淺析建筑框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計要素

安海龍

摘要：框架結(jié)構(gòu)在建筑物中擔(dān)任著重要的角色，不僅是建筑物受力的主要結(jié)構(gòu)，也是提高建筑物各項性能的重要結(jié)構(gòu)。本文將從以下幾個方面來詳細(xì)的分析建筑設(shè)計中框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點環(huán)節(jié)和需要重點關(guān)注的一些要素，以期提高建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：建筑；框架結(jié)構(gòu)；設(shè)計要素

一、前言

在建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中，如果設(shè)計人員不重視提高框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計質(zhì)量，不遵循框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的原理，就容易導(dǎo)致后期使用出現(xiàn)各種問題，降低建筑物的各項性能。所以，必須在設(shè)計過程中重視框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作。

二、框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理

在建筑結(jié)構(gòu)中框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理主要包括兩個方面：一是建筑結(jié)構(gòu)的荷載，二是極限狀態(tài)設(shè)計法。

1.建筑結(jié)構(gòu)的荷載

荷載：施加在結(jié)構(gòu)上的集中力或分布力，稱之為直接荷載；引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形，稱之為間接荷載。荷載效應(yīng)：由作用引起的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的反映。結(jié)構(gòu)抗力：結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受效應(yīng)的能力。

2.極限狀態(tài)設(shè)計法

為了保證框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性、耐久性與實用性，必須對其極限狀態(tài)進(jìn)行驗算。同時，這也是框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法。安全性：滿足特定的與建筑物功能相適應(yīng)的承載力極限狀態(tài)；耐久性：保證結(jié)構(gòu)的承載力的持續(xù)時間與環(huán)境使用度；實用性：保證結(jié)構(gòu)在正常使用中時具有良好的工作性能。

三、框架結(jié)構(gòu)的構(gòu)造理論

1.梁

首先要按照構(gòu)造要求選擇梁高；按混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范GB20010-2010設(shè)計協(xié)調(diào)扭轉(zhuǎn)構(gòu)件，計算內(nèi)應(yīng)力要考慮抗扭剛度下降和構(gòu)件開裂所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力重新分布問題。分析并確定抗扭縱筋和箍筋，滿足混凝土規(guī)范規(guī)定的最小配筋要求；建筑工程框架結(jié)構(gòu)應(yīng)選用雙向梁柱剛接體系，部分框架的橫梁也可以搭在另外的框架上；梁或過梁的截面較大時，要計算最小配筋率；采用井字梁時，如果梁的自重大于板自重，那么梁自重不可忽略。

2.柱

框架結(jié)構(gòu)柱的高寬比一般可取1/10～1/15；柱子的軸壓比要滿足規(guī)范要求；在柱長度系數(shù)的確定過程中，要有效控制誤差；若柱梁剛度比過大或過小，則不安全；若柱間跨度不等、豎向載荷分配不均則誤差較大；框剪結(jié)構(gòu)中由于層間位移不同，可能導(dǎo)致較大誤差；框架結(jié)構(gòu)的梁、柱所用的混凝土應(yīng)相差一個等級。

3.基礎(chǔ)

按照《抗震規(guī)范》設(shè)計基礎(chǔ)，對于鋼筋混凝土多層框架結(jié)構(gòu)房屋可以建立柱下獨立基礎(chǔ)模式，不存在軟弱粘性土層的建筑在不超過25米的情況可以不用進(jìn)行地基的抗震承載力驗算。當(dāng)?shù)鼗裆钶^深時，應(yīng)在適當(dāng)位置建造基礎(chǔ)梁來降低底層柱的長度和位移；當(dāng)?shù)鼗裆钶^淺時，要在兩個主軸方向建立拉梁來避免地基不穩(wěn)固和柱子載荷分布不均造成安全性的降低。對于有防空洞或枯井的建筑，地基可用厚板將洞和井跨過。獨立的樁基承臺要對底部的鋼筋的保護層厚度進(jìn)行嚴(yán)格要求。

4.板鋼筋

單向樓板厚度為短邊的1/35，雙向板厚度為短邊的1/40，懸臂板厚度為懸臂長的1/12。鋼筋要優(yōu)先選擇三級鋼筋，這樣既可以方便施工又可以節(jié)約造價，安全性也高?？缍仍?米以下的板上部和頂層及考慮抗裂時板上的鋼筋可以不斷開。

四、工程概況

某單位工程是五層的框架結(jié)構(gòu)，設(shè)防了六度抗震，并具備框架四級的抗震等級和二級的耐火等級，該單位工程處某小區(qū)旁，建筑面積擁有1718m2，其總長是27.84m，總寬度是16.44m，總占地面積是457.69m2。

施工條件：該建筑工程還不是該市一級企業(yè)。但具備完善技術(shù)裝備，施工器具也可以按照需求選擇，施工所需勞動力可用民工解決，單位可提供技術(shù)人員。

五、工程中框架結(jié)構(gòu)設(shè)計

建筑工程中框架結(jié)構(gòu)設(shè)計是在總體規(guī)劃基礎(chǔ)上按照任務(wù)書要求全方位考慮建筑藝術(shù)、建筑經(jīng)濟、材料設(shè)備、結(jié)構(gòu)施工、使用功能和基地環(huán)境等問題，從而設(shè)計出既具藝術(shù)性、又具科學(xué)性的生活和生產(chǎn)環(huán)境。

本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計特點是：設(shè)防六度抗震，并要具備框架四級的抗震等級和二級的耐火等級，結(jié)構(gòu)構(gòu)件其主筋保護層的厚度是框架為30mm，板是20mm，基礎(chǔ)是40mm。構(gòu)造柱混凝土等級是C20，其余的構(gòu)件混凝土全部為C25等級，框架梁柱其縱向鋼筋錨固的長度是40d，搭接長度是30d，分框架梁低的縱筋錨固的長度是25d。砌磚用M5混合砂漿，砌體采取Mu10燒結(jié)磚。下面就框架結(jié)構(gòu)設(shè)計作主要闡述。

1.框架柱設(shè)計

框架柱設(shè)計要符合以下要求：

（一）設(shè)計柱網(wǎng)要符合建筑功能要求，對于旅館和住宅等建筑，設(shè)計柱網(wǎng)時要和建筑隔墻相適應(yīng)，通常情況下，為盡量降低柱網(wǎng)對建筑其使用功能作用，一般柱子設(shè)計在縱橫墻的交叉點上；

（二）設(shè)計柱網(wǎng)時要滿足合理結(jié)構(gòu)受力、明確傳力體系、間距要適中、整齊、規(guī)則等要求，框架結(jié)構(gòu)承受豎向的載力時還需承載水平力，同時只能承受來自自身平面水平力，所以設(shè)置框架時應(yīng)處在建筑物兩個主軸的方向。另外，柱網(wǎng)尺寸還承受梁跨度約束，梁跨度一般為6到9米；

（三）設(shè)計柱網(wǎng)時要確保便利性，在設(shè)計結(jié)構(gòu)時要充分考慮到施工便利性，盡量降低項目造價，提高施工速度。另外設(shè)計時還需考慮構(gòu)件尺寸標(biāo)準(zhǔn)化和模數(shù)化，縮減構(gòu)件規(guī)格，設(shè)計柱網(wǎng)要使板、梁規(guī)則、簡單。

2.梁格設(shè)計

梁格設(shè)計按照樓面不同豎向負(fù)荷傳送路線可以分為：縱向結(jié)構(gòu)承重、橫向結(jié)構(gòu)承重和縱橫向結(jié)構(gòu)承重三種。

（一）縱向結(jié)構(gòu)承重方案主要設(shè)計是在橫向設(shè)計好連系梁，在縱向設(shè)計好結(jié)構(gòu)承重梁。縱向結(jié)構(gòu)承重方案缺點建筑橫向的抗側(cè)剛度比較弱，一般在建筑進(jìn)深較小且是大開間柱網(wǎng)的情況下使用，該方案由于受力不好，在設(shè)計中很少使用；

（二）橫向結(jié)構(gòu)承重方案是在縱向設(shè)計好連系梁，在橫向設(shè)計好結(jié)構(gòu)承重梁。橫向結(jié)構(gòu)的主框架梁是沿著橫向設(shè)計并處于建筑短向，擁有較少跨數(shù)，當(dāng)加大梁截面時將有利于建筑物橫向抗側(cè)其剛度的提高，對于縱向由于擁有較多跨數(shù)，因此剛度也大，所以該種設(shè)計會使橫向和縱向兩方向剛度逐步接近，結(jié)構(gòu)受力也更加合理，所以建筑框架設(shè)計時應(yīng)優(yōu)先考慮該設(shè)計方案；

（三）縱橫向結(jié)構(gòu)承重方案是指在橫向和豎向都設(shè)計結(jié)構(gòu)承重梁用來承受樓面的載力，該種設(shè)計方案具備整體性能好優(yōu)勢，框架柱都是雙向偏心的受壓構(gòu)件、是空空受力系統(tǒng)，也被稱作空間框架結(jié)構(gòu)并被廣泛采用。

3.框架結(jié)構(gòu)的選擇高度設(shè)計

據(jù)調(diào)查大量震害及項目設(shè)計經(jīng)驗得出為滿足既經(jīng)濟實惠又安全可靠要求，高層和多層由鋼筋混凝土構(gòu)成的建筑其高度不可過高。當(dāng)處在水平負(fù)荷壓力下時，框架彎矩和變形程度在很大程度上與框架層數(shù)相關(guān)，隨著框架層數(shù)的增多，水平位移距離也越大，與此同時，框架內(nèi)力也跟著在快速增長，當(dāng)層數(shù)達(dá)到某一數(shù)值時，豎向負(fù)荷產(chǎn)生內(nèi)力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于由水平負(fù)荷產(chǎn)生內(nèi)力，此時豎向負(fù)荷將對設(shè)計失去控制作用，水平負(fù)荷將對設(shè)計起到控制作用，建筑中框架結(jié)構(gòu)優(yōu)越性將被掩蓋。從強度角度上看，建筑高度和層數(shù)的不斷增加，雖然豎向負(fù)荷及水平負(fù)荷產(chǎn)生內(nèi)力都在相應(yīng)增加，但是水平負(fù)荷產(chǎn)生內(nèi)力增加速度卻更快，所以當(dāng)建筑程度到達(dá)某一數(shù)值時，框架內(nèi)會產(chǎn)生相當(dāng)大的內(nèi)力。從剛度角度上看，當(dāng)建筑高度不斷增加后，寬高比就不斷縮減，水平負(fù)荷作用下，建筑框架結(jié)構(gòu)就具備較大柔性，建筑層間水平位移成為了主要控制元素。所以，在建筑層數(shù)相對較高時，為負(fù)荷剛度和強度要求，就必須增加框架下方幾層柱、梁截面尺寸，但是也務(wù)必會帶來不經(jīng)濟與不合理。

4.框架結(jié)構(gòu)的抗震級數(shù)設(shè)計

在相同地震強度下，對于不同類型結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土建筑都有著不同抗震要求。在建筑抗震的設(shè)計規(guī)范中明確指出建筑抗震級數(shù)設(shè)計是按照建筑高度、建筑結(jié)構(gòu)類型和抗震設(shè)防烈度將框架抗震墻和框架結(jié)構(gòu)劃分成四個等級抗震等級，同時還要求不同抗震級數(shù)結(jié)構(gòu)要滿足相應(yīng)的結(jié)構(gòu)措施和結(jié)構(gòu)計算要求。

六、結(jié)束語

綜上所述，在建筑框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，既要明確框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的一些基本的原則，又要掌握框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理和設(shè)計理論。在具體工程的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中，更是要圍繞工程的實際情況來展開設(shè)計。

參考文獻(xiàn)：

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