多層建筑結(jié)構(gòu)設計中框架結(jié)構(gòu)的問題與處理

許智豪

摘要：近年來，多層建筑結(jié)構(gòu)設計中的框架結(jié)構(gòu)得到了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注，研究其過程中的問題與處理有著重要意義。本文首先介紹了框架結(jié)構(gòu)在多層建筑結(jié)構(gòu)中的優(yōu)越性，并結(jié)合相關(guān)實踐經(jīng)驗，分別從基礎(chǔ)系梁的設置、對框架結(jié)構(gòu)薄弱層的判定和處理，以及樓板開大洞結(jié)構(gòu)的計算等多方面，研究了多層建筑框架結(jié)構(gòu)設計常見問題和相應措施、

關(guān)鍵詞：多層建筑；結(jié)構(gòu)設計；框架結(jié)構(gòu)；問題；處理

前言

作為多層建筑結(jié)構(gòu)設計中的重要模式，框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢特點不言而喻。該項課題的研究，將會更好地提升對框架結(jié)構(gòu)設計問題的分析與掌控力度，從而通過合理化的措施與方法，進一步優(yōu)化其在實際應用中的整體效果。

一、框架結(jié)構(gòu)在多層建筑結(jié)構(gòu)中的優(yōu)越性

一般來說，框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是設計較為簡便、科學，同時由于不再是傳統(tǒng)的磚墻承載樓板等的荷載力，使得墻體的布置有了空前的靈活性和可變性，這對于一些大空間需求的建筑來說是大有裨益的，空間不再受限于傳統(tǒng)的墻體，功能也不再需要去滿足于結(jié)構(gòu)，而是反過來結(jié)構(gòu)去服務于空間、滿足于空間。構(gòu)架結(jié)構(gòu)不僅僅只是以上提出的優(yōu)點，其中還存在很多的缺點，例如：框架節(jié)點的應力比較集中、框架結(jié)構(gòu)屬于柔性的、框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度較小等缺點，在地震發(fā)生的時候，框架結(jié)構(gòu)就會發(fā)生水平位移的移動，移動的幅度較大就會造成結(jié)構(gòu)上的破壞，鋼材和水泥用量較大，構(gòu)件的節(jié)點和桿件總數(shù)量多，接頭工作量大，工序多，浪費人力，施工受季節(jié)、環(huán)境影響較大；框架是由梁柱構(gòu)成的桿系結(jié)構(gòu)，其承載力和剛度都較低，特別是水平方向的（即使可以考慮現(xiàn)澆樓面與梁共同工作以提高樓面水平剛度，但也是有限的），它的受力特點類似于豎向懸臂剪切梁，其總體水平位移上大下小，但相對于各樓層而言，層間變形上小下大，設計時如何提高框架的抗側(cè)剛度及控制好結(jié)構(gòu)側(cè)移為重要因素，目前來看，鋼筋混凝土框架中，由于其高度較大、層數(shù)又較多，其底部各層的柱的軸力很大，而且梁和柱由水平荷載所產(chǎn)生的彎矩和整體的側(cè)移亦顯著增加，從而造成了截面尺寸和配筋的不斷增大，在建筑平面的空間處理與布置方面就會造成嚴重的影響，在一定程度上造成建筑空間的不合理性以及材料浪費、造價不合理等問題。

二、多層建筑框架結(jié)構(gòu)設計常見問題和相應措施

1.基礎(chǔ)系梁的設置問題

當基礎(chǔ)埋置深度較深時，可用基礎(chǔ)系梁減少底層柱的計算長度。系梁宜按一層框架梁進行設計，同時系梁以下的柱應當按短柱處理。如果工程條件符合相關(guān)規(guī)定，應當設基礎(chǔ)系梁。為滿足抗震要求，可以沿著兩個主軸方向設構(gòu)造基礎(chǔ)系梁。對于構(gòu)造基礎(chǔ)系梁縱向受力鋼筋，可以按照連接柱的最大軸力設定值的10%，按拉力或者壓力進行計算。如果是構(gòu)造配筋，應當滿足最小配筋率。

如果基礎(chǔ)系梁上作用有來自填充墻或樓梯柱等的荷載，應該和所連接柱子的最大軸力設定值的10%進行疊加計算?；A(chǔ)系梁截面也應當適當?shù)卦黾樱嬎愠鰜淼呐浣?，應當充分滿足受力要求以及構(gòu)造配筋要求。對于構(gòu)造基礎(chǔ)系梁頂標高，它一般都和基礎(chǔ)頂標高保持一致。為了使基礎(chǔ)系梁計算跨度減少，可以采取把基礎(chǔ)梁下和獨立基礎(chǔ)臺階或者錐形斜坡間的那些空隙部分，用素混凝土澆筑，直到和基礎(chǔ)頂面保持平齊，然后再進行基礎(chǔ)系梁的澆筑。

當用基礎(chǔ)系梁平衡柱底彎矩時，其截面尺寸和配筋，需要按照框架梁來設計。拉梁正彎矩鋼筋，應當全部都拉通，而負彎矩鋼筋則至少應該在二分之一跨拉通，基礎(chǔ)系梁的縱筋在框架柱內(nèi)的錨固、箍筋的加密及其余抗震構(gòu)造要求，應當和上部框架梁保持一致，而且此時拉梁應當設在基礎(chǔ)頂部。

2.對框架結(jié)構(gòu)薄弱層的判定和處理

所謂薄弱層，就是強烈地震作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的彈塑性位移的那些部位，它們承載力需要滿足抗震承載力要求，在地震烈度不小于7度的地區(qū)才會發(fā)生。

有三種方式可判斷薄弱層，分別是個人指定、計算判定以及強制認定。在PKPM的SATWE軟件里，可以根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定或是技術(shù)人員的個人經(jīng)驗，直接指定薄弱層，此為個人指定。軟件計算時，當結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度出現(xiàn)不規(guī)則現(xiàn)象，某層的抗側(cè)移剛度比相鄰上一層的70%小，或比其上相鄰三個樓層側(cè)向剛度平均值的80%小，或是樓層承載力發(fā)生突變，軟件將自動指定該層為薄弱層，此為計算判定。當結(jié)構(gòu)存在轉(zhuǎn)換層，也就是豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)，不管該層剛度或樓層承載力如何，該層都將被強制認為薄弱層，此為強制認定。

薄弱層，大大不利于抗震，建筑中原則上應當避免薄弱層的存在，最基本的辦法是加大該層的抗側(cè)移剛度，也就是加大這層的柱截面或者梁截面。在條件允許下，可通過改變該層的層高或是減少基礎(chǔ)埋置的深度，來實現(xiàn)。

3.樓板開大洞結(jié)構(gòu)計算時應注意的問題

樓板開洞的結(jié)構(gòu)比較普通，如果開洞面積大于該層樓面面積的30%，就屬于平面不規(guī)則，計算時必須進行處理。以PKPM軟件為例，TAT和SATWE分別采用了兩種方式處理。TAT軟件中，無樓板的節(jié)點被定義為彈性節(jié)點，該節(jié)點。即梁柱交點，不受剛性樓板假定的限制，其平動自由度獨立。SATWE軟件中，所有樓板被定義為彈性膜，軟件真實計算樓板的平面內(nèi)剛度，對樓板的片面外剛度則忽略處理。當某層洞口面積為樓層面積的30%以上時，應當把全樓所有樓板都定義為彈性膜，或者也可以不考慮樓板的剛度，把該層洞口邊緣節(jié)點定義為彈性節(jié)點，當屋面是鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架時，應當輸入板厚，將其定義為彈性膜，真實計算樓板的平面內(nèi)剛度，這樣和實際比較相符。

4.短柱問題

框架結(jié)構(gòu)中，所謂短柱，其柱凈高與柱截面高度比不大于4，或者剪跨比不大于2。地震作用容易導致短柱的脆性破壞。短柱的受剪承載力和變形能力，嚴重不足，容易引發(fā)建筑物嚴重破壞，設計時需要盡可能避免短柱。

短柱的形成成因主要有兩個：一是，樓梯間的半休息平臺或者結(jié)構(gòu)局部錯層，導致兩個框架梁間的框架柱凈高比較??；二是，填充墻的設置不正確，造成某層的框架柱的兩側(cè)中一部分沒有填充墻，另部分有填充墻，而沒有填充墻的那側(cè)，柱凈高與柱截面之比通常不大于4，從而形成短柱。

5.使用平法圖集時應當注意的問題

一是框架柱，若用剖面列表法來表示配筋，應當注意每一層的樓面標高以下的箍筋加密區(qū)的長度，必須是框架梁高和規(guī)范要求的箍筋加密區(qū)長度之和，規(guī)范要求的加密區(qū)長度在1/6柱凈高、柱截面高度、500mm三個數(shù)值中取較大值。由于PKPM軟件出圖的時候，加密區(qū)長度并沒有把梁高包含在內(nèi)，容易造成施工錯誤，導致箍筋加密區(qū)的高度不夠。

二是一層建筑地面，在澆筑主體結(jié)構(gòu)澆筑結(jié)束之后才開始施工，若一層地面是剛性地面，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，柱箍筋應當在剛性地面上下各500mm范圍內(nèi)進行加密，而這一點容易被忽視，設計圖紙中最好對此有明確交待。

三是當梁截面過于小，或者承載力比較大的時候，框架梁如果需要設置三排縱筋的話，建議可以對梁截面或是縱筋直徑進行調(diào)整，改為兩排。如果沒有采取此種措施，那么對于第三排縱筋的外伸長度，應當做出明確交待。

三、結(jié)束語

綜上所述，加強對多層建筑結(jié)構(gòu)設計中框架結(jié)構(gòu)問題的研究分析，對于其良好設計效果的取得有著十分重要的意義，因此在今后的多層建筑結(jié)構(gòu)設計過程中，應該加強對框架結(jié)構(gòu)問題的重視程度，并注重其具體處理措施的科學性。

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