多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

竇煒

【摘要】在多層建筑結(jié)構(gòu)中，最廣泛使用的一種結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)形式能夠提供較大的建筑空間，同時(shí)具有平面布置靈活的特點(diǎn)，能夠滿足各種不同的使用要求，本文筆者將結(jié)合具體的多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例，簡(jiǎn)要探討設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容，希望能對(duì)類似工程起到借鑒作用。

【關(guān)鍵詞】多層結(jié)構(gòu)；框架結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)分析；抗震設(shè)計(jì)

1.引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，復(fù)雜多層建筑結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，同時(shí)為了滿足各種不同的使用要求，建筑物的造型和建筑形式日趨多樣化。這會(huì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者帶了一定的難度。當(dāng)在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅需要確保結(jié)構(gòu)方案滿足使用要求，同時(shí)還應(yīng)特別注意設(shè)計(jì)過(guò)程中可能忽略的一些問(wèn)題。在多層建筑結(jié)構(gòu)中，最廣泛使用的一種結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)形式能夠提高較大的建筑空間，同時(shí)具有平面布置靈活的特點(diǎn)，能夠滿足各種不同的使用要求。

2.工程概況

本工程為某有色金屬加工廠區(qū)內(nèi)一棟四層現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，該建筑的主要使用功能為辦公樓。本工程的主要框架梁截面尺寸為250mm×600mm和250mm×400mm。柱的具體截面尺寸為500mm×500mm。混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。鋼筋主要有兩種，受力鋼筋為HRB400，箍筋為HPB300。

3.框架結(jié)構(gòu)方案的分析

當(dāng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案的選擇時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮以下幾點(diǎn)因素：（1）結(jié)構(gòu)傳力路徑應(yīng)盡量簡(jiǎn)單。當(dāng)結(jié)構(gòu)在荷載作用下，其內(nèi)部的傳力路徑越簡(jiǎn)單，所消耗的材料就越少。（2）根據(jù)進(jìn)度等距或者開(kāi)間等跨的方式進(jìn)行柱網(wǎng)的布置。如圖1所示為柱網(wǎng)布置示意圖。這種柱網(wǎng)布置方式不僅可以提高結(jié)構(gòu)整體的剛度，同時(shí)還能減少結(jié)構(gòu)中的彎矩。

4.重要結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)的選取

4.1結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防烈度。在進(jìn)行多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)確保建筑的類別。一般情況下，丙類建筑在進(jìn)行地震作用計(jì)算時(shí)，應(yīng)按照本地區(qū)抗震設(shè)防烈度進(jìn)行；乙類建筑在進(jìn)地震作用計(jì)算時(shí)，應(yīng)滿足本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求。對(duì)于抗震措施應(yīng)特別注意，尤其是抗震構(gòu)造措施，要根據(jù)房屋高度、結(jié)構(gòu)形式、場(chǎng)地條件等進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

4.2填充墻對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響。在框架結(jié)構(gòu)中，由于填充墻的存在，當(dāng)其與框架梁柱剛性連接時(shí)，就會(huì)是結(jié)構(gòu)的整體剛度會(huì)有所提高，造成結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度往往會(huì)超過(guò)計(jì)算剛度，同時(shí)實(shí)際周期會(huì)比計(jì)算周期小，這樣結(jié)構(gòu)實(shí)際受到的地震作用大于計(jì)算結(jié)果，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)偏于不安全。因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)周期計(jì)算時(shí)，應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼蹨p，引入所謂的周期折減系數(shù)。另外，還應(yīng)注意填充墻的多少及材質(zhì)都對(duì)周期折減系數(shù)有影響。

4.3梁的剛度放大。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，在對(duì)梁進(jìn)行模擬時(shí)，并沒(méi)有考慮到現(xiàn)澆樓板的存在而導(dǎo)致剛度增大的問(wèn)題。因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，可以通過(guò)對(duì)梁的剛度進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?，?lái)近似考慮帶翼緣梁的實(shí)際剛度?？筛鶕?jù)樓板布置等因素，取樓面梁剛度增大系數(shù)為1.3～2.0，一般情況下建議中部框架梁的放大系數(shù)可以取為2，邊框架梁取為1.5。

5.框架梁柱設(shè)計(jì)要點(diǎn)

5.1框架頂層端節(jié)點(diǎn)梁柱鋼筋搭接問(wèn)題。在多層框架鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，建筑物的高度越高，在水平荷載作用下結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的傾覆力矩就越大，頂點(diǎn)位移也越大。在建筑結(jié)構(gòu)中，頂層所受到的風(fēng)荷載往往較大，這會(huì)導(dǎo)致頂層框架柱（尤其是邊柱）出現(xiàn)大偏心受力的情況。一般情況下可以采取的措施為：將橫梁上部的鋼筋伸入柱內(nèi)，同時(shí)伸過(guò)橫梁的下邊；柱內(nèi)的一部分中部鋼筋（不少于兩根）伸入頂端，其余鋼筋伸入橫梁內(nèi)。該措施是將規(guī)范建議采用的兩種構(gòu)造措施加以結(jié)合并改進(jìn)。這種節(jié)點(diǎn)外側(cè)的鋼筋搭接傳力在解決前面提出的問(wèn)題的同時(shí)，也很好的避免了梁端支座負(fù)彎矩鋼筋密集，影響混凝土澆筑及鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能等常見(jiàn)問(wèn)題。

5.2造型懸挑梁配筋問(wèn)題。在實(shí)際的工程中，有時(shí)為了滿足使用功能及建筑外立面造型的要求，需要在框架的梁端設(shè)計(jì)挑梁。挑梁的截面寬度通常會(huì)比框架梁的截面寬度小，這是因?yàn)閮烧咚艿降暮奢d有所不同。但是在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，如果沒(méi)注意到這個(gè)問(wèn)題，只是將框架梁上側(cè)主筋延伸至外挑梁外端，施工時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)由于截面差異，部分鋼筋無(wú)法伸進(jìn)挑梁中，這就造成很多鋼筋被截?cái)啵@樣不僅會(huì)影響工程進(jìn)度，關(guān)鍵是會(huì)影響工程質(zhì)量，帶來(lái)隱患。

5.3框架柱內(nèi)力及配筋問(wèn)題。（1）當(dāng)進(jìn)行框架計(jì)算時(shí)，根據(jù)兩個(gè)方向計(jì)算所得的結(jié)果，選擇其中更為不利的一個(gè)方向進(jìn)行配筋，并按對(duì)稱配筋方式，同一柱截面鋼筋直徑不宜相差太大；（2）當(dāng)框架柱采用構(gòu)造配筋時(shí)，適當(dāng)?shù)姆糯笈浣盍俊８鶕?jù)工程的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，一般情況下框架柱的配筋放大量控制在1.2～1.6倍之間。尤其應(yīng)該注意對(duì)于可能出現(xiàn)偏心受拉情況的柱子，更要適當(dāng)增加實(shí)配柱子縱筋截面面積；（3）在進(jìn)行多層框架的計(jì)算時(shí)，往往容易忽視基礎(chǔ)不均勻沉降和溫度應(yīng)力的問(wèn)題。本工程就遇到土質(zhì)不均勻的問(wèn)題，筆者建議可以適當(dāng)?shù)姆糯笾呐浣睿瑫r(shí)采取在兩個(gè)方向上設(shè)置基礎(chǔ)梁，并按照框架梁進(jìn)行基礎(chǔ)梁的設(shè)計(jì)，設(shè)置箍筋加密區(qū)。

6.多層框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)內(nèi)力調(diào)整要點(diǎn)

6.1強(qiáng)柱弱梁的要求。在多層框架結(jié)構(gòu)中，強(qiáng)調(diào)強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計(jì)要求，此形式可以使框架結(jié)構(gòu)的梁端在地震荷載作用下屈服（形成塑性鉸），但不會(huì)出現(xiàn)構(gòu)件局部脆性破壞的情況。在這種情況下，柱端處于非彈性工程狀態(tài)，但是仍然沒(méi)有達(dá)到屈服強(qiáng)度。這樣就可以利用梁的變形來(lái)吸收、耗散地震能，降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)抗倒塌能力。當(dāng)框架梁端由裂縫及撓度控制，實(shí)配鋼筋大于抗震設(shè)計(jì)時(shí)的承載力配筋等情況下，會(huì)出現(xiàn)框架梁此端鋼筋超配。梁端縱筋的超配程度的大小決定柱強(qiáng)于梁的幅度大小。建議在確保滿足其他要求的情況下，應(yīng)盡量加大框架柱截面尺寸，從而控制梁與柱的線剛度的比值。應(yīng)嚴(yán)格控制梁端實(shí)配鋼筋，對(duì)于梁端負(fù)彎矩鋼筋不應(yīng)該出現(xiàn)超配，對(duì)于梁端正彎矩鋼筋應(yīng)控制超配比例，建議不要超過(guò)10%。

6.2強(qiáng)剪弱彎的要求?？蚣苤嬖趦煞N破壞形式：彎曲破壞和剪切破壞。當(dāng)柱發(fā)生剪切破壞時(shí)，其破壞形態(tài)是脆性的，延性極差；當(dāng)柱發(fā)生彎曲破壞時(shí)，柱的縱向受力鋼筋屈服后會(huì)形成塑性鉸，從而具有較好的塑性變形能力和延性。因此，建議在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，有目的放大框架柱的剪力設(shè)計(jì)值，防止框架柱在彎曲屈服前出現(xiàn)剪切破壞，即應(yīng)該做到“強(qiáng)剪弱彎”。強(qiáng)剪弱彎形式的設(shè)計(jì)是提高框架結(jié)構(gòu)延性及抗震性能的一項(xiàng)重要措施，可以避免在地震中出現(xiàn)脆性剪切破壞問(wèn)題。

6.3強(qiáng)柱根的要求?？蚣芙Y(jié)構(gòu)底層柱在地震作用下，如果過(guò)早出現(xiàn)屈服，會(huì)影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形和抗倒塌能力，因此，底層框架柱對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的延性起控制作用。理想的塑性鉸機(jī)制應(yīng)該是迫使塑性鉸發(fā)生在水平構(gòu)件（尤其是次要構(gòu)件）上，并應(yīng)盡量推遲塑性鉸在底層框架柱等關(guān)鍵部位出現(xiàn)。現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范也規(guī)定了一些措施，如引入底層框架柱底彎矩增大系數(shù)。該增大系數(shù)可以有效避免底層框架柱下端過(guò)早屈服，從而提高結(jié)構(gòu)的抗震安全度。但應(yīng)注意到該系數(shù)只適用于框架結(jié)構(gòu)。

7.結(jié)語(yǔ)

造型復(fù)雜多樣的多層建筑不斷涌現(xiàn)，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具備更大難度。因此對(duì)于該類型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，當(dāng)在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅需要確保結(jié)構(gòu)方案滿足使用要求，同時(shí)還應(yīng)特別注意設(shè)計(jì)過(guò)程中可能忽略的一些問(wèn)題。文章通過(guò)結(jié)合某一棟四層現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為例，系統(tǒng)地分析了結(jié)構(gòu)布置方案以及相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)選取，總結(jié)出可行的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為同行提供參考。

參考文獻(xiàn)

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