論框架結(jié)構設計中問題要點的分析

張　敏

摘要:對于一項工程設計來說,其質(zhì)量的好壞,很大程度上取決于設計人員對工程狀況的了解和處理具體問題所具備的素質(zhì)是否到位。本文作者根據(jù)多年的相關工作經(jīng)驗,就高層建筑中框架設計這一模塊,提出了自己的一些見解。

關鍵詞:框架結(jié)構設計 后澆帶 箍筋加密

1 框架梁柱截面尺寸的選取及其影響因素

1.1 框架梁截面尺寸的選取 近年來,我國很多設計人員根據(jù)大量的工程實踐經(jīng)驗,設計框架梁時,在高度取值上已有了不同過去的規(guī)定,一般為跨度的1/18～1/15。在現(xiàn)行高層規(guī)程中已規(guī)定取跨度的1/18～I/10。譬如像8m左右柱網(wǎng)的一般民用建筑,框架主梁高度取500mm左右,寬度為350～400mm。

1.2 框架柱截面尺寸的選取及其影響因素 進行高層建筑的框架結(jié)構設計時,由于框架柱所受的軸向力較大,柱的截面尺寸要根據(jù)軸壓比限值進行假定,因為框架柱的軸壓比限制條件是要保證柱的延性。

新規(guī)程相對舊規(guī)程,在柱的最小截面尺寸規(guī)定上已有所降低。矩形截面柱的邊長,非抗震設計時不宜小于250mm,抗震設計時不宜小于300mm。

影響高層框架柱截面尺寸的因素主要是結(jié)構的側(cè)移限制條件。

高層建筑層數(shù)多、高度大,為保證高層建筑具有必要的剛度,應對其層位移加以控制。這個控制實際是對柱截面尺寸控制的一個相對指標。

在正常使用條件下,限制高層建筑結(jié)構層間位移的主要目的有兩點:①保證主結(jié)構基本處于彈性受力狀態(tài),即避免混凝土柱出現(xiàn)裂縫;同時,將混凝土梁等樓面構件的裂縫數(shù)量、寬度和高度限制在規(guī)范允許范圍之內(nèi)。②保證填充墻、隔墻和幕墻等非結(jié)構構件的完好,避免產(chǎn)生明顯損傷。

迄今,控制層間變形的參數(shù)有三種:即層問位移與層高之比(層間位移角)、有害層間位移角、區(qū)格廣義剪切變形?？紤]到層間位移控制是一個宏觀的側(cè)向剛度指標,為便于設計人員在工程中應用,高層規(guī)程采用了層間最大位移與層高之比。對框架結(jié)構,其限值為1/550。

因此,選擇的柱截面尺寸既滿足軸壓比規(guī)定,又滿足層間位移控制條件,是方案設計階段需慎重處理的一個問題。

由于框架結(jié)構的抗側(cè)移剛度較小,當層數(shù)較多時,框架柱的截面尺寸常常由側(cè)移限制條件所控制,而框架柱的截面尺寸的增大對抗側(cè)移剛度的貢獻又較小,往往造成框架柱的截面尺寸較大,按內(nèi)力計算的柱配筋常常是按構造配筋,并且過大的柱截面尺寸又影響建筑的合理使用,尤其是高層住宅,10層左右時取柱截面為800mm×

800mm,墻體厚一般為240mm,會嚴重影響住宅的內(nèi)部布置,當然還有框架梁高的不利影響。

2 后澆帶

結(jié)構由于過長、受力不均勻等原因,需要設置變形縫(三縫),由于設縫的處理有時比較困難,建筑專業(yè)對縫比

較反感?，F(xiàn)在越來越多的建筑都以后澆帶代替變形縫,即在施工時,先預留800～1000mm左右的縫,過若干時間后澆混凝土。

代替沉降縫的后澆帶,一般后澆時間為主體結(jié)構完工后。如果基礎置于壓縮模量大的土層或砂土上,則在后澆混凝土前沉降已基本處于穩(wěn)定,利用后澆帶代替沉降縫基本是可取的。如果置于壓縮模量較小的土層,則后期沉降量占有一定的比例,后澆帶澆筑后還會繼續(xù)存在較大的沉降差,不能光靠后澆帶解決所有問題,需要在結(jié)構上采取其他構造措施加以解決。

對于代替伸縮縫的后澆帶,一般后澆帶預留的時間為幾個月,此時,采用了后澆帶,混凝土澆灌時收縮變形基本上不產(chǎn)生附加應力,能起到較好的作用。但后澆帶澆灌后至建筑物正常使用階段,由于自然溫差引起的伸縮仍會產(chǎn)生附加應力,與不設后澆帶基本一樣,這點應引起足夠的重視。

另外,后澆帶處鋼筋如果切斷,則錨固長度較難以保證,特別是梁中鋼筋較粗,而后澆帶寬一般只有800mm左右,難以滿足規(guī)范的錨固要求,而且所有鋼筋在同一截面截斷錨固有違規(guī)范要求。如果鋼筋不斷,則混凝土收縮時會引起鋼筋產(chǎn)生預應力,如此力與正常受力方向一致,則降低了承載力。

因此,工程中不能一概用后澆帶代替結(jié)構縫,應對后澆帶的作用進行客觀分析,對其帶來的不利因素或不能解

決的問胚等應采取其他措施加以彌補。附帶指出,利用各種膨脹劑同樣有以上后澆帶類似的問題。

3 結(jié)構的內(nèi)力調(diào)整

《建筑抗震設計規(guī)范》繼續(xù)采用“強柱弱梁”、“強剪弱彎”、“強節(jié)點強錨固弱構件”的設計思想,依據(jù)結(jié)構類型、抗震設防烈度和房屋高度決定結(jié)構抗震等級;然后按抗震等級對結(jié)構構件設計內(nèi)力進行調(diào)整。在該規(guī)范中,結(jié)構抗震等級分為四級(一、二、三和四級)。高層規(guī)程根據(jù)高層建筑的自身特點又做了一些補充規(guī)定,增加了特一級。各抗震等級的梁、柱均對組合內(nèi)力設計值進行不同系數(shù)的調(diào)整,用來限制大震下塑性鉸區(qū)出現(xiàn)部位,避免或減少脆性剪切破壞先于彎曲破壞加強柱根部推遲塑性鉸形成,控制倒塌,做到“小震不壞,中震可修,大震不倒”。

3.1 內(nèi)力調(diào)整的分類 高層建筑結(jié)構在荷載作用下,經(jīng)過結(jié)構分析計算,求得各構件的內(nèi)力標準值,再進行各種修正和調(diào)整得到設計值。內(nèi)力修正和調(diào)整一般分為兩類。第一類屬于結(jié)構整體內(nèi)力調(diào)整,主要包括:樓層最小地震力限值控制、薄弱層地震剪力放大、框剪結(jié)構中框架部分所受地震總剪力的調(diào)整及框支轉(zhuǎn)換層中框支柱地震剪力的調(diào)整等。這類調(diào)整的特點是,在不滿足規(guī)范的某些規(guī)定時才進行調(diào)整,而且調(diào)整的部位和調(diào)整系數(shù)的大小一般均需在計算后才能確定。第二類則是梁、柱的構件內(nèi)力或組合內(nèi)力的調(diào)整。此類調(diào)整的部位明確,調(diào)整系數(shù)的大小可根據(jù)抗震等級確定。

3.2 內(nèi)力調(diào)整的方法 在《建筑抗震設計規(guī)范》中,給出了各種內(nèi)力調(diào)整的表達式。這類調(diào)整又分以下3種情況:一是直接在柱端標準內(nèi)力彎矩組合值上乘以增大系數(shù)。二是對內(nèi)力組合中的個別工況內(nèi)力進行調(diào)整,例如框支柱的軸力調(diào)整只對地震作用下的軸力進行。此時,在對各工況內(nèi)力組合之前,先把地震軸力進行放大后再組合。三是框架梁的剪力調(diào)整,只是對梁兩端的固端彎矩引起的剪力進行調(diào)整,而對后迭加的豎向荷載引起的簡支梁剪力不加調(diào)整。

3.3 內(nèi)力調(diào)整系數(shù) 按照《建筑抗震設計規(guī)范》,進行現(xiàn)澆鋼筋混凝土房屋抗震等級的劃分。根據(jù)結(jié)構類型、設防烈度和房屋高度,可以決定結(jié)構的抗震等級。

4 箍筋加密

抗震設計中,框架梁的粱端1.5h～2h(h為梁高)范圍內(nèi)箍筋需要加密。這是為了使梁端可能產(chǎn)生塑性鉸的區(qū)域有較好的延性,這也是抗震設計的構造要求。顯然,構件除了要滿足抗震構造要求外,還需保證在受力狀態(tài)下的安全,如梁還應滿足豎向荷載作用(或與水平荷載組合作用)下抗剪承載能力的要求,以此確定抗剪箍筋的數(shù)量。不少設計人員用程序計算時在加密區(qū)1.5h～2h長度內(nèi)滿足梁端部受力和構造要求(如箍筋間距取為100mm),而在非加密區(qū)長度內(nèi)的箍筋數(shù)量則按加密區(qū)箍筋數(shù)量的50%配置(如箍筋間距取為200mm),這是不能保證安全的。分析如下:

框架梁在豎向荷載作用下,剪力圖反對稱,若中間的箍筋數(shù)量按加密區(qū)箍筋數(shù)量的50%配置,則加密區(qū)的長度至少需要L/4(L為梁長)。在一般情況下,梁高h小于L/8,則L/4就大于2h,加密區(qū)長度取2h就滿足不了抗剪的要求。在水平荷載為主要荷載的情況下,剪力圖偏于一邊,中間部位的剪力一般情況下只比端部最大剪力小20%～30%,有時甚至與端部剪力基本一致,此時梁全長都需要按端部剪力配置箍筋。

因此,設計人員應重視這一情況,最好按端部剪力和梁上荷載計算出中間部分的剪力進行計算配置;如果簡化,為安全起見,應在梁全長范圍內(nèi)都按端部最大剪力配置箍筋,最大間距為100mm(一、二級抗震)或150mm(三、四級抗震)。

5 結(jié)語

縱觀全文,筆者從粱柱截面尺寸選擇、軸壓比限制、側(cè)移控制、箍筋加密及抗震設計內(nèi)力的調(diào)整等方面的情況做了一些探討,希望得到的相關結(jié)論能夠得到同行的提點。

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