高層建筑框架梁限額設計

摘 要：本文從經(jīng)濟性出發(fā)，按照限額設計的要求，基于高層建筑理想計算模型，討論結(jié)構(gòu)側(cè)移特征，分析高層建筑最大層間位移出現(xiàn)的位置，提出“梁配筋圖歸并以樓層層間位移相近為原則”的歸并理念，對施工圖審查設計和施工有一定的參考價值和借鑒意義。

關鍵詞：側(cè)移特征；最大層間位移；限額設計

Abstract： This paper focusing on the economy of the structure， is always under the guidance of the quoted design. Based on ideal calculating model of high-rise building， structure lateral displacement characteristics is discussed. The author analysis position of the most story drift of high-rise building， and suggested merging idea that merging of reinforcement of RC beams is based on the similar interlaminar displacement， which are valuable to working drawing examination， designing and construction.

Key words： Lateral displacement characteristics； Most story drift； Quota design

1.問題提出

所謂限額設計，是指在保證各專業(yè)達到使用功能的前提下，按照房地產(chǎn)開發(fā)商分配的投資限額控制施工圖設計，嚴格控制不合理的設計變更，確?？偼顿Y不被突破。國內(nèi)研究表明，工程設計費占工程全部費用的比重不到1%，但對工程造價的影響程度卻高達75%，因此，房地產(chǎn)開發(fā)商紛紛提出限額設計的要求。

但是，有些設計人員的經(jīng)濟意識淡薄，單純按“安全適用、技術(shù)先進”的目標進行設計，忽視“經(jīng)濟合理”的設計要求，無法滿足開發(fā)商限額設計的要求。比如，一幢18層的純剪力墻結(jié)構(gòu)民用住宅，有些設計人員把3-18層的梁配筋圖歸并為同一張施工圖，也有些設計人員每隔三層歸并為一張梁配筋施工圖，沒有掌握科學合理的歸并方法，造成不必要的浪費。

限額設計是一項系統(tǒng)工程，本文從一個側(cè)面入手，以高層建筑框架梁歸并問題為著眼點，分析高層建筑水平位移的變形特點，探討水平位移與框架梁配筋的關系，提出科學合理框架梁配筋歸并方法，協(xié)調(diào)“安全適用、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理”三者矛盾，做好限額設計。

2.高層建筑水平位移的變形特點

2.1 理想計算模型

將高層建筑視為一根豎直放置嵌固于基礎的開孔、帶橫肋的巨型空間構(gòu)架式懸臂梁，假定水平風荷載和水平地震作用沿建筑物的豎向分布呈倒三角形分布，如圖1所示。

2.2 基于理想計算模型的高層建筑變形分析

（1）彎曲側(cè)移變形

由結(jié)構(gòu)力學，懸臂梁任一高度x處的彎矩為：

2.3 基于理想計算模型的高層建筑最大層間位移位置的確定

由（2）式和（4）式對x連續(xù)求二階導數(shù)，分別有：

2.4 高層建筑最大層間位移位置的確定

對于一般的高層建筑結(jié)構(gòu)，其在水平荷載作用下的側(cè)移變形大都介于彎曲型和剪切型之間，其最大層間相對水平位移大都在 上下的樓層，圖3為PKPM空間結(jié)構(gòu)分析軟件對純剪力墻層間位移的計算結(jié)果。

3.高層建筑水平位移與框架梁配筋之間的關系

3.1 水平位移的構(gòu)成要素

水平荷載作用下的位移，通常由三部分構(gòu)成：（1）樓層的整體剪切位移；（2）結(jié)構(gòu)整體彎曲變形產(chǎn)生的側(cè)移；（3）基礎轉(zhuǎn)動位移。其中，樓層的整體剪切位移由樓層剪力引起，結(jié)構(gòu)整體彎曲變形產(chǎn)生的側(cè)移由水平荷載產(chǎn)生的傾覆力矩引起，而基礎轉(zhuǎn)動位移由地基變形引起的結(jié)構(gòu)整體剛性轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的位移。

3.2 各構(gòu)成要素對結(jié)構(gòu)的影響

對于高層建筑來說，基礎轉(zhuǎn)動發(fā)生樓蓋的整體傾斜，下部樓層剛性轉(zhuǎn)動所引起的位移對本層結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形并不產(chǎn)生直接影響，因此，直接引起結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形的是本層構(gòu)件所發(fā)生的整體剪切位移和結(jié)構(gòu)整體彎曲變形產(chǎn)生的側(cè)移。

3.3 高層建筑水平位移與框架梁配筋之間的關系

由結(jié)構(gòu)力學基本理論，在樓層抗側(cè)剛度一定的情況下，樓層發(fā)生的層間剪切位移越大，樓層層間剪力越大，墻端或柱端的彎矩越大，那么與墻或柱相連的框架梁彎矩就越大，梁配筋就越大。同樣，在樓層抗彎剛度一定的情況下，樓層發(fā)生的層間轉(zhuǎn)角越大，墻端或柱端的彎矩越大，那么與墻或柱相連的框架梁彎矩就越大，梁配筋就越大。

4.框架梁配筋的歸并方法

4.1歸并方法

高層建筑框架梁的設計，設計人員應摒棄底部加強區(qū)以上每隔三層歸并為一張梁配筋施工圖的做法，應本著“梁配筋圖歸并以樓層層間位移相近為原則”的歸并理念，根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)整體分析的計算結(jié)果，確定最大層間位移出現(xiàn)的位置，分析各樓層層間位移的數(shù)據(jù)，以最大層間位移出現(xiàn)的位置為基點，把層間位移相近的樓層歸并為同一層，從而最終確定框架梁配筋圖歸并方案，以優(yōu)化配筋，做到限額設計。

4.2 經(jīng)濟效益分析

某18層鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)民用住宅，20層，各層層高為3m，結(jié)構(gòu)總高度為60m，地震烈度為0.15g，設計地震分組為一組，經(jīng)PKPM三維空間計算程序的分析計算，其第4層的層間位移為1.84mm，該樓層的框架梁用鋼量為4.032t，第7層的層間位移為2.30mm， 該樓層的框架梁用鋼量為4.654t，顯然，若將第4層和第7層的梁配筋歸并為同一層，就相當于把第4層的框架梁用鋼總量放大15%，造成不必要的浪費。

5.結(jié)論

本文以豎向懸臂梁為計算模型，建立高層建筑水平側(cè)移方程，利用數(shù)理方法確定最大層間位移的位置，分析高層建筑水平位移與框架梁配筋之間的關系，提出“梁配筋圖歸并以樓層層間位移相近為原則”的歸并理念，通過某一具體工程的經(jīng)濟效益分析，框架梁用鋼總量可以節(jié)省15%，經(jīng)濟效益明顯，對工程設計有一定的參考價值和借鑒意義。

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【文章編號】1627-6868（2017）05-0068-02

【作者簡介】吳延珍，男，國家一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，院長，主要從事抗震理論分析與減震、隔震的研究。