淺談建筑工程中框架結(jié)構(gòu)構(gòu)造與設(shè)計

鄧 孔

(廣西宏冠工程咨詢有限公司，廣西壯族自治區(qū) 南寧市 530000)

淺談建筑工程中框架結(jié)構(gòu)構(gòu)造與設(shè)計

鄧 孔

(廣西宏冠工程咨詢有限公司，廣西壯族自治區(qū) 南寧市 530000)

針對框架結(jié)構(gòu)這種我國廣泛采用的建筑結(jié)構(gòu)形式，本文結(jié)合框架結(jié)構(gòu)的特征和我國建筑工程中框架結(jié)構(gòu)主要類型，淺析了框架結(jié)構(gòu)總體構(gòu)造要求與強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點弱構(gòu)件、多道設(shè)防的基本設(shè)計原則。對建筑工程中的框架結(jié)構(gòu)的構(gòu)造與設(shè)計提供了一些參考和借鑒。

框架結(jié)構(gòu) 建筑工程 構(gòu)造與設(shè)計

框架結(jié)構(gòu)是指由梁和柱以剛接或者鉸接聯(lián)接構(gòu)成主要承重體系，由梁和柱組成框架共同抵抗結(jié)構(gòu)使用過程中出現(xiàn)的水平荷載和豎向荷載的結(jié)構(gòu)。由于框架結(jié)構(gòu)在建筑上具有平面布置靈活，有利于形成大空間，力學(xué)上由于自重輕，有利于結(jié)構(gòu)抗震等優(yōu)點，這種結(jié)構(gòu)體系廣泛應(yīng)用于我國建筑工程中。作為我國應(yīng)用最為廣泛的建筑結(jié)構(gòu)體系之一，結(jié)合框架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和受力特征，探究分析建筑工程中框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則和方法、構(gòu)造措施，對于提高框架結(jié)構(gòu)抵抗荷載能力、加強框架結(jié)構(gòu)建筑安全性，提高框架結(jié)構(gòu)建筑的經(jīng)濟適用性和耐久性具有重要意義。

1. 框架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征和主要類型

框架結(jié)構(gòu)的主要承重結(jié)構(gòu)為梁和柱，受力體系簡單明確。由于構(gòu)件截面相對較小，框架結(jié)構(gòu)的承載力和剛度都較低，屬于柔性結(jié)構(gòu)。其受力特征類似于豎向懸臂剪切梁，在強烈水平荷載（如地震作用、風荷載）作用下容易產(chǎn)生較大的水平位移。隨著層高的增加、結(jié)構(gòu)高度的增大，底部柱承受的軸向壓力增大，特別是在水平荷載下梁柱產(chǎn)生的彎矩和整體位移迅速增大，導(dǎo)致梁柱截面和配筋的增加，從而給建筑平面布局帶來不便，影響建筑空間的合理使用。同時，隨著層高的增大，在建筑材料消耗和建筑造價方面也趨于經(jīng)濟不合理。

框架結(jié)構(gòu)在我國建筑工程中發(fā)展相對較為成熟，在實際應(yīng)用中逐步形成了多種類型。目前我國常用框架結(jié)構(gòu)按照施工方法的不同，主要分為現(xiàn)全澆框架、半現(xiàn)澆框架、裝配式框架、和裝配整體式框架。全現(xiàn)澆框架的承重構(gòu)件梁、板、柱均為現(xiàn)場澆筑，具有較好的整體性，抗震性能好。其缺點在于現(xiàn)場施工量和模板使用量大、工期長。半現(xiàn)澆框架的梁柱為現(xiàn)澆，樓板為預(yù)制。由于樓板為工廠預(yù)制，大大減小了現(xiàn)場混凝土澆筑量，節(jié)約模板，但其整體性不如全現(xiàn)澆框架。裝配式框架是指構(gòu)件在工廠預(yù)制，現(xiàn)場進行焊接裝配形成的框架結(jié)構(gòu)，裝配式框架可以大大縮短工程工期，模板使用量小，便于機械化生產(chǎn)，但構(gòu)件預(yù)埋件較多，用鋼量大，整體性相對較差，不利于抗震。裝配整體式框架集裝配式框架和現(xiàn)澆框架部分優(yōu)點于一體，構(gòu)件采用工廠預(yù)制，節(jié)點采用現(xiàn)澆，整體性較裝配式框架有所提高，但節(jié)點處的現(xiàn)場現(xiàn)澆施工復(fù)雜。按照框架結(jié)構(gòu)的承重方式主要有全框架結(jié)構(gòu)、內(nèi)框架結(jié)構(gòu)、和底層框架結(jié)構(gòu)。全框架承重構(gòu)件梁柱板全部采用鋼筋混凝土，整體性好；內(nèi)框架結(jié)構(gòu)由內(nèi)部鋼筋混凝土框架和外圍磚砌體共同組成承重結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)體系由于采用砌體和鋼筋混凝土兩種不同彈性模量不同的材料組合。由于剛度的差異，在荷載作用下變形不協(xié)調(diào)，因此房屋整體性和剛度較差，設(shè)計中也不易控制構(gòu)件破壞的過程；底部框架結(jié)構(gòu)在我國中小城鎮(zhèn)和農(nóng)村大量使用，這種結(jié)構(gòu)形式能在底層提供大空間，同時上層采用砌體能降低造價，廣泛適用于底層商用店鋪，上層住宅的多層房屋建筑。但在近幾年發(fā)生的汶川地震、蘆山地震中，底部框架結(jié)構(gòu)震害非常嚴重。其主要原因在于底部框架結(jié)構(gòu)豎向剛度分布不均勻，上部砌體剛度較大，而底部框架相對較柔，導(dǎo)致在地震作用下底層破壞嚴重，甚至產(chǎn)生整體倒塌。

2. 框架結(jié)構(gòu)總體構(gòu)造要求

合理的結(jié)構(gòu)構(gòu)造是確保結(jié)構(gòu)安全的基本要求?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)總體構(gòu)造需要滿足平面布置規(guī)則、立面布置合理，同時要求受力、傳力路徑清晰明確。

2.1 平面布置規(guī)則

規(guī)則的平面布置有利于使結(jié)構(gòu)受力更加合理，有利于充分結(jié)構(gòu)體系中發(fā)揮各受力的承載能力，是提高框架結(jié)構(gòu)安全可靠性、經(jīng)濟合理性的有效措施。規(guī)則的平面布置要求建筑在平面內(nèi)形態(tài)規(guī)則，柱網(wǎng)分布均勻，盡量使結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心與剛度中心重合。合理的平面布置可以有效地減小結(jié)構(gòu)在荷載作用下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，可以使內(nèi)力在各構(gòu)件之間均勻分布，避免受力集中，從而避免因局部破壞嚴重而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)整體失效，或者不可修復(fù)的功能喪失。

2.2 立面布置合理

立面布置合理主要是為了保證各層之間質(zhì)量、剛度變化均勻，避免出現(xiàn)局部剛度突變或者局部過剛或過柔，避免出現(xiàn)“鞭梢效應(yīng)”。大量震害資料表明，框架結(jié)構(gòu)的大量破壞都發(fā)生在質(zhì)量、剛度突變區(qū)域。在無法避免的情況下，需要特別注意加強突變區(qū)域的構(gòu)造措施。

2.3 傳力路徑明確

明確的傳力路徑是框架結(jié)構(gòu)進行科學(xué)設(shè)計的重要前提。選擇傳力路徑明確的建筑形式能大大簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度，有助于明確主要構(gòu)件和次要構(gòu)件，合理選擇結(jié)構(gòu)材料，從而提高經(jīng)濟性。

3. 框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則

科學(xué)的設(shè)計是保證結(jié)構(gòu)安全性的重要環(huán)節(jié)。通過對框架結(jié)構(gòu)在近幾年的幾次地震中的震害分析和總結(jié)，在框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要遵循以下幾點原則。

3.1 強柱弱梁

強柱弱梁是指在大震情況下實現(xiàn)梁鉸，即在柱形成塑性鉸破壞之前塑性鉸先在梁上開展?？蚣芙Y(jié)構(gòu)只有實現(xiàn)強柱弱梁，才能充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)延性，有效避免建筑整體倒塌。由于影響強柱弱梁的因素多，往往難以實現(xiàn)。為了保證強柱弱梁，在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要充分考慮樓板配筋的影響；考慮計算梁端與實際梁端位置不統(tǒng)一而導(dǎo)致的梁端計算負彎矩過大的影響。此外，在裂縫驗算時梁端彎矩的取值也需要合理，否則會導(dǎo)致梁端配筋過大。

3.2 強剪弱彎

由于剪切破壞表現(xiàn)為脆性破壞，因此在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要保證鋼筋混凝土構(gòu)件在發(fā)生受彎破壞之前不發(fā)生剪切破壞。這就需要充分驗算構(gòu)件斜截面受剪承載力，使構(gòu)件與正截面受彎承載能力相應(yīng)的剪力低于構(gòu)件斜截面受剪承載能力。保證強剪弱彎是延性設(shè)計的重要要求。

3.3 強節(jié)點、強錨固，弱構(gòu)件

節(jié)點破壞和錨固失效是框架結(jié)構(gòu)破壞的重要形式。一旦節(jié)點發(fā)生破壞或者出現(xiàn)錨固失效，構(gòu)件往往不能充分發(fā)揮其承載能力，因此在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要特別注意節(jié)點的設(shè)計和錨固驗算，保證在結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生破壞之前不出現(xiàn)節(jié)點和錨固的失效。這就要求強節(jié)點、強錨固，弱構(gòu)件。在設(shè)計過程中，需要嚴格按照規(guī)范進行節(jié)點設(shè)計和錨固驗算，根據(jù)結(jié)構(gòu)抗震等級加強節(jié)點和錨固的構(gòu)造措施，嚴格禁止發(fā)生節(jié)點破壞和錨固失效。

3.4 多道設(shè)防，保證結(jié)構(gòu)冗余度

在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要保證充分的結(jié)構(gòu)冗余度，保證大震情況下結(jié)構(gòu)有做夠的安全裕度。當部分受力構(gòu)件發(fā)生破壞的情況下，結(jié)構(gòu)仍然能有一定的抗震能力，能保證框架結(jié)構(gòu)繼續(xù)工作。在一定意義來講，部分構(gòu)件的破壞的過程也是地震能量耗散的過程，因此只有結(jié)構(gòu)有多道設(shè)防，有足夠安全裕度的情況下，才能保證結(jié)構(gòu)安全。只有這樣才能實現(xiàn)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震目標。

小結(jié)

建筑工程中的框架結(jié)構(gòu)是一種廣泛采用的結(jié)構(gòu)形式，在實際工程應(yīng)用中表現(xiàn)為多種類型。在框架結(jié)構(gòu)的總體構(gòu)造方面，需要合理地進行建筑的平、立面布置，采用傳力路徑明確的建筑形式；在框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，要嚴格遵循強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點強錨固弱構(gòu)件、多道設(shè)防確保結(jié)構(gòu)冗余度的基本原則。

[1]王愛坤. 建筑工程鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量要點分析[J]. 中國房地產(chǎn)業(yè),2015,Z2:77.

[2]趙軍鋒. 建筑工程框架剪力墻結(jié)構(gòu)主體工程施工技術(shù)的探究[J]. 門窗,2015,04 ( 04 ) :111-112.

[3]韋冬梅. 關(guān)于建筑工程中懸挑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的探討[A]. 中國武漢決策信息研究開發(fā)中心、決策與信息雜志社、北京大學(xué)國家發(fā)展研究院.科技研究——2015科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展與建設(shè)成就研討會論文集（下）[C].中國武漢決策信息研究開發(fā)中心、決策與信息雜志社、北京大學(xué)國家發(fā)展研究院:,2015:1.

[4]姚萍. 建筑工程框架結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的問題及處理對策[J]. 門窗,2015,09 ( 09 ) :110+114.

[5]包麗麗. 試論新形勢下建筑工程中框架剪力墻結(jié)構(gòu)工程施工技術(shù)[J]. 黑龍江科技信息,2014,03 ( 03 ) :218.

TU7

B

1007-6344（2015）11-0155-01