建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計問題及要點

趙志強(qiáng)（陽泉市建筑設(shè)計院有限公司，山西 陽泉 045000）

隨著社會的發(fā)展，人們對建筑的要求越來越高，不僅僅要注重其合理性和實用性，同時要提高建筑的觀賞性以及環(huán)保性等，因此要不斷提升建筑的外觀和結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步調(diào)整建筑不同區(qū)域框架，從而保證建筑的整體質(zhì)量。在建筑框架設(shè)計過程中，要綜合認(rèn)識到建筑的基本需求，以期給用戶更好的使用體驗。

1 建筑框架結(jié)構(gòu)概述

建筑框架結(jié)構(gòu)通常是由梁和柱連接而形成的具有承重作用的結(jié)構(gòu)，梁是使用混凝土和鋼筋組成的，借助鋼接以及鉸接的方式連接起來?？蚣芙Y(jié)構(gòu)能夠起到抵抗水平荷載以及豎向荷載的作用，使得建筑結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。此外，框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的面積較小，其承載力和剛度無法滿足實際需求，隨著樓層的增加，水平位移越小。結(jié)構(gòu)中建筑墻體的作用是分隔和圍墻，并不能承擔(dān)負(fù)荷?？蚣芙Y(jié)構(gòu)因其空間分隔更加靈活、成本較低以及剛度強(qiáng)等優(yōu)勢受到人們的青睞，但是也存在很多缺陷，包括著節(jié)點應(yīng)力集中、側(cè)向剛度不足等，不合適在高層建筑中應(yīng)用。

2 建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的意義

框架結(jié)構(gòu)屬于承載結(jié)構(gòu)體系，是由梁和柱連接形成，其中梁、柱將會承擔(dān)水平方向和豎直方向的荷載，該結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、節(jié)省材料、空間布置較為靈活等特點。隨著社會的發(fā)展，人們對建筑個性化需求越來越高，逐漸產(chǎn)生了不同造型的建筑，如果在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中仍然采用傳統(tǒng)設(shè)計方式，就不能滿足現(xiàn)代建筑的需求，過于考慮安全性方面的問題將會導(dǎo)致構(gòu)件成本增加，同時對結(jié)構(gòu)整體沒有太大益處，經(jīng)濟(jì)效益低下，浪費資源的同時，不利于環(huán)境的保護(hù)。通過優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以進(jìn)一步緩解建筑能耗問題，優(yōu)化結(jié)構(gòu)要求以相關(guān)設(shè)計規(guī)范為基礎(chǔ)。因此，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計具有十分重要的意義，可以實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟(jì)性的充分融合。

3 建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計問題分析

3.1 計算機(jī)模型問題

第一，基礎(chǔ)寬度不夠，條形基礎(chǔ)寬度在計算時由于力學(xué)模型使用存在問題以及在選擇力學(xué)模型時沒有進(jìn)行全面的考慮，導(dǎo)致條形基礎(chǔ)寬度不夠，從而直接影響了建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。如果建筑墻體上產(chǎn)生較大且集中的作用力時，作用力就會通過條形基礎(chǔ)進(jìn)一步到達(dá)地基，在設(shè)計過程中，作用力除以墻段長度就能夠得到平均荷載，從而確定條形基礎(chǔ)寬度，避免出現(xiàn)局部基礎(chǔ)寬度不夠的問題。相關(guān)設(shè)計人員在設(shè)計建筑框架結(jié)構(gòu)時，主要使用空間分析計算軟件工作。

第二，分析軟件問題，當(dāng)前市場上很多軟件能夠?qū)α褐氖芰M(jìn)行計算，但是，梁在相交時其不存在主次之分。而分析軟件以梁扭轉(zhuǎn)剛度為基礎(chǔ)展開計算，使得計算結(jié)果超出限制，該問題產(chǎn)生的主要原因是軟件程序沒有考慮板翼緣對梁的影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)實際受力和計算模型存在較大差異。

第三，繪圖問題，一些設(shè)計人員在繪制平面施工圖時，將配筋簡圖作為設(shè)計的依據(jù)，沒有查閱相關(guān)資料，從而出現(xiàn)加密區(qū)外箍筋抗剪強(qiáng)度低的問題，影響結(jié)構(gòu)的安全性。

3.2 配筋設(shè)計問題

第一，底層框架柱箍筋加密區(qū)范圍應(yīng)滿足建筑抗震設(shè)計規(guī)范中規(guī)定“底層柱，柱根處箍筋加密區(qū)范圍為不小于柱凈高的1/3，設(shè)計中應(yīng)重點說明。

第二，框架梁的縱向鋼筋配筋率應(yīng)滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定“當(dāng)框架梁梁端縱向受拉鋼筋配筋率大于2%時，梁箍筋最小直徑的數(shù)值應(yīng)比《規(guī)范》中表6.3.3中規(guī)定的數(shù)值增大2mm”,在設(shè)計中，這一規(guī)定常被忽視，造成梁端延性不足。

3.3 抗震設(shè)計問題

在設(shè)計建筑框架結(jié)構(gòu)時，抗震設(shè)計是十分重要的內(nèi)容，但是在實際建筑工程項目設(shè)計過程中，部分設(shè)計人員沒有足夠重視對框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，即使結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性滿足了相關(guān)規(guī)定，一旦發(fā)生地震災(zāi)害，就可能會造成失穩(wěn)。此外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，柱截面寬度和高度不符合抗震標(biāo)準(zhǔn)，影響了結(jié)構(gòu)的延性，使得箍筋不能發(fā)揮約束作用，從而造成縱筋向外膨脹造成扭曲。如今，我國土地資源越來越緊張，進(jìn)而使高層建筑如雨后春筍般涌現(xiàn)，此時為了確保高層建筑的安全性和整體質(zhì)量，對建筑框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計提出了較高要求，然而部分建筑工程設(shè)計人員并未對框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計給予高度重視，雖然框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性均滿足行業(yè)規(guī)范，然而一旦出現(xiàn)地震災(zāi)害，將會誘發(fā)框架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。例如，某建筑在框架結(jié)構(gòu)施工過程中，因為設(shè)計人員并未按照要求對框架結(jié)構(gòu)給予綜合考慮，未對抗震設(shè)計給予重視，從而導(dǎo)致剪力設(shè)計和柱截面尺寸均超過了抗震標(biāo)準(zhǔn)要求，進(jìn)而降低了框架結(jié)構(gòu)的約束性和延展性，一旦遇到地震災(zāi)害時，將會誘發(fā)框架結(jié)構(gòu)縱筋膨脹扭曲，不僅使柱端質(zhì)量降低，而且還增加了安全隱患的發(fā)生率。

3.4 樓板開大洞問題

在建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中，樓板開洞結(jié)構(gòu)是比較常見的結(jié)構(gòu)形式，如果開洞面積超過30%樓板總面積時，則需要采取有效措施給予處理，而常見的處理方法如下：①借助TAT軟件進(jìn)行處理，但是其只定義一個彈性節(jié)點，并未對樓板剛度給予考慮；②借助SATWE軟件進(jìn)行處理，其定義整個樓板為彈性膜。如果建筑選擇剛網(wǎng)架時，只能借助SATWE軟件來對樓板開大洞問題進(jìn)行處理。但是不管選擇哪種設(shè)計方法，在對彈性膜或彈性節(jié)點定義后，均需要用總剛計算法來計算。

4 建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

4.1 剛?cè)徇m中原則

建筑結(jié)構(gòu)性能呈現(xiàn)出剛?cè)醿煞N類型，剛?cè)岫冗m中的原則才能滿足設(shè)計要求。結(jié)構(gòu)設(shè)計過柔，則無法有效應(yīng)對地震、風(fēng)速等環(huán)境變化，在正常使用中無法保證建筑物正常使用的安全性。而建筑結(jié)構(gòu)過剛，其本身不具有一定的變形能力，在受到較大外力沖擊作用下，會由于本身柔韌度不夠而損壞，比如在強(qiáng)地震作用下，因為結(jié)構(gòu)剛度過剛而損壞甚至倒塌。因此，在設(shè)計建筑框架結(jié)構(gòu)過程中要從多個角度進(jìn)行考慮，使得框架結(jié)構(gòu)更加科學(xué)合理。

4.2 主次分明原則

形成框架結(jié)構(gòu)的不同部件在整體框架結(jié)構(gòu)體系中有著不同的作用，因此在設(shè)計框架結(jié)構(gòu)時要分清主次，合理優(yōu)化設(shè)計關(guān)鍵部位?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的設(shè)計要嚴(yán)格遵循主次分明的原則，即使受到較大外力也能夠保持建筑安全，此外，要認(rèn)識框架結(jié)構(gòu)主次關(guān)系，遵照柱強(qiáng)梁弱的要求，使得框架結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

4.3 多防線原則

在設(shè)計建筑框架結(jié)構(gòu)過程中，設(shè)防層數(shù)直接影響了整體結(jié)構(gòu)體系的安全性，通常來說框架結(jié)構(gòu)綜合承載力隨著防線的增加而提高，從而在面臨地震等自然災(zāi)害時能夠保持良好的穩(wěn)定性。在土建結(jié)構(gòu)中能夠充分體現(xiàn)設(shè)置多道防線的作用，如采用單一的框架體系，框架就成為整個體系中唯一的抗側(cè)力構(gòu)架，應(yīng)采用“強(qiáng)柱弱梁”型延性框架，“強(qiáng)柱弱梁”型延性框架在水平地震作用下，梁的屈服先于柱的屈服，這樣就可以做到利用梁的變形來消耗其地震能量，使框架柱退居到第二道防線的位置。因此，建筑框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計要重視采用多防線設(shè)計，從而更好地滿足建筑物的實際需求。

4.4 打通關(guān)節(jié)原則

框架結(jié)構(gòu)體系包含著多種部件，從而起到對外力的傳遞和消減，各個部件連接為一個整體，形成完整的結(jié)構(gòu)體系。因此在設(shè)計建筑框架結(jié)構(gòu)時要使得各個構(gòu)件相通，結(jié)合不同部位的作用進(jìn)行計算，促使各個部分在受到外力時能夠發(fā)揮其作用，共同承載負(fù)荷，進(jìn)一步提高整體建筑的承受能力，保證建筑的安全。

5 建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化策略

5.1 避免過多出現(xiàn)短柱

在設(shè)計建筑框架結(jié)構(gòu)過程中，要明確認(rèn)識到短柱問題，采用科學(xué)的措施，防止出現(xiàn)短柱，主要原因是短柱的抗震性能弱，出現(xiàn)在框架結(jié)構(gòu)中直接影響了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。然而在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計時會存在樓梯間中平臺梁，難以避免短柱的出現(xiàn)，因此要嚴(yán)格按照國家的相關(guān)規(guī)定，保證短柱的抗震性。此外，如果一個樓層中的框架柱都是短柱，同時柱之間剛度均勻，有著較強(qiáng)的穩(wěn)定性時，則不用給予處理。

5.2 合理設(shè)計梁柱中心線

在設(shè)計建筑框架結(jié)構(gòu)過程中，梁、柱的中心線是關(guān)鍵點，相關(guān)設(shè)計人員要充分地重視。在保證框架梁和框架柱中心線設(shè)計符合相關(guān)規(guī)定，使得梁柱中心得以重合，如果中心線發(fā)生偏移，要檢查梁柱節(jié)點核心區(qū)域受力產(chǎn)生的影響。此外，如果偏心距離超出了一定的范圍，通過對水平防線加腋的方式對其進(jìn)行處理，從而在計算梁的剪壓比和受彎承載力時會除去加腋截面的影響，保證計算結(jié)果的精確性。

5.3 采用有效的構(gòu)造措施

第一，進(jìn)行短柱處理，在設(shè)計大跨度柱網(wǎng)框架結(jié)構(gòu)時，要對樓梯間位置處框架柱和平臺梁之間的問題進(jìn)行充分考慮，設(shè)計人員在實際設(shè)計過程中要處理好短柱構(gòu)造，采用箍筋全長加密的方式，提高框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。除此之外，如果連續(xù)的窗過梁設(shè)置，可能會導(dǎo)致外部框架梁形成短柱，從而要有針對性地對構(gòu)造進(jìn)行處理。

第二，結(jié)構(gòu)超長問題，如果框架結(jié)構(gòu)長度超出了一定的范圍，可以采用補償混凝土的方式避免裂縫的產(chǎn)生。

第三，節(jié)點箍筋控制，在優(yōu)化設(shè)計建筑框架結(jié)構(gòu)時，相關(guān)設(shè)計人員要嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定來展開設(shè)計，控制框架節(jié)點箍筋率，降低問題發(fā)生的概率。

5.4 對計算參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選

根據(jù)目前建筑抗震設(shè)計的相關(guān)規(guī)定，在計算建筑框架結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)時，要對建筑位置地震區(qū)的劃分情況全面考慮，使得地震加速取值更加科學(xué)合理，保證框架結(jié)構(gòu)的整體抗震性。如果框架結(jié)構(gòu)有填充墻時，使得結(jié)構(gòu)剛度大于理論計算結(jié)果，進(jìn)而地震作用效應(yīng)降低，穩(wěn)定性降低。為了避免發(fā)生抗震性不足，相關(guān)設(shè)計人員要合理選擇結(jié)構(gòu)周期折減系數(shù)。

5.5 科學(xué)考察建筑環(huán)境

在建筑設(shè)計前要對施工環(huán)境進(jìn)行勘察，主要勘察內(nèi)容有地基考察，如果地基不均勻以及地較軟，就要采用柱下條基的措施；如果地基較硬，可使用獨立基礎(chǔ)，同時要注意材料的質(zhì)量，重視防水層的設(shè)置，結(jié)合實際情況來控制防水層的厚度。此外，要考察建筑物間沉降縫，對于建筑基礎(chǔ)較好的建筑物在沉降縫管理時要分析墻體，提高建筑的穩(wěn)定性。

5.6 注重結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

在進(jìn)行建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，通過抗震設(shè)計可以有效提高建筑框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性。在具體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計工作中，最好根據(jù)現(xiàn)場實際情況和現(xiàn)有要求給予綜合考慮，這樣不僅可以提高抗震設(shè)計水平，而且還可以提高建筑實用性。在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計過程中，設(shè)計人員要準(zhǔn)確計算和控制梁剛度，保證其符合實際標(biāo)準(zhǔn)。在具體計算工作中，梁段負(fù)彎矩計算結(jié)果一般會超過實際值，此時可以適當(dāng)提高梁段負(fù)彎矩的配筋數(shù)量，進(jìn)而增加了其支出成本。因此，在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計工作中，設(shè)計人員需要以最小值為最終負(fù)彎矩比值，并合理確定配筋數(shù)量及位置，以此來提高抗震設(shè)計效果。

6 建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

6.1 提高方案的可行性

科學(xué)合理的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計方案是保證順利施工的重要依據(jù)。在設(shè)計混凝土框架結(jié)構(gòu)前，要全面了解相關(guān)建筑圖紙，在掌握建筑設(shè)計技術(shù)參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的同時要落實好各項設(shè)計細(xì)節(jié)，進(jìn)一步研究解決相關(guān)問題，保證框架設(shè)計方案的科學(xué)性，同時要對設(shè)計流程進(jìn)行規(guī)范，提高方案的可行性，保證框架設(shè)計質(zhì)量。

6.2 提高框架結(jié)構(gòu)體系的整體性

框架結(jié)構(gòu)承重體系是每一層樓蓋和屋蓋連接組成的整體結(jié)構(gòu)。在設(shè)計過程中，不僅要保證水平、豎向承重體系滿足施工組織設(shè)計相關(guān)規(guī)定，還要對建筑樓蓋和屋蓋各方向的荷載情況進(jìn)行考慮，進(jìn)一步分析荷載對地基產(chǎn)生的影響，保證設(shè)計的合理性。除此之外，在框架結(jié)構(gòu)技術(shù)交底時，要對各個施工環(huán)節(jié)的工藝、材料等給予全面分析，同時要依據(jù)相關(guān)工藝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來檢驗技術(shù)質(zhì)量和方法的合理性，促進(jìn)施工的順利開展，保證建筑工程質(zhì)量。

6.3 梁詳圖設(shè)計優(yōu)化要點

在建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，要細(xì)化和完善梁詳圖設(shè)計優(yōu)化要點，具體如下：

（1）如果梁上有次梁時，要附加吊筋或箍筋。通常情況下，優(yōu)先選擇附加箍筋。如果水箱下面架在板上或梁上有小柱的梁，一般不需要附加箍筋。

（2）在挑梁的端部按照規(guī)定對箍筋進(jìn)行加密處理，且保證縱筋等間距排列，箍筋可以不等。對于小斷面的框架梁或連續(xù)梁，上、下部分的縱筋最好選擇相同直徑的布筋，盡可能統(tǒng)一大挑梁截面的大小，這樣既能夠確保后續(xù)施工的順利進(jìn)行，而且還可以降低大挑梁自身重力。

（3）如果外部梁跨度相差比較小時，需要確保梁高處于同一水平面上，尤其是外部的框架梁。同時，要求上梁縱筋滿足間距小、直徑小的條件，以此來達(dá)到抗開裂的目的。然而，鋼筋之間的距離需要滿足設(shè)計要求，且不可無限小。

6.4 柱詳圖設(shè)計優(yōu)化要點

（1）柱內(nèi)埋管時，最好將直徑相當(dāng)大的管埋在柱子的四角，如果管的截面面積小于4%時，可以簡化相關(guān)的驗算。

（2）如果地上建筑為圓柱形時，底下可以選擇方柱形，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)對各施工環(huán)節(jié)的有效控制。圓柱上縱筋要超過8根，且選擇螺旋箍進(jìn)行布箍。而對于方柱形，最好選擇井字箍，并結(jié)合實際要求來給予加密處理。然而，對于幼兒園不建議選擇方柱形。對柱上的縱筋，盡量選擇大間距、大直徑的，然而不宜過大。

（3）柱子最好選擇高強(qiáng)度混凝土進(jìn)行構(gòu)建，降低截面的面積，盡可能避免出現(xiàn)短柱。然而，對大跨度框架結(jié)構(gòu)而言，因為樓梯與樓梯平臺間的框架柱相連，難免會出現(xiàn)短柱，此時要對短柱箍筋進(jìn)行加密處理，或者對框架結(jié)構(gòu)外立面，最好設(shè)置連續(xù)的窗過梁，這樣可能會導(dǎo)致外框架柱成為短柱，此時要做好加強(qiáng)處理工作，以此來提高其整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

7 結(jié)語

簡而言之，框架結(jié)構(gòu)在建筑工程項目中被廣泛應(yīng)用。但是實際框架結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中由于受到多種因素的影響，經(jīng)常會出現(xiàn)一些問題。因此要全面分析框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題，采用有效的措施，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計，以期提高建筑框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。相關(guān)設(shè)計人員要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)，降低問題發(fā)生的概率，保證建筑質(zhì)量。