對多層框架結(jié)構(gòu)底層柱的計算高度問題的一種討論

1、.問題討論3多層框架結(jié)構(gòu)底層柱的計算高度問題多層框架結(jié)構(gòu)底層柱的計算高度指的是，在作結(jié)構(gòu)分析時框架結(jié)構(gòu)計算簡圖中底層柱的計算高度，它與柱的計算長度l 0不是一個概念。柱的計算長度l 0在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB 500102002)中，對軸心受壓構(gòu)件指的是穩(wěn)定計算的長度，對偏心受壓構(gòu)件指的是近似考慮二階效應(yīng)時的等效標(biāo)準(zhǔn)柱長度；在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB 500172003)中，指的是穩(wěn)定計算的長度。應(yīng)該指出，影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析結(jié)果的是框架結(jié)構(gòu)計算簡圖中柱的計算高度，但柱計算長度l 0的任何改變均不影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析的結(jié)果，它只影響最后的柱配筋計算結(jié)果。多層框架結(jié)構(gòu)柱的計算高度，對于除去底層以外的上面幾

2、層從力學(xué)概念來說本來是很清楚的，它應(yīng)該是上下兩層梁的形心軸之間的距離。但是，梁的截面高度經(jīng)常高低不等，按此規(guī)則確定柱的計算高度會使計算簡圖變得相當(dāng)復(fù)雜。為了簡化，在計算簡圖習(xí)慣上取上下層樓面之間的距離作為計算高度。除去底層柱以外，這樣簡化的結(jié)果誤差不大。底層柱計算高度的歷史變遷：在上個世紀(jì)50年代，我國實行“一邊倒”政策期間，在建筑結(jié)構(gòu)行業(yè)基本上是以前蘇聯(lián)的規(guī)范規(guī)定為藍(lán)本進(jìn)行設(shè)計。那時規(guī)范中并不存在對多層房屋底層柱計算高度的規(guī)定。在全國范圍內(nèi)，當(dāng)時的工業(yè)廠房主要是單層廠房，正規(guī)的多層工業(yè)廠房框架結(jié)構(gòu)主要用于電子系統(tǒng)的廠房，當(dāng)時基本上由我院設(shè)計。向我們提供關(guān)鍵設(shè)計經(jīng)驗的主要是前蘇聯(lián)列寧格勒的設(shè)計

3、院(第六或第五設(shè)計院，現(xiàn)在記不太準(zhǔn))，他們的習(xí)慣做法是底層柱的計算高度為底層層高加1m。主要有兩方面的考慮：一是在多層廠房中底層混凝土地坪從側(cè)向?qū)炷林休^強的約束，再加上土層對基礎(chǔ)的約束，由于這種約束，可以近似認(rèn)為到達(dá)一定深度就能將柱看成已是固定端；二是多層工業(yè)廠房與單層工業(yè)廠房不同，當(dāng)時單層工業(yè)廠房的柱頂多為鉸接，柱的高度是實際高度，多層工業(yè)廠房的框架結(jié)構(gòu)是剛性節(jié)點，底層柱的計算高度應(yīng)該是樓層層高扣除梁高的一半。按上述前蘇聯(lián)的計算規(guī)則，當(dāng)梁高為700mm時，實際的底層柱計算高度比從地面算至梁高中點的高度增加了1.35m。應(yīng)該說，還是比較合理的數(shù)據(jù)。我國的規(guī)范對計算簡圖中底層柱的計算高度從

4、一開始就沒有明確的規(guī)定，只是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(TJ 1074)中，有個提法，在對柱計算長度l 0的規(guī)定中采用了柱高度H乘以一個計算長度系數(shù)來表達(dá)。關(guān)于柱高度H，在規(guī)范中對于單層工業(yè)廠房與多層房屋有兩種定義：單層工業(yè)廠房中的定義是，“H從基礎(chǔ)頂面算起的柱子全高” ；多層房屋中的定義是，“H樓層高度” ?？梢钥闯觯@里的柱高度H只是一個幾何參數(shù)，并沒有代表計算簡圖中柱計算高度的含義。因為，對于沒有地下室的多層房屋來說在計算簡圖中底層柱的計算高度，顯然應(yīng)該大于底層的樓層高度而不是等于底層的樓層高度。應(yīng)該歷史地指出，那時量大面廣的各類單層工業(yè)廠房，其基礎(chǔ)頂面到室內(nèi)地坪的距離一般不超過1m，在規(guī)范

5、中用“從基礎(chǔ)頂面算起的柱子全高”作為計算參數(shù)的規(guī)定，實際上是在當(dāng)時的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下用以減少單層工業(yè)廠房柱計算長度l 0的規(guī)定。多層廠房底層柱的計算高度采用底層層高加1m，單層廠房柱的計算高度采用基礎(chǔ)頂面算起的柱子全高，就這樣并行了幾十年。我院在80年代初期編制的若干套多層框架國家標(biāo)準(zhǔn)圖，底層柱的計算高度是按照底層層高加1m的規(guī)則編制的，為其編制的技術(shù)條件當(dāng)時已按慣例進(jìn)行過審查。另外，建筑科學(xué)研究院在探討地震作用下，多層框架柱截面組合彎矩設(shè)計值的增大系數(shù)時曾做了大量的計算工作，其依據(jù)的藍(lán)本正是我院編制的上述國家標(biāo)準(zhǔn)圖?？梢悦黠@的看出，在多層廠房計算中對于底層柱的計算高度采用底層層高加1m的這種習(xí)

6、慣性做法多年來并沒有見到任何反對意見?；炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB 1089)，在第7.3.1條的條文說明中已經(jīng)指出，關(guān)于框架柱計算長度l 0的確定是在74規(guī)范的基礎(chǔ)上“做了一些必要的調(diào)整補充” 。該規(guī)范對于柱高度H仍有兩種定義。單層工業(yè)廠房沒有變化，多層房屋鋼筋混凝土框架柱中底層柱H的定義改為“基礎(chǔ)頂面到一層樓蓋頂面之間的距離” 。從規(guī)范的繼承性來判斷，89規(guī)范對74規(guī)范的修改是在原規(guī)范思路基礎(chǔ)上的修改，只涉及對原規(guī)范中幾何參數(shù)H取值的調(diào)整。第7.3.1條的條文說明有將近兩頁的篇幅對“必要的調(diào)整補充”作了說明，但沒有任何對H的重新定義的文字?jǐn)⑹?。?yīng)該認(rèn)為，89規(guī)范同樣不涉及對框架計算簡圖中底層柱

7、計算高度的規(guī)定。混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB 500102002)，除去在第7.3.11條的條文說明中對框架結(jié)構(gòu)柱的二階效應(yīng)作了較多的探討外，對柱高度H的定義沒有變化。因此，2002規(guī)范也應(yīng)理解為不涉及對框架計算簡圖中底層柱計算高度的規(guī)定。關(guān)于在計算簡圖中柱的計算高度問題還有兩個方面的內(nèi)容可以做旁證：一是，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范是對混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其連接等方面作規(guī)定的規(guī)范，對于結(jié)構(gòu)分析及荷載效應(yīng)組合只有原則性的規(guī)定。理所當(dāng)然地不會對內(nèi)力分析計算簡圖中的細(xì)節(jié)作規(guī)范性規(guī)定，柱計算長度l 0的規(guī)定屬于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計規(guī)定，沒有理由將其中的“注”引伸為是對內(nèi)力分析計算簡圖中細(xì)節(jié)規(guī)定?？赡苌婕暗綄?nèi)力分析計算簡圖

8、細(xì)節(jié)作規(guī)定的應(yīng)該是抗震規(guī)范或高層混凝土規(guī)范等規(guī)范，但是從工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計規(guī)范(TJ 1178)開始，到現(xiàn)在的建筑抗震設(shè)計規(guī)范(GB 500112001)，以及鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程(JGJ 391)、高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ 32002)等都沒有對內(nèi)力分析計算簡圖中柱的計算高度作專門的規(guī)定。在JGJ 32002的第4.5.5條中，有關(guān)于“作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位的地下室樓層的頂樓蓋”的規(guī)定，這與柱的計算高度有點關(guān)聯(lián)，但顯然不屬于本文討論的范圍。二是，80年代后期，參編混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的重慶建筑工程學(xué)院的混凝土柱計算長度研究小組一行幾人，曾到我院對多層廠房柱的計算長度

9、系數(shù)問題征求過意見，我院由我接待。當(dāng)時主要探討了兩方面的問題：對框架剪力墻結(jié)構(gòu)的剪力墻構(gòu)件在主受力方向的計算長度是否應(yīng)考慮建筑物的全高作為修正計算長度l 0的幾何參數(shù)。當(dāng)時有些單位通過彈性穩(wěn)定的計算機分析，得出一個在設(shè)計上難于接受的結(jié)論，一個常見的五層框架，五層邊柱的計算長度修正系數(shù)達(dá)到45倍之多！他們表示要作進(jìn)一步的研究。他們當(dāng)時知道我院在全國范圍內(nèi)是多層廠房設(shè)計最多的一家設(shè)計院，但自始至終并沒有征求過對內(nèi)力分析計算簡圖中框架結(jié)構(gòu)底層柱的計算高度問題。顯然，這不是他們關(guān)注的問題。在89規(guī)范發(fā)布之后很長一段時間，在設(shè)計中多層廠房底層柱的計算高度采用底層層高加1m，仍然是一種習(xí)用的做法。在成立了

10、施工圖審圖公司之后的初始階段也沒有變化。后來，在有人依據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中的“注”引伸為應(yīng)該將多層房屋底層柱的計算高度改為從基礎(chǔ)頂面到一層樓蓋頂面之間的距離之后才出現(xiàn)了麻煩。根據(jù)本文的討論，這種引伸并不符合規(guī)范的本意，以此作為施工圖的審查依據(jù)理由是不充分的。為了改變這種狀況需要多做解釋工作，在解釋工作奏效之前只好采取變通的處理辦法。變通處理辦法1：從基礎(chǔ)頂面到±0.00以下某處 (例如，0.80) 設(shè)粗短柱，將粗短柱的頂面看成基礎(chǔ)的頂面。對于抗震設(shè)防烈度為8度、場地類別為類的建筑，可避開因底層柱計算高度過高使得層間位移難于滿足規(guī)范要求的狀況。當(dāng)柱截面為600×600mm時

11、，可以將每邊放寬150mm，使粗短柱的截面變成900×900mm。這樣，粗短柱的截面慣性矩將達(dá)到上部柱截面慣性矩的5倍，施工圖審圖公司的關(guān)就比較容易過了。變通辦法 2：有條件時，到處設(shè)基礎(chǔ)梁，看成是一層框架梁，多加一層計算，基礎(chǔ)梁以下的一層可設(shè)為地下室，這樣也能通得過。盡管可以變通處理，但我認(rèn)為從道理上說其實是多此一舉。只不過是審圖公司不肯蓋章，就不能施工，也就只有變通處理了。要點：柱的計算長度l 0不是指框架結(jié)構(gòu)分析時結(jié)構(gòu)計算簡圖中的柱計算高度，它只與柱配筋計算相關(guān)，計算長度l 0的變化只影響柱的配筋大小，對內(nèi)力分析的結(jié)果無任何影響。求軸心受壓柱的穩(wěn)定系數(shù)w和求偏心受壓柱的偏心距增大系數(shù)時才用到柱的計算長度l 0 。求柱的計算長度l 0要用到柱高度H 。按規(guī)范的原始定義，這里的柱高度H并不等同于結(jié)構(gòu)計算簡圖中的柱計算高度，它代表的只是一個幾何參數(shù)。結(jié)構(gòu)計算簡圖中的柱計算高度，在我國的規(guī)范中并沒有明確的規(guī)定。各設(shè)計院幾十年來習(xí)用的規(guī)定，應(yīng)該可以作為參考的數(shù)據(jù)。多層廠房底層柱的計算高度采用底層層高加1m，單層廠房柱的計算高度采用基礎(chǔ)頂面算起的柱子全高，幾十年來一直在我國的設(shè)計中并行采用。我院在80年代初期編制的若干套多層框架國家標(biāo)準(zhǔn)圖，正是按照底層柱的計算高度采用底層層高加1m的規(guī)則編制，為其編制的技