鋼筋混凝土多層框架房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾個(gè)問題

鋼筋混凝土多層框架房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾個(gè)問題摘要：鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)作為一種常用的結(jié)構(gòu)形式，具有傳力明確、結(jié)構(gòu)布置靈活、抗震性和整體性好的優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛地應(yīng)用于各類工業(yè)與民用建筑當(dāng)中。在此針對框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，從獨(dú)立基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)的抗震、框架梁及柱中的配筋、梁端彎矩調(diào)幅、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等方面作了探討，從而使框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更合理。關(guān)鍵詞：獨(dú)立基礎(chǔ)；結(jié)構(gòu)抗震；框架梁；框架柱；配筋；構(gòu)造措施；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中圖分類號(hào)：ＴＵ312文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ獨(dú)立基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)獨(dú)立基礎(chǔ)的荷載鋼筋混凝土多層框架房屋多采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，《抗震規(guī)范》(GB50011-2001)第4.2.1條指出，當(dāng)?shù)鼗饕芰臃秶鷥?nèi)不存在軟弱粘性土層時(shí)，不超過8層且高度在25m以下的一般民用框架房屋或荷載相當(dāng)?shù)亩鄬涌蚣軓S房，可不必進(jìn)行地基和基礎(chǔ)的抗震承載力驗(yàn)算。也就是說，在8度地震區(qū)，大多數(shù)鋼筋混凝土多層框架房屋可不必進(jìn)行地基和基礎(chǔ)的抗震承載力驗(yàn)算，但這些房屋在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮風(fēng)荷載的影響。因此，在鋼筋混凝土多層框架房屋的整體計(jì)算分析時(shí)，必須考慮風(fēng)荷載影響，不能以為在地震區(qū)高層建筑以外的一般建筑風(fēng)荷載不起控制作用。另一種情況是，在設(shè)計(jì)獨(dú)立基礎(chǔ)時(shí)，作用在基礎(chǔ)頂面上的外荷載（柱腳內(nèi)力設(shè)計(jì)值）只取軸力設(shè)計(jì)值和彎矩設(shè)計(jì)值，無剪力設(shè)計(jì)值，或者甚至只取軸力設(shè)計(jì)值。以上兩種情況都會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)設(shè)計(jì)尺寸偏小，配筋偏少，影響基礎(chǔ)本身和上部結(jié)構(gòu)的安全。獨(dú)立基礎(chǔ)的拉梁當(dāng)基礎(chǔ)埋置較深,為了減小底層柱計(jì)算高度及底層側(cè)向位移,可在±0.000附近設(shè)置基礎(chǔ)拉梁,但不宜按構(gòu)造設(shè)置,宜按照框架要求設(shè)計(jì),定義彈性結(jié)點(diǎn),按總剛分析法分析計(jì)算,且基礎(chǔ)應(yīng)設(shè)成短柱基礎(chǔ)。當(dāng)基礎(chǔ)埋置不深,地基條件不良或框架柱荷載相差較大時(shí),可采用兩種方法:一是將基礎(chǔ)拉梁做成弱拉梁,此時(shí)拉梁截面高度可取為柱中心距的1/15～1/18,縱向受力鋼筋取所連柱最大軸力設(shè)計(jì)值的10%作為拉力計(jì)算,且不應(yīng)小于相應(yīng)的構(gòu)造要求(上下各2Φ14,8@200),當(dāng)拉梁上部有荷載時(shí),應(yīng)將截面適當(dāng)加大,且算出的配筋應(yīng)與上述配筋疊加,拉梁可設(shè)于±0.000附近,基礎(chǔ)按偏心受壓設(shè)計(jì)。二是將基礎(chǔ)拉梁做成強(qiáng)拉梁,以此來平衡柱底彎矩,拉梁正負(fù)彎矩鋼筋在框架柱內(nèi)的錨固,拉梁箍筋加密及相關(guān)構(gòu)造要求應(yīng)符合框架梁要求。此時(shí)拉梁應(yīng)設(shè)置于基礎(chǔ)頂面,按軸心受壓設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)的抗震抗震設(shè)防等級在工程設(shè)計(jì)中，多數(shù)房屋建筑按其抗震設(shè)防分類屬于丙類建筑，如民用住宅、辦公樓及一般工業(yè)建筑等等，其抗震等級可根據(jù)烈度、結(jié)構(gòu)類型和房屋的高度按《抗震規(guī)范》表6.1.2確定。而電訊、交通、能源、消防和醫(yī)療等類建筑以及大型體育場館、大型零售商場等公共建筑，首先，應(yīng)當(dāng)根據(jù)《建筑抗震設(shè)防分標(biāo)準(zhǔn)》（GB50223-95）確定其中哪些建筑屬于乙類建筑，乙、丙類建筑，地震作用均按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度計(jì)算。對于乙類建筑，一般情況下，當(dāng)抗震設(shè)防烈度為6～8度時(shí)，抗震措施應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防列度提高一度的要求。所謂抗震措施，在這里主要體現(xiàn)為按本地區(qū)設(shè)防烈度提高一度由《抗震規(guī)范》表6.1.2確定其抗震等級。例如，位于8度地震區(qū)（如北京）的乙類建筑，應(yīng)按9度由《抗震規(guī)范》表6.1.2確定其抗震等級為一級；當(dāng)8度乙類建筑的高度過表6.1.2規(guī)定的范圍時(shí)，還應(yīng)經(jīng)專門研究，采取比一級抗震等級更有效的抗震措施。如國內(nèi)某大型零售商場和某三級醫(yī)院的門診樓本屬乙類建筑，但設(shè)計(jì)人員錯(cuò)當(dāng)成丙類建筑來設(shè)計(jì)，使建筑物的抗震能力為降低，不得不對設(shè)計(jì)計(jì)算做重大修改。地震力的振型組合地震力的振型組合數(shù)，對高層建筑，當(dāng)不考扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)計(jì)算時(shí)，振型數(shù)至少應(yīng)取3；當(dāng)振型數(shù)多于3時(shí)，宜取3的倍數(shù)，但不應(yīng)多于層數(shù)；當(dāng)房屋層數(shù)≤2時(shí)，振型數(shù)可取層數(shù)。對于不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，當(dāng)考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)時(shí)，對高層建筑，振型數(shù)應(yīng)取≥9；結(jié)構(gòu)層數(shù)較多或結(jié)構(gòu)剛度突變較大，振型數(shù)應(yīng)多取，如結(jié)構(gòu)有轉(zhuǎn)換層、頂部有小塔樓、多塔結(jié)構(gòu)等，振型數(shù)應(yīng)取≥12或更多，但不能多于房屋層數(shù)的3倍；只有當(dāng)定義彈性樓板，且采用總剛分析，必要時(shí)，振型數(shù)才可以取的更多?！犊拐鹨?guī)范》指出，合適的振型個(gè)數(shù)一般可以取振型參與質(zhì)量達(dá)到總質(zhì)量的90％所需的振型數(shù)。此外，由耦聯(lián)計(jì)算的地震剪力通常小于非耦聯(lián)計(jì)算，僅當(dāng)結(jié)構(gòu)存在明顯示扭轉(zhuǎn)時(shí)才采用耦聯(lián)計(jì)算，但在必要時(shí)應(yīng)補(bǔ)充非耦聯(lián)計(jì)算?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的電梯井由于在地震作用下高層框架結(jié)構(gòu)的位移較難控制而多層框架結(jié)構(gòu)的位移控制要比其容易許多，故對于多層的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)電梯井，完全可以采用框架加填充墻形式，只是這時(shí)應(yīng)加密填充墻的構(gòu)造柱，且應(yīng)注意加強(qiáng)電梯井周圍的框架梁柱的配筋，因其剛度影響在計(jì)算中無法反應(yīng)出來。若要將電梯井做成鋼筋混凝土形式，由于井筒會(huì)吸收較大地震力，相應(yīng)減少框架部分吸收的地震力，則框架部分偏于不安全，且井筒基礎(chǔ)設(shè)計(jì)也較為困難，故應(yīng)對整個(gè)結(jié)構(gòu)按有無鋼筋混凝土井筒分別計(jì)算，取最不利結(jié)果配筋，且對井筒墻壁采取做薄墻厚、構(gòu)造配筋、開豎縫、開計(jì)算洞等辦法來弱化電梯井剛度。這樣的墻體布置，在地震作用下不至于由于電梯井筒的破壞，而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體喪失穩(wěn)定性。此外，還要特別指出，對框架結(jié)構(gòu)出屋頂?shù)碾娞蓍g和水箱間等，應(yīng)采用框架承重，不得采用砌體墻承重；而且應(yīng)當(dāng)考慮鞭梢效應(yīng)乘以增大系數(shù)；雨篷等構(gòu)件應(yīng)從承重梁上挑出，不得從填充墻上挑出；樓梯梁和夾層梁等應(yīng)承重于柱上，不得支承在填充墻上。梁端彎矩及梁柱配筋梁端彎矩調(diào)幅考慮到梁端負(fù)彎矩較大，配筋較多且施工不便,所以在豎向荷載作用下，考慮塑性內(nèi)力重分布，將梁端負(fù)彎矩降低來配筋。規(guī)范要求，現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)的調(diào)幅系數(shù)為0.8～0.9，裝配式混凝土的調(diào)幅系數(shù)為0.7～0.8。但同時(shí)要注意的是，規(guī)范規(guī)定，只在豎向荷載作用下梁端負(fù)彎矩才允許調(diào)幅，而水平荷載作用下的梁端彎矩不做調(diào)幅。正確的做法是應(yīng)該先將豎向荷載產(chǎn)生的彎矩進(jìn)行調(diào)幅(同時(shí)相應(yīng)的剪力也應(yīng)做變化)，然后與水平荷載產(chǎn)生的彎矩進(jìn)行組合。調(diào)幅計(jì)算時(shí)可采用兩種方法：一是先將梁端的固端彎矩做調(diào)幅，然后再進(jìn)行力矩分配；二是將由力矩分配法得到的梁端彎矩直接乘以調(diào)幅系數(shù)?？蚣芰号浣畹恼{(diào)整在滿足梁柱的截面和配筋率的情況下，仍需在計(jì)算配筋后進(jìn)行梁的裂縫寬度的驗(yàn)算和滿足梁端斜截面“強(qiáng)剪弱彎”條件下的梁端配筋調(diào)整?？蚣芰旱牧芽p寬度驗(yàn)算往往被工程設(shè)計(jì)人員忽視，對此應(yīng)引起注意。影響裂縫寬度的主要因素有兩方面。一是混凝土強(qiáng)度等級，二是鋼筋的級別和直徑。對于普通的混凝土構(gòu)件，混凝土強(qiáng)度等級的提高對梁的裂縫寬度影響不大，一般情況宜采用增大梁的配筋率或增大梁的截面尺寸的方法來減小梁的裂縫寬度。在框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)力求做到地震作用下框架梁端斜截面受剪承載力高于受彎承載力，即“強(qiáng)剪弱彎”。為了保證這一點(diǎn)，可進(jìn)行以下幾項(xiàng)調(diào)整：一是適當(dāng)增大梁端截面；二是適當(dāng)增大梁端箍筋直徑，加密箍筋間距；三是梁端負(fù)彎矩鋼筋不放大，梁跨中受拉鋼筋適當(dāng)放大1.1倍～1.3倍?？蚣苤浣畹恼{(diào)整框架柱的配筋率一般都很低，有時(shí)計(jì)算結(jié)果為構(gòu)造配筋，但是實(shí)際工程中均不會(huì)按此配筋。因?yàn)樵诘卣鹱饔孟碌目蚣苤貏e是角柱,所受的扭轉(zhuǎn)剪力最大，同時(shí)又受雙向彎矩作用，而橫梁的約束又較小，工作狀態(tài)下處于雙向偏心受壓狀態(tài)，所以其震害嚴(yán)重于內(nèi)柱。對于質(zhì)量分布不均勻的框架結(jié)構(gòu)尤為明顯。為了滿足框架柱在多種內(nèi)力組合下的強(qiáng)度要求，在配筋計(jì)算時(shí)應(yīng)注意以下問題：1）選擇最不利的方向分別進(jìn)行框架計(jì)算，也可對兩個(gè)方向均進(jìn)行計(jì)算后取較大方向的配筋，并采用對稱配筋；2）控制柱的單邊方向縱筋的最少根數(shù)；3）將構(gòu)造配筋的框架柱的配筋適當(dāng)放大。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，一般控制在1.2倍～1.6倍，其中角柱1.4倍，邊柱1.3倍，中柱1.2倍?？蚣苤墓拷钚问綉?yīng)選用菱形或井字形，以提高箍筋對混凝土的約束對于二、三級的框架底層柱縱筋宜采用焊接，而且當(dāng)柱縱筋的總配筋率大于3%時(shí)，箍筋的直徑不應(yīng)小于8ｍｍ，并應(yīng)焊接。多層框架計(jì)算時(shí)，常不考慮溫度應(yīng)力和基礎(chǔ)的不均勻沉降，當(dāng)多層框架的水平尺寸較大及地基軟弱土層較厚或地基土質(zhì)不均勻時(shí)，可以再適當(dāng)放大柱的配筋，且宜在縱、橫兩個(gè)方向設(shè)置基礎(chǔ)梁，其配筋不宜按構(gòu)造設(shè)置，應(yīng)按框架梁進(jìn)行設(shè)計(jì)，并應(yīng)設(shè)置箍筋加密區(qū)。結(jié)構(gòu)構(gòu)造框架梁的通長面積配筋率ρsv不滿足規(guī)范要求。ＧＢ500102002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》11.3.9明確規(guī)定了最小面積配筋率，容易被忽視。如：二級框架，500ｍｍ×800ｍｍ，Ｃ40，非加密區(qū)箍筋8@200，四肢箍要求ρsv≥0.28ｆｔ/ｆｙｖ=(0.28×1.71)/210=0.00228，實(shí)際ρsv=(50.3×4)/(200×500)=0.00200<0.00228，不滿足設(shè)計(jì)規(guī)范。當(dāng)框架梁端縱向受拉筋配筋率大于2%時(shí)，箍筋直徑?jīng)]有增大2ｍｍ。設(shè)計(jì)中經(jīng)常碰到梁端縱向受拉筋配筋率大于2%的情況，往往不注意ＧＢ500102002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》11.3.63的規(guī)定,導(dǎo)致箍筋直徑偏小。如：某二級框架梁截面尺寸為250ｍｍ×400ｍｍ,梁端負(fù)筋為4Φ25，混凝土為Ｃ30，箍筋為8@100，可知梁端縱向受拉筋配筋率為(490.9×4)/(250×365)=2.15%>2%，故箍筋直徑應(yīng)至少為10ｍｍ，原配箍筋直徑偏小?？蚣芰杭用軈^(qū)箍筋肢距不滿足規(guī)范要求。如：寬300ｍｍ框架梁，箍筋為10@100，兩肢箍，此時(shí)箍筋肢距為260ｍｍ。當(dāng)抗震等級為1級～3級時(shí)，不滿足ＧＢ500102002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》11.3.8的規(guī)定，應(yīng)在加密區(qū)范圍內(nèi)加一根拉筋，成三肢箍，可滿足要求?？蚣苤v筋間距和凈距不滿足規(guī)范要求。按ＧＢ500102002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》10.3.13和11.4.13的規(guī)定，框架柱縱筋的凈距不宜小于50ｍｍ，且當(dāng)柱截面尺寸大于400ｍｍ時(shí)縱筋的間距不宜大于200ｍｍ。邊柱有可能會(huì)遇到這種情況，特別是當(dāng)邊跨較長，柱的計(jì)算長度較長，沿邊跨方向框架的抗側(cè)剛度較弱時(shí)。這時(shí)框架柱邊跨方向計(jì)算配筋較大，另一方向配筋較小，如某框架柱高7.0ｍ，截面尺寸為500ｍｍ×700ｍｍ，短邊配8Φ25，長邊配4Φ25，兩方向均不滿足規(guī)范要求。地下室頂板厚度不夠按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》6.1.4的規(guī)定，當(dāng)作為上部嵌固部位時(shí)，應(yīng)避免開大洞口，采用現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，且板厚不宜小于180ｍｍ，實(shí)際設(shè)計(jì)中在此種情況下經(jīng)常會(huì)忽視此條規(guī)定，導(dǎo)致板厚偏小。短柱位置未明確樓梯平臺(tái)梁或者雨篷梁支撐在框架柱上，容易形成短柱，應(yīng)按要求全長加密箍筋。框架外圍填充墻開窗，由于窗臺(tái)處砌體對框架柱作用，容易形成短柱，也應(yīng)全長加密。若不加密，可將砌體墻與框架柱設(shè)成柔性連接(如：墻柱之間留有縫隙，填充一些松散材料，但應(yīng)有鋼筋與柱拉結(jié))，或從邊框梁處出挑挑耳，上砌砌體填充墻，消除對框架柱的作用。結(jié)語以上就框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題進(jìn)行了初步探討，只有熟練掌握規(guī)范，并在工程實(shí)踐中不斷總結(jié)、積累經(jīng)驗(yàn)，才能使框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更合理。參考文獻(xiàn)：[1]ＧＢ500102002，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]ＧＢ500112001，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]ＧＢ500072002，《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]ＧＢ50223-95，《建筑抗震設(shè)防分標(biāo)準(zhǔn)》[5]周起敬，《混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造手冊》北京：中國建筑工業(yè)出版社，1994[6]國家標(biāo)準(zhǔn)圖集：混凝土結(jié)構(gòu)施工圖平面整體表示方法制圖規(guī)則和構(gòu)造詳圖00ＧＢ101北京：中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究所出版，2002[7]龔思禮，《建筑抗震設(shè)計(jì)手冊》，北京：中國建筑工業(yè)出版社，1994.5773[8]四校合編教科書，《混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》，北京：中國建筑工業(yè)出版社[9]呂西林，《高層建筑結(jié)構(gòu)》，武漢：武漢理工大學(xué)出版社[10]郭繼武，《建筑抗震設(shè)計(jì)》，北京：中國建筑工業(yè)出版社TheProblemsofStructureDesigninReinforcedconcreteAbstract:TheReinforcedconcreteframeisakindofStructureincommonuse,havesometraitsoftransmissionclear,flexiblelayout,anti-seismicandaggregatewhichhasbeenmakeuseofindustrialandresidentbuilding.Andpointtotheframestructuredesign,wemadesomediscussionsaboutthebasisofindependentstructure,anti-sesismic,