框架結構設計在建筑結構設計中的應用

史慧

（大同市二院建筑設計研究有限責任公司，山西 大同 037001）

在建筑工程中，框架結構具有很多優(yōu)勢，特別是在大面積的建筑物結構中起到了很好的作用?？蚣苤械牧?、柱等構件可以很好的進行標準化，而且可以用組裝的方法來完成，從而大大縮短了建造周期。采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架，既能保證結構的整體剛性，又能有效地進行抗震設計。同時，可將梁、柱澆注成不同的形狀，以滿足不同的設計需求。

1 框架結構的有關概述

1.1 架構概念

在實際應用中，由于其材料能夠大規(guī)模生產，降低了生產成本，提高了工作效率，保證了工程使用的質量，而且種類繁多，因此被廣泛地用于施工。框架結構是由梁和柱連接而成，它們共同構成了結構的承載結構，能夠承受整體的垂直和橫向的壓力。在建筑物的中，墻體只起到圍護和隔離的作用，無法承擔荷載和應力。如果采用新型節(jié)能材料，不僅可以減少建筑物的總重量，而且可以達到隔熱效果，而且可以節(jié)省能源和結構。

1.2 構架結構的特征

在實際使用中，該結構具有以下幾個方面的特點：①建筑材料消耗較小，既能減少建筑重量，又能節(jié)省建筑費用，又能有效、靈活地劃分建筑空間；②框架的運用可以靈活地協(xié)調和配合建筑的布局，在大型建筑的結構設計中，其優(yōu)越性更為突出；③采用框架結構，可使梁、柱等結構更易于規(guī)范化，整體組裝，從而大大縮短了施工工期，保證了工程的按時完成，保證了工程的質量；④采用現(xiàn)澆混凝土框架結構，既能滿足結構整體剛度的要求，又能實現(xiàn)梁、柱截面形狀的多元化施工，更好地適應了建筑結構的多元化需求。

1.3 架構結構等原則

1.3.1 抓關鍵

從建筑的布局上來看，絕對的完美與安全是不可能的，所以必須要把握好最大的要素，同時也要舍棄一些小的缺陷，這樣保證結構的安全性的同時，也要保證結構的穩(wěn)定性。

1.3.2 平衡結構體系

在現(xiàn)代社會，大多數(shù)人都會覺得剛性和強度越高，就越安全，但實際上，建筑的結構還是要遵循剛柔并濟的基本原理，這樣才能保持結構的平衡和穩(wěn)定性，太過剛硬容易折斷，太過脆弱也是不行的，設計者必須要在兩者之間尋找一個平衡點，才能保證整體的結構和主體結構的安全性。

1.3.3 降低結構風險

所以在設計的時候，要充分的考慮到結構的安全隱患，在進行安全評估的時候，要進行相關的測試，以保證結構的安全承載力和安，在設計的時候，必須要做到層層設防，層層抵御，多環(huán)節(jié)的配合，從而強化結構的抗風險能力，這樣做的目的就是提高結構的抗風險能力。

1.3.4 確保結構成為一個整體

為了保證結構的安全性和承載力，必須要保證結構的各個部件和側面的設計能夠完美的融合在一起，而不是因為某些部件的性能和參數(shù)被分割開來，否則的話，整體的性能將會受到很大的影響，所以設計師們必須要根據(jù)這種設計思路，克服各種困難和關鍵點，從而完善和完善整個系統(tǒng)的設計[1]。

2 建筑框架結構計算及分析

在過去的設計中，只要地基的高度不超過地基的影響，就可以根據(jù)地基的頂部和一層的頂部的高度來進行計算。在這一階段，地基梁的設計只考慮上墻的承載力，結構與常規(guī)梁基本相同。這種做法使得混凝土結構的設計不符合標準。為了解決這個問題，可以從兩個方面著手改進：1）按原設計基礎進行鋼筋、斷面的設計，但應按立柱中心間距的1/12～1/18作為基準。在計算拉力時，應以與縱筋相連的立柱為參考，并按其最大軸力的10%進行拉力計算。同時，為減小地基的變形和高程，設計者應在±0.000以內的位置設計一根基礎拉梁。在高層建筑中，以基礎拉梁頂面至地基頂面的高度為基準；2）選擇結構的計算參數(shù)：①選擇折減系數(shù)，由于填充墻的影響，結構的剛度低于實際剛度，且實際周期小于設計周期。結果造成的地震影響較弱，使建筑物的安全性不高。所以，按填料的數(shù)目和材質，采用0.7～0.9的折減參數(shù)；②梁剛度放大系數(shù)的選擇，采用計算軟件時，由于梁模型為矩形，未考慮因樓板而增加的剛度，導致計算值不夠準確，導致結構失穩(wěn)。中梁的放大系數(shù)為2.0左右，邊梁的放大系數(shù)為1.5左右。

3 混凝土框架在建筑物中的設計流程圖

3.1 合理斷面尺寸的選取

在混凝土框架結構中，合理地選取截面尺寸是其先決條件。為了保證梁端具有足夠的塑性，在不彈力的條件下，柱端應該具有很好的抗震性能，并且各節(jié)點具有良好的彈性。所以，在進行梁、柱截面尺寸的選取時，不僅要保證梁、柱截面尺寸符合《混凝土結構設計規(guī)范》的要求，還要保證梁、柱的剛度比在1以下，從而實現(xiàn)強柱、弱梁、強節(jié)點的截面設計。

3.2 梁與柱的合理控制梁柱的配筋比例

梁與柱的配筋設計要注意適度，保證《混凝土結構設計規(guī)范》規(guī)定的最大配筋率和最小配筋率。此外，梁、柱的配筋率不僅與結構的抗震等級密切相關，還與其軸向和鋼筋的抗拉強度比有關，因此，應根據(jù)《混凝土結構設計規(guī)范》的規(guī)定，合理地確定梁、柱的配筋比例。

4 框架結構在建筑設計中存在的問題及處理

4.1 基礎梁設置問題

在架設基礎梁時，梁的埋設是一個非常重要的問題。在工程實踐中，如果埋得太深，就按單層框架梁的標準來做，埋地部分采用短柱法。為保證建筑物的抗震能力，一般應沿兩個軸線的方向布置基礎梁。在實際設計中，應適當增大梁的截面，因為它要承受樓梯柱和填充墻的載荷。

4.2 框架結構薄弱層的設計

在具體的設計中，由于軟弱層的存在，會導致結構的減震性能下降，可以采用提高框架結構的軟弱層抗側移剛度、根據(jù)特殊情況變更軟弱層高度、減小地基的埋深等措施來解決。因此，在進行結構設計時，應盡量避免軟弱層的產生。在不能避免的情況下，應根據(jù)相關法規(guī)及時采取有效的補救措施。

一般有三種方法來判定薄弱層：①由設計者指定。設計師根據(jù)自己的經驗，參考有關的技術規(guī)范，在設計時進行了直接的規(guī)定；②根據(jù)自己的計算和判斷。運用相關的軟件，結合現(xiàn)行法規(guī)和標準，對判定標準做出相應的調整；③強制鑒定。如果框架結構豎向受力構件的布置不協(xié)調，或不滿足規(guī)范要求，則強制將其視為薄弱層[2]。

4.3 縱向框架設計問題

從抗震性能的角度出發(fā)，在進行框架結構的設計時，應該充分考慮到其重要性，并將其視為與橫梁的設計同等重要。但在許多工程實踐中，多數(shù)設計者僅僅是對縱向常見的連續(xù)梁進行相應的設計，對于梁的承載力、跨中筋等配筋的布置設計存在著明顯的缺陷，使其抗震性能大為下降。為了有效地改善結構的抗震性能，必須在結構設計中充分考慮到縱向框架的設計，使其在整體上得到有效的提高。

4.4 短柱問題

在柱凈高與柱截面高度之比大于或等于4、或剪跨比值小于或等于2的情況下，會產生短柱問題。造成短柱問題的原因有兩個：一是由于兩根框架梁間的框柱凈高偏低，二是由于填充墻的布置不合理。因此，解決短樁問題的辦法是采用鋼板外包、采用復合鋼筋等措施來改善其變形，并提高其抗剪承載力。

5 優(yōu)化建筑框架結構設計策略

5.1 柱結構抗震設計

1）柱截面尺寸，當剪力對柱子有很大的影響時，會引起剪力的破壞；為了保證柱的伸長，必須保證柱的橫截面符合有關的規(guī)定，一般按300mm*300mm的柱長和寬；應設計出大于2的剪跨比，若能保證剪壓比，則可獲得理想的伸長率，因此，應考慮3N/mm2以下的柱末端橫斷面的平均剪切應力[3]。

2）立柱縱向鋼筋的配筋，配筋應為對稱式，為了進一步提高其延性，應按有關規(guī)定進行配筋比例的確定；并按照有關規(guī)定，合理地進行鋼筋的連接；在鋼筋的縱向連接部位，要對箍筋進行適當?shù)募用?，防止縱向鋼筋發(fā)生彎曲，從而降低構件的強度。

3）柱的箍筋，在連續(xù)的地震力作用下，往往會造成柱端鋼筋的混凝土層開裂，如果箍筋的數(shù)量不夠，無法滿足一定的約束，就會引起鋼筋的膨脹，從而破壞結構的穩(wěn)定，因此，需要按照有關規(guī)定進行合理的箍筋設計。

5.2 梁柱中心線設計

在結構體系中，梁、柱的中心線是整個結構的優(yōu)化設計中的一個重要環(huán)節(jié)，因此，設計者應充分關注這一問題。首先要保證框架梁和柱子的中心線與現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)范所要求的一致，也就是說，在中心線發(fā)生偏差時，應考慮梁柱節(jié)點的內應力和結構。如果偏心度太大，也就是超出了這一方向的1/4，可以采用橫向加腋等方法。加腋后的梁在計算剪壓比和受彎承載能力時，應忽視加腋部分的有利作用，避免造成計算誤差。

5.3 房屋構架中板設計

從實際情況來看，在施工過程中，板料是施工中最易發(fā)生問題的地方，因此，為了確保工程的質量和安全，必須對其進行合理的設計。首先，在實際中，可以選擇10cm、12cm、14cm、15cm、16cm、18cm，鋼筋的間距可以增加，但不能超過20cm。在此基礎上，在設計時，應選擇與板下的鋼筋間距一致。其次，雖然在設計中，每一種鋼筋都可以按照不同的位置來選擇，但也要防止鋼筋太大。如果因設計要求而導致板上筋較大，那么在選用板時，一定要注意其跨度也要相應地增大。

5.4 節(jié)點箍筋控制

在進行框架結構的優(yōu)化設計時，應嚴格按照現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)范的要求，對各構件的箍筋比例進行合理的調整，以防止出現(xiàn)不必要的問題。在此基礎上，應確保柱箍筋的加密區(qū)不大于柱凈高的1/3。

5.5 優(yōu)化計算參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)行抗震設計規(guī)范的要求，在計算框架結構的有關參數(shù)時，要充分考慮其所處的震區(qū)劃分，以保證基礎地震加速度的合理、切實可行，進而改善整個結構的抗震性能。如果框架中有填充墻，則會導致結構的剛度超出理論分析值，從而降低了計算的地震影響，增加了框架結構的不穩(wěn)定性。為了防止這種情況，設計者要根據(jù)墻體的特性，對其進行合理的周期折減系數(shù)，其取值范圍為0.7～0.9。在結構的最優(yōu)設計中，應充分考慮最不利位置的變化荷載，從而避免了計算結果的巨大誤差。在進行框架結構的計算時，需要考慮到梁的剛度放大系數(shù)，為了保證結構的安全，應該適當?shù)剡x取中梁[4]。

5.6 剪力墻底部加強設計

由于剪力墻底板的存在直接關系到整個工程的抗震能力，因此在建筑框架結構設計中起到了很大的作用。因此，需要在剪力墻的基礎上進行加固，通常是剪力墻的1/8，如果剪力墻受到的剪力比較大，則超過150 m，這時應采取1/10的剪力墻進行加固。同一時間。在鋼筋混凝土柱的連接部位，是一種非常重要的抗震構件，其基礎的設計是否合理直接影響到其結構的受力和抗震性能。首先，把剪力墻的邊角磨平，用清水沖洗干凈，然后對單根立柱進行加強。其次，進行支撐，加強立柱的基坑，一般在地面約40 cm處，然后把鉆孔沖洗干凈，然后把它頂進去。最后，在混凝土中加入堅硬的石頭，進行加固。

5.7 裝配式混凝土框架結構的優(yōu)化設計

1）對框架結構中支管的優(yōu)化設計，在實際施工中，由于安裝式混凝土框架結構中，支管插入的角度和高度都會因施工的不同而不同，所以對模板的選擇也相對較高。在施工中，各種不同的施工工藝參數(shù)和不同的計算方法都不一樣，其計算結果也會有所不同，所以在施工中，要在保證工程質量的前提下，不斷地簡化各種模塊的設計，拓寬各種模塊的使用范圍，減小設計變量，提高其使用價值，降低其設計變動，達到節(jié)約能源，節(jié)約能源的目的。

2）對混凝土框架結構的檢測井進行了優(yōu)化，在傳統(tǒng)的建筑施工中，由于涉及到各種不同的構件，所以在設計時要充分考慮到檢測井的設計和安裝位置，必須保證常規(guī)的磚砌檢測井的使用和使用效果，但在實踐中，施工方法比較復雜。目前，施工中普遍采用的方法是根據(jù)施工實際，不斷地調整施工方案，充分考慮到砌磚井和預制井的實際作用，減小施工中混凝土模塊的調整和變化，同時保證施工質量，同時盡量減少在預制井施工中使用的模具，提高施工的整體工作效率。

5.8 避免過多的短柱

由于短柱自身的抗震能力不強，如果發(fā)生在框架結構中，很可能會影響到結構的整體穩(wěn)定與安全。這里要特別強調的是，在框架結構設計中，由于平臺梁的存在，會造成短柱的產生，因此，必須嚴格按照現(xiàn)行的抗震設計標準，對其進行加固，提高其抗震能力，可以采用復合螺旋箍筋、分體柱、鋼筋混凝土柱和鋼管混凝土柱。同時，若一層全部框架柱都是短柱，并且柱間剛度比較均勻，則可確保結構的穩(wěn)定，無需特別處理[5]。

6 結語

隨著我國經濟的快速發(fā)展，建設事業(yè)得到了快速發(fā)展，市場需求也越來越大。因此，對建筑結構設計進行深入的探討，以達到更好地適應建筑市場的需要，從而達到更好的效果。通過對建筑結構進行合理的分析，可以使建筑質量得到改善，抗壓強度和穩(wěn)定性能得到改善，進而推動我國建筑業(yè)的健康發(fā)展。