細閱讀地質(zhì)勘查報告，設計時要結(jié)合地質(zhì)狀況與上部結(jié)構(gòu)荷載，并且需要考慮經(jīng)濟性的原則，選擇合適的基礎類型。多層民用框架結(jié)構(gòu)在考慮經(jīng)濟效益的情況下，一般采用柱下獨立基礎或者條形基礎。設計時應該結(jié)合地質(zhì)資料確定持力層以及基礎埋深，充分考慮地基的承載能力以及地基的變形問題。樁基礎的承載力高，沉降量小，更適合在高層框架結(jié)構(gòu)中使用。樁基礎設計時應結(jié)合鉆孔資料，認真核算樁基的有效樁長以及承載力，保證設計的合理性，并且需要考慮施工偶遇問題的解決方案。

2.4 柱結(jié)構(gòu)設計

框架柱作為框架結(jié)構(gòu)的豎向受力構(gòu)件，將上部結(jié)構(gòu)所受的荷載傳遞到基礎，是框架結(jié)構(gòu)中最重要的構(gòu)件?？蚣苤O計中要注意以下3 個方面。

（1）控制框架柱軸壓比。軸壓比反映的是框架柱的受壓狀況，控制軸壓比能夠保證框架柱有更好的塑性變形能力，保證框架結(jié)構(gòu)有更好的延性，保證框架結(jié)構(gòu)有較好的抗震能力?？拐鸬燃壴礁?，對軸壓比的限制也越嚴格，當軸壓比不滿足規(guī)范限值時，主要調(diào)整方式有增大框架柱截面以及提高框架柱混凝土強度。在民用建筑特別是公用建筑中，設計人員要考慮到房間使用功能變化導致的荷載變化，使框架柱軸壓比在滿足要求的同時具有一定的富余度。

（2）角柱構(gòu)造加強。角柱是位于建筑平面的凸角部、與柱的正交兩個方向各只有一根框架梁與之相連接的框架柱[2]。在地震作用下，角柱在框架柱中會受到更大的扭轉(zhuǎn)剪力，在兩側(cè)框架梁的雙向彎矩作用下，扭轉(zhuǎn)效應的影響進一步加大。對此，為保證角柱的穩(wěn)定性，需要對角柱進行對稱配筋設計，在滿足計算配筋的同時還應該對角柱配筋適當加大，放大系數(shù)一般采用1.3～1.4。在抗震等級為一級以及二級的建筑結(jié)構(gòu)設計中，角柱箍筋需要全高加密。

（3）短柱構(gòu)造加強。當柱凈高與截面高度≤4 或剪跨度≤2 時，這種柱就稱為短柱[3]。短柱的剪跨比小，側(cè)向剛度大，在地震作用下吸收的地震力大，更容易受到破壞，影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與建筑的安全性。為了避免短柱脆性破壞的問題，筆者認為，首先需要正確判定短柱。因建筑功能所需設立的夾層或錯層、樓梯間的層間平臺梯梁等使柱子有效長度減小的情況都會形成短柱。對于結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的短柱，要加強其構(gòu)造措施，對其進行全高加密處理，提高短柱的抗剪承載力和延性，增強短柱的抗震性能。

2.5 梁結(jié)構(gòu)設計

結(jié)構(gòu)設計時應確保結(jié)構(gòu)受地震作用時梁端斜截面受剪承載力不低于正截面的受彎承載力[4]，通過放大梁端剪力設計值與加強梁端加密區(qū)箍筋，合理設計和配筋，滿足強剪弱彎的設計原則。

框架結(jié)構(gòu)設計中，梁端允許出現(xiàn)塑性鉸，設計人員可考慮塑性內(nèi)力重分布對框架梁端負彎矩進行調(diào)幅，調(diào)整梁跨中與支座的彎矩，充分發(fā)揮材料的能力，調(diào)幅系數(shù)一般取值為0.8～0.9。

民用框架結(jié)構(gòu)中常出現(xiàn)懸挑結(jié)構(gòu)。懸挑梁屬于靜定結(jié)構(gòu)，其根部一旦達到抗彎強度極限、出現(xiàn)塑性鉸，就會直接破壞，所以懸挑梁支座部位縱筋錨固至關重要[5]。在結(jié)構(gòu)計算時應充分考慮懸挑梁的載荷情況，對懸挑梁進行合理的配筋設計：①梁面縱向受力鋼筋應該按照計算確定，鋼筋伸入支座的長度滿足錨固需求，對于連續(xù)梁邊跨外伸的懸挑梁還應不小于縱筋外伸長度。②懸挑梁受壓縱筋一般為受壓構(gòu)造筋，但在考慮時豎向地震作用時，下部鋼筋可能受拉，需要按照計算結(jié)果配置足夠的鋼筋。

2.6 重視結(jié)構(gòu)計算

目前的結(jié)構(gòu)設計多會借助于結(jié)構(gòu)計算軟件，根據(jù)軟件的電算結(jié)果驗證結(jié)構(gòu)布置的合理性并進行截面確定、配筋等結(jié)構(gòu)設計。結(jié)構(gòu)計算軟件的正確運用，要求結(jié)構(gòu)工程師有清晰的結(jié)構(gòu)概念，能建立反映工程實際的計算模型[6]。在結(jié)構(gòu)模型計算前，要嚴格把控計算參數(shù)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)模型中，由于框架結(jié)構(gòu)墻體不承重，在模型里以線荷載的形式表達，而墻體實際會給建筑提供一定剛度，因此在整體計算時模型的剛度會偏小，周期偏大，地震作用效應也會相應偏小，結(jié)構(gòu)的安全儲備會降低。為了更貼合工程實際，需要根據(jù)填充墻的數(shù)量對模型進行周期折減，折減的參數(shù)一般為0.7～0.9。電算結(jié)果需要結(jié)合相應規(guī)范及行業(yè)標準，判斷其合理有效后才能應用于工程結(jié)構(gòu)設計。合理的計算模型與電算結(jié)果不僅可以保證結(jié)構(gòu)安全可靠，還能節(jié)約施工建設成本。

3 工程實例

3.1 工程概況

本工程為廣州某高校教學樓。地上9 層，無地下室，首層層高為5.5m，標準層層高為4.2m，結(jié)構(gòu)高度為39.1m。本工程設計結(jié)構(gòu)安全等級為二級，所在地區(qū)設防烈度為Ⅶ度，設計基本加速度為0.10g，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.35s，基本風壓為0.5kN/m2?？紤]教學樓需要較大開間以及本工程的結(jié)構(gòu)高度，采用框架結(jié)構(gòu)，框架抗震等級為Ⅱ級。

3.2 結(jié)構(gòu)分縫

建筑主體呈U 字形，西北側(cè)有單層的報告展廳，通過花架與主體相連接，層高為6m。根據(jù)設縫原則，同時為減少錯層引起的短柱，避免豎向剛度突變，減小地震力作用，將報告展廳與主體教學樓進行分縫處理，將建筑分為兩棟單體分別進行結(jié)構(gòu)設計，主體結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。

圖1 主體結(jié)構(gòu)YJK 模型

3.3 結(jié)構(gòu)布置

本建筑的主要柱跨為10m，框架柱按照房間布局及功能要求均勻分布。在保證結(jié)構(gòu)安全下，考慮工程經(jīng)濟性，柱截面和柱混凝土強度隨樓層逐漸減小。同時需要注意避免結(jié)構(gòu)剛度的突變，截面與混凝土等級不可在同一層同時降低。

根據(jù)柱跨，框架梁的截面普遍采用300×800。由于建筑立面有所要求，通過與建筑設計師溝通確定，外側(cè)框架梁梁高提高至900mm 或1000mm，在滿足建筑要求的同時，能夠提高框架的側(cè)向剛度，減小整體建筑的扭轉(zhuǎn)效應。

次梁布置時要主次分明，傳力路徑清晰。本工程在板塊內(nèi)通過布置平行次梁，將板塊分為面積均勻的單向板，滿足設計要求的同時能減小板厚，降低結(jié)構(gòu)自重。

3.4 結(jié)構(gòu)模型

本工程樓梯沒有設置彈性支座，采用現(xiàn)澆混凝土板式樓梯，因此需要考慮樓梯剛度對整體計算的影響，把樓梯建入結(jié)構(gòu)模型。通過計算模型對比發(fā)現(xiàn)，樓梯的剛度會顯著提高樓層的剪力，減小結(jié)構(gòu)的層間位移，樓梯周邊的梁柱配筋有所增加，若設計時不考慮樓梯剛度會為工程帶來安全隱患。

3.5 基礎設計

根據(jù)工程地質(zhì)勘查資料，本工程地下局部存在淤泥質(zhì)土，同時結(jié)構(gòu)荷載較大，不適宜采用淺基礎。為減小不均勻沉降的影響，經(jīng)過對比分析最終采用高強預應力混凝土管樁。本工程主體結(jié)構(gòu)存在電梯基坑與集水井，首層局部存在設備間有降板需求，需要降低承臺標高予以避讓。

3.6 構(gòu)造加強措施

本工大部分樁承臺面標高為-1m，承臺面至首層梁間柱為短柱，需要進行構(gòu)造加強。設計時采用了兩種構(gòu)造加強措施，具體如下：①該部分短柱除了全高加密外，還將箍筋的直徑提高一級。②首層梁底與承臺面較為貼近，在兩者的間隙填充混凝土，以增強短柱的抗剪能力。

由于南側(cè)建筑長度達到了66m，屬于平面超長，為了減低溫度作用帶來的不理影響，在結(jié)構(gòu)中的超長向設置后澆帶，超長方向的板面筋不采用分離式配筋，板面筋沿超長方向通長拉通。

對于內(nèi)凹部位，結(jié)構(gòu)的連接較為薄弱，整體計算時將該處樓板定義為彈性膜，復核此處樓板在地震工況下的應力狀態(tài)；設計時將連接部位的板厚加厚，此處板筋適當放大配筋面積并采用雙層雙向拉通。

3.7 計算結(jié)果

從電算結(jié)果來看，結(jié)構(gòu)的周期比、位移比、剛重比、剪重比、軸壓比等各項指標均滿足規(guī)范需要，能夠較好的滿足建筑安全性需求。

4 結(jié)語

隨著社會進步和科學發(fā)展，框架結(jié)構(gòu)在工程中得到越來越多的應用。在實際進行框架結(jié)構(gòu)設計時，設計人員要把握框架設計的各項要點，遵守相關規(guī)范標準的要求，綜合考慮各方面的因素，讓設計更安全、經(jīng)濟、適用。對于工程中出現(xiàn)的問題，要結(jié)合工程實際，采取有效的應對措施和解決辦法，以此提高結(jié)構(gòu)設計的整體質(zhì)量，促進工程順利完成。同時要學會總結(jié)歸納設計施工經(jīng)驗，為日后設計工作提供幫助。