多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

楊瀟

(甘肅省工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030)

建筑行業(yè)與我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間存在密切聯(lián)系，為了滿足人們的物質(zhì)需求，在關(guān)注技術(shù)創(chuàng)新的同時(shí)，也要注重迎合人們的居住環(huán)境和品位需求，而多層建筑可以更好的滿足當(dāng)前人們物質(zhì)生活需要，因此設(shè)計(jì)中應(yīng)該引入更多新理念，合理化應(yīng)用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)來高質(zhì)量呈現(xiàn)。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)可以充分契合多層結(jié)構(gòu)要求，其中包括梁、柱、樓板和基礎(chǔ)幾種承重構(gòu)件，構(gòu)成相應(yīng)的平面框架，將多個(gè)平面框架連接起來構(gòu)建完整的空間結(jié)構(gòu)體系。多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)看似簡單，但實(shí)際上細(xì)節(jié)較為復(fù)雜，如果概念把握不到位，后期工程施工中所誘發(fā)的后果是十分嚴(yán)重的，可能會(huì)延緩施工進(jìn)度，甚至威脅到施工安全。鑒于此，應(yīng)積極推動(dòng)多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，充分結(jié)合當(dāng)前時(shí)代下的主流建筑類型，推動(dòng)設(shè)計(jì)理念和方式優(yōu)化改良，提升設(shè)計(jì)水平，以期建造符合社會(huì)發(fā)展需要的建筑工程項(xiàng)目。

1 鋼筋混凝土框架設(shè)計(jì)概述

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)傳力路徑應(yīng)盡可能簡單，在受到荷載作用時(shí)，如果傳力路徑較短，相應(yīng)的耗費(fèi)建材量也會(huì)減少，工作效能反向提升。無論是公共建筑還是民用建筑，柱網(wǎng)布設(shè)一般依據(jù)建筑開間、跨度等布置，然后在功能允許的條件下合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置，在提升結(jié)構(gòu)剛度同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)梁受力均衡，減少結(jié)構(gòu)彎矩，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2 抗側(cè)力構(gòu)件和結(jié)構(gòu)體系分析

框架柱作為抗側(cè)力構(gòu)件時(shí)，截面大小和布置位置直接影響到建筑結(jié)構(gòu)抗震性和穩(wěn)定性，抗側(cè)力構(gòu)件應(yīng)該均勻、對(duì)稱布置，豎向布置有助于剛度均勻變化，框架柱的材料強(qiáng)度自下而上逐漸減少，可以有效規(guī)避抗側(cè)力結(jié)構(gòu)和側(cè)向剛度變化。結(jié)構(gòu)體系需要具備較為直觀的計(jì)算簡圖，保證結(jié)構(gòu)應(yīng)對(duì)重力荷載的承載力，通過設(shè)置多道防線，保證結(jié)構(gòu)受力明確、不間斷，在抗震計(jì)算時(shí)更符合地震時(shí)結(jié)構(gòu)實(shí)際表現(xiàn)。結(jié)構(gòu)體系要具備應(yīng)有的剛度，承載力分布和結(jié)構(gòu)布置相契合，規(guī)避局部削弱出現(xiàn)突變，形成較大塑性變形集中和應(yīng)力集中。

結(jié)合近些年來地震帶來的災(zāi)害來看，經(jīng)常出現(xiàn)單跨框架坍塌事故。因此，對(duì)于現(xiàn)代建筑工程，在抗震設(shè)計(jì)中不應(yīng)該選擇單跨加懸挑框架結(jié)構(gòu)，外走廊配備落地框架柱形成多跨框架；如果連廊必須選擇單跨框架，應(yīng)適當(dāng)增加單跨方向柱截面，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗震性。單跨框架抗側(cè)剛度較小，耗能弱，抗震時(shí)不需要設(shè)置多道防線。如果柱出現(xiàn)塑性鉸，可能會(huì)出現(xiàn)連續(xù)倒塌事故。結(jié)合地震災(zāi)害結(jié)果表明，多層鋼筋混凝土單跨框架結(jié)構(gòu)震害較為嚴(yán)重。

3 多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合相關(guān)文件要求和設(shè)計(jì)規(guī)范，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是水平承重體系—各層樓蓋與屋蓋連接形成空間的結(jié)構(gòu)體系。各平面鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)形成的豎向承重體系，直接承受著屋蓋、樓蓋等不同方向的荷載，最后將其傳遞給地基。

3.1 提出合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)主要是梁、柱剛性連接形成的房屋建筑結(jié)構(gòu)，需要遵循相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范和文件，并且通過對(duì)設(shè)計(jì)方案深入理解，指導(dǎo)后續(xù)設(shè)計(jì)順利進(jìn)行。通過了解建設(shè)要求和設(shè)計(jì)意圖，細(xì)化圖紙內(nèi)容，并對(duì)建筑圖紙全方位審核，針對(duì)性解決其中存在的問題，編制合理的設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中，通過各平面框架形成豎向承重體系，可以有效承受房屋建筑的水平、豎向荷載，并將受力傳遞給地基。

編制合理的設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)內(nèi)容是結(jié)構(gòu)的合理布置以及選擇合理結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)，經(jīng)過合理化數(shù)據(jù)計(jì)算，提升設(shè)計(jì)方案合理性。

多層框架結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)有以下幾點(diǎn)：1）梁剛度放大系數(shù)。在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所選擇的軟件模型，主要以矩形截面狀態(tài)呈現(xiàn)，但是此種模型未能從本質(zhì)上杜絕樓板T型截面誘發(fā)的剛度增大問題，致使計(jì)算結(jié)果精準(zhǔn)度下降。這種情況下，計(jì)算剛度并不符合實(shí)際剛度，地震剪力不足，為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)埋下了一系列不安定因素。所以，如何保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性，應(yīng)該充分了解實(shí)際情況，參數(shù)計(jì)算中放大處理梁剛度，充分契合施工具體情況，全面保證建筑物結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定性；2）結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)。在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)是一項(xiàng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)內(nèi)容，根據(jù)不同的建筑抗震設(shè)防類別和設(shè)防烈度，選用相應(yīng)的抗震等級(jí)和抗震措施，這樣才能保證設(shè)計(jì)的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)具備足夠抗震性能，維護(hù)建筑物安全穩(wěn)定；3）基本地震加速度。在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，關(guān)于地震加速度的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，主要是起到地震發(fā)生時(shí)保證建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，多是依據(jù)抗震設(shè)防烈度指標(biāo)來確定。如果設(shè)計(jì)不符合實(shí)際情況，則會(huì)為建筑物埋下結(jié)構(gòu)失衡隱患，一旦地震發(fā)生，建筑物則無法有效抵御地震所產(chǎn)生的沖擊，威脅到人們生命財(cái)產(chǎn)安全；4）結(jié)構(gòu)周期折減系數(shù)。在框架結(jié)構(gòu)中，填充墻占據(jù)重要地位，對(duì)結(jié)構(gòu)剛度影響較大，在砌體填充墻計(jì)算中，依據(jù)填充墻的數(shù)量、與框架結(jié)構(gòu)本身的相對(duì)剛度來確定周期折減系數(shù)。如果計(jì)算剛度結(jié)果與實(shí)際情況不符合，計(jì)算周期超出了實(shí)際周期，則會(huì)導(dǎo)致建筑物的抗震性降低，威脅到建筑物結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。

3.2 結(jié)構(gòu)布置

多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)布置階段，需要契合實(shí)際情況，確定合理的柱排列方式，編制合理的結(jié)構(gòu)承重方案，經(jīng)過審核符合建筑結(jié)構(gòu)和使用需求。同時(shí)，保證建筑結(jié)構(gòu)受力均勻、合理，便于施工活動(dòng)便捷、有序進(jìn)行。主梁沿著房屋橫向布置，連系梁和板則沿著房屋縱向布置。建筑結(jié)構(gòu)豎向荷載是橫向框架所承受，而衡量的截面高度較大，便于增加房屋橫向剛度。因此，此種結(jié)構(gòu)布置方案在實(shí)際工程項(xiàng)目中應(yīng)用較為廣泛。

對(duì)于帶有地下室的多層框架房屋，建筑上部結(jié)構(gòu)確定合理的嵌固位置則至關(guān)重要。因此，結(jié)合建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求來看，并未確定合理的位置，因此需要結(jié)合實(shí)際情況針對(duì)性分析。對(duì)于符合抗震規(guī)范的地下室結(jié)構(gòu)，抑或是采用箱型基礎(chǔ)，地下室頂板可以充當(dāng)框架上部結(jié)構(gòu)嵌固位置，基于PKOM軟件來設(shè)計(jì)，輸入地下室以上層數(shù)，底層層高H是為建筑實(shí)際層高?；诖朔N方式，最終計(jì)算得到了抗震結(jié)果更貼近實(shí)際情況。如果不符合建筑抗震規(guī)范要求，地下室嵌固位置優(yōu)先選擇在基礎(chǔ)頂面，在樓層組合電算時(shí)，實(shí)際樓層數(shù)加上地下室層數(shù)即為建筑總層數(shù)，這樣計(jì)算結(jié)果更加真實(shí)、合理，地震作用相較于保守，多層框架結(jié)構(gòu)更加安全可靠。

如果多層框架結(jié)構(gòu)的房屋建筑沒有地下室，在基礎(chǔ)埋深較淺情況下，通常是采用房屋中梁柱作為剛接框架結(jié)構(gòu)，底層柱的長度選擇，主要是采用基礎(chǔ)頂面到一層樓蓋頂面的高度。但實(shí)際設(shè)計(jì)中由于基礎(chǔ)并未涉及，導(dǎo)致基礎(chǔ)頂面標(biāo)高模糊不清，所以無法得到這一高度值。鑒于此，要結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來大致估算基頂標(biāo)高，盡可能降低計(jì)算偏差。

3.3 框架結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖

框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在明確構(gòu)件截面尺寸和結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖基礎(chǔ)上，針對(duì)性計(jì)算建筑結(jié)構(gòu)荷載和內(nèi)力，并對(duì)建筑結(jié)構(gòu)側(cè)移分析?？蚣艿牧褐孛娉叽邕x擇，需要充分考量結(jié)構(gòu)剛度、承載力和延性等各項(xiàng)要求確定，因此在初步設(shè)計(jì)階段可以結(jié)合設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)來選擇截面尺寸，然后對(duì)結(jié)構(gòu)變形和承載力情況進(jìn)行鹽酸，檢查各項(xiàng)規(guī)格參數(shù)是否合理?？蚣芙Y(jié)構(gòu)是基礎(chǔ)、樓板、梁和柱等構(gòu)件構(gòu)成，屬于空間結(jié)構(gòu)體系，因此需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維空間結(jié)構(gòu)分析。但對(duì)于一些結(jié)構(gòu)平面布置較為規(guī)則的框架結(jié)構(gòu)房屋，為了降低計(jì)算難度，多是將空間結(jié)構(gòu)細(xì)化為多個(gè)橫向或縱向的平面框架，然后進(jìn)行分析，以此來降低計(jì)算難度，提升計(jì)算結(jié)果精準(zhǔn)度。

在設(shè)計(jì)階段，為了減少房屋建筑底部位移量，提升結(jié)構(gòu)整體性，應(yīng)注重基礎(chǔ)連系梁設(shè)置位置優(yōu)化設(shè)計(jì)。基礎(chǔ)連系梁設(shè)計(jì)僅僅是構(gòu)造設(shè)計(jì)，無法實(shí)現(xiàn)底部柱腳彎矩平衡，如果將一層樓蓋頂面到基礎(chǔ)連系梁頂面高度設(shè)計(jì)為H值，是不合理的?；A(chǔ)連系梁以下的部分作為底層，連系梁頂面到基礎(chǔ)頂面高度是H值，那么建筑底層可以作為第二層，一層樓面與連系梁頂面高度是層高H。在此基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)頂面與基礎(chǔ)連系梁頂面中較大的作為柱內(nèi)配筋設(shè)計(jì)，依據(jù)框架梁對(duì)連系梁進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題

多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涵蓋內(nèi)容較多，專業(yè)性較強(qiáng)，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)疏忽，都會(huì)產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，因此需要明確多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的注意要點(diǎn)，提前制定有效措施予以規(guī)避，便于提升設(shè)計(jì)合理性，指導(dǎo)后續(xù)施工活動(dòng)高效有序進(jìn)行。具體設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題如下。

4.1 強(qiáng)柱弱梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的問題

該環(huán)節(jié)需要予以高度重視，主要是為了抵御地震作用的影響，保證建筑物結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。強(qiáng)柱弱梁強(qiáng)弱高低，很大程度上取決于柱端截面抗彎矩能力增幅大小，是否可以抵御地震沖擊影響，將柱端界面屈服的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)量控制在塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力范疇，保證柱穩(wěn)定。符合要求的建筑物，適當(dāng)?shù)脑黾又孛娉叽?，柱線剛度和梁線剛度比值1以上，確保柱的軸壓滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，適當(dāng)?shù)脑黾咏Y(jié)構(gòu)延性。在截面承載力計(jì)算中，可以通過人工方式調(diào)整放大柱的設(shè)計(jì)彎矩，并且對(duì)加強(qiáng)柱進(jìn)行配筋改造。但要注意梁端縱向受拉鋼筋配筋率要適中，避免超出標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)避地震作用下導(dǎo)致塑形鉸轉(zhuǎn)移到立柱上。所以，通過有效的墻柱弱梁方式，保證塑性鉸出現(xiàn)在梁端，同時(shí)使構(gòu)件延性得到保障，規(guī)避脆性破壞出現(xiàn)。

4.2 做好強(qiáng)剪弱彎設(shè)計(jì)

強(qiáng)剪弱彎是一個(gè)從結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)角度提出的一個(gè)結(jié)構(gòu)概念。彎曲破壞和剪切破壞是鋼筋混凝土柱在地震作用下常見的破壞形式。其中彎曲破壞屬于延性破壞形式，柱發(fā)生彎曲破壞可以擁有較大的非線形變形而強(qiáng)度和剛度降低較少；而剪切破壞屬于脆性破壞形式，柱發(fā)生剪切破壞常常伴隨著剛度和強(qiáng)度的較大的退化，破壞突然，對(duì)結(jié)構(gòu)整體安全性影響也較大。故現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)思想中提倡“強(qiáng)剪弱彎”設(shè)計(jì)，目的就是盡量使結(jié)構(gòu)在遭受強(qiáng)烈地震作用時(shí)出現(xiàn)延性破壞形式，使結(jié)構(gòu)擁有良好的變形能力和耗能能力。

“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎”是一個(gè)從結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)角度提出的一個(gè)結(jié)構(gòu)概念。就是柱子不先于梁破壞，因?yàn)榱浩茐膶儆跇?gòu)件破壞，是局部性的，柱子破壞將危及整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全—可能會(huì)整體倒塌，后果嚴(yán)重！所以我們要保證柱子更“相對(duì)”安全，故要“強(qiáng)柱弱梁”；“彎曲破壞”是延性破壞，是有預(yù)兆的—如開裂或下?lián)系?，而“剪切破壞”是一種脆性的破壞，沒有預(yù)兆的，瞬時(shí)發(fā)生，沒有防范，所以我們要避免發(fā)生剪切破壞。

另外，應(yīng)該高度重視構(gòu)造措施的選擇，大跨度柱網(wǎng)框架結(jié)構(gòu)，樓梯間區(qū)域的框架柱是樓梯平臺(tái)梁連接，樓梯間的柱可能是短柱，因此可以適當(dāng)?shù)膶?duì)柱箍筋加密布置，在設(shè)計(jì)中需要予以高度重視。框架結(jié)構(gòu)外立面如果設(shè)計(jì)為帶形窗，由于連續(xù)窗過梁，外框架柱可能變成短柱，因此需要加強(qiáng)構(gòu)造措施。

4.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力問題

多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的外立面是帶形窗，通過配置連續(xù)窗過梁，可以令結(jié)構(gòu)柱充當(dāng)短柱，因此需要適當(dāng)?shù)膶?duì)構(gòu)造改造和加固；如果框架結(jié)構(gòu)長度超出標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)禁止建筑框架留出縫隙，為了規(guī)避有害裂縫出現(xiàn)，可以選擇補(bǔ)償混凝土澆筑施工，并適當(dāng)?shù)脑黾与p向配筋配置密度，控制構(gòu)造間距不超過150mm。

框架外挑梁配筋施工中，結(jié)合框架結(jié)構(gòu)功能要求，很多工程會(huì)在框架梁端設(shè)計(jì)挑梁。實(shí)際上框架梁和外挑梁的斷面尺寸規(guī)格存在差異，二者所長壽的荷載值也不盡相同，部分設(shè)計(jì)方案中僅僅是將框架梁的部分主筋朝著外挑梁延伸拓展，無法伸進(jìn)挑梁，致使部分鋼筋截?cái)?，不同程度上影響著工程質(zhì)量、進(jìn)度和安全。為了滿足框架柱的強(qiáng)度要求，配筋計(jì)算中應(yīng)盡可能選擇不利的方向開始計(jì)算，或是兩個(gè)方向分別計(jì)算，并選擇大方向的配筋，對(duì)稱設(shè)置；適當(dāng)增加框架柱配筋，依據(jù)設(shè)計(jì)要求，大概在1.2～1.5倍左右；多層框架電算時(shí)，部分人員過分依賴經(jīng)驗(yàn)，忽視了溫度應(yīng)力和不均勻沉降對(duì)框結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，如果多層框架水平尺寸大，或是地基承載力不強(qiáng)，可以適當(dāng)?shù)脑黾优浣蠲芏?，在橫線和縱向設(shè)置基礎(chǔ)梁，優(yōu)化設(shè)計(jì)框架梁來提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

另外，多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)專業(yè)性較強(qiáng)的工作，其中涵蓋的內(nèi)容多樣，因此設(shè)計(jì)要遵循相應(yīng)原則來保證設(shè)計(jì)合理性。首先，整體性。多層結(jié)構(gòu)中，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性至關(guān)重要，在聚集和傳遞荷載到各個(gè)豎向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)同時(shí)，還可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性，有效承受地震作用力沖擊，尤其是豎向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)不均勻布置，或是各抗側(cè)力結(jié)構(gòu)水平變形特征有所差異情況下，需要依托于各抗側(cè)力結(jié)構(gòu)協(xié)同工作，以此來提升結(jié)構(gòu)整體性。其次，簡單性原則。多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該盡可能簡單，傳力路徑明確，結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移分析便于掌握。在荷載作用下，盡可能縮短結(jié)構(gòu)傳力路線，結(jié)構(gòu)整體工作效能更強(qiáng)，所消耗的材料總量也更少。最后，均勻性原則。多層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要遵循均勻性原則，規(guī)避傳力途徑、承載力和剛度突變，限制一個(gè)或幾個(gè)樓層發(fā)生敏感薄弱部位，或是應(yīng)力過于集中發(fā)生變形。結(jié)構(gòu)布置均勻，有助于地震力采用直接的方式傳遞，避免質(zhì)量和剛度偏心。

5 結(jié)語

綜上所述，目前建筑行業(yè)迅猛發(fā)展，建筑工程質(zhì)量要求不斷增加，需要契合實(shí)際情況優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。多層鋼筋混凝土框架作為一種常見的工程結(jié)構(gòu)，布局靈活，結(jié)構(gòu)承載力強(qiáng)，因此在諸多建筑工程項(xiàng)目中得到了廣泛應(yīng)用。為了打造符合社會(huì)所需要的工程需要，需要優(yōu)化框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，促進(jìn)建筑功能和造型多樣化，在保證工程質(zhì)量的同時(shí)，創(chuàng)造更加可觀的經(jīng)濟(jì)效益。