多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題及措施

裘孝平+裘國強(qiáng)

摘 要：多層框架結(jié)構(gòu)房屋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)歷來都是建筑設(shè)計(jì)中比較重要的環(huán)節(jié)，特別是房屋的抗震設(shè)計(jì)在汶川大地震之后更是得到前所未有的重視。主要從多層框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)原則，結(jié)構(gòu)體系的安全性，多層框架結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施，關(guān)于“強(qiáng)柱弱梁”節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，加強(qiáng)短柱的構(gòu)造措施等方面總結(jié)歸納了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀與成果。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 抗震設(shè)計(jì)； 構(gòu)造措施；強(qiáng)柱弱梁

2008年5月12日，我國四川省汶川縣發(fā)生8.0 級特大地震，震中烈度11 度，當(dāng)?shù)亟ㄖ馐車?yán)重破壞并造成巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。震后，大量的科研工作者及一線設(shè)計(jì)人員多次深入地震災(zāi)區(qū)，開展震害調(diào)查及震后修復(fù)工作。并結(jié)合地震災(zāi)害情況，對我國現(xiàn)行的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行了完善，為日后的工程設(shè)計(jì)提供更可靠的安全保障。

多層框架結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該充分考慮房屋施工區(qū)的地質(zhì)條件，特別是地震比較頻繁的地區(qū)，更應(yīng)該注重對建設(shè)工程施工項(xiàng)目的抗震防范烈度及場地類別加以合理填報(bào)與控制。在設(shè)計(jì)多層框架的抗震能力時，應(yīng)該設(shè)計(jì)成“強(qiáng)柱弱梁”的節(jié)點(diǎn)形式，“強(qiáng)柱弱梁”就是梁端截面的屈服彎矩要小于柱端截面的屈服彎矩，使塑性鉸盡可能地在梁端部出現(xiàn)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)在不同的位置和順序出現(xiàn)塑性鉸時，會產(chǎn)生不同的破壞形式。如果塑性鉸在一個強(qiáng)柱弱梁型的結(jié)構(gòu)中， 它會先出現(xiàn)在梁端， 當(dāng)塑性鉸出現(xiàn)在全部梁端或者部分梁端的時候， 框架結(jié)構(gòu)對于外荷載仍能夠承受，而在塑性鉸出現(xiàn)在柱子底部的時候，才能破壞框架結(jié)構(gòu)。

1.多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

1.1 抗震驗(yàn)算時不同的樓蓋及布置決定了采用剛性、剛?cè)帷⑷嵝岳碚撚?jì)算

抗震驗(yàn)算時應(yīng)特別注意場地土類別。8度超過5層有條件時，盡量加剪力墻，可大大改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。框架結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)成雙向梁柱剛接體系，但也允許部分的框架梁搭在另一框架梁上。應(yīng)加強(qiáng)垂直地震作用的設(shè)計(jì)，從震害分析，規(guī)范給出的垂直地震作用明顯不足。

1.2 剛?cè)岵?jì)設(shè)計(jì)理念

合理的建筑結(jié)構(gòu)體系應(yīng)該是剛?cè)嵯酀?jì)的。結(jié)構(gòu)太柔雖然可以很好的消減外力，但容易造成變形過大而無法使用甚至全體傾覆；結(jié)構(gòu)太剛則變形能力差，承受的力很大時，容易造成局部受損最后全部毀壞。結(jié)構(gòu)是剛一點(diǎn)好，還是柔一點(diǎn)好，這問題歷來都是結(jié)構(gòu)專家們爭論的焦點(diǎn)，現(xiàn)今的規(guī)范給出的也只是一些控制的指標(biāo)，但無法提供精確答案。

1.3 安全的結(jié)構(gòu)體系

安全的結(jié)構(gòu)體系是層層設(shè)防的，災(zāi)難來臨，所有抵抗外力的結(jié)構(gòu)都在通力合作，集體對抗。這時候，如果把建筑結(jié)構(gòu)安全的希望全部寄托在某個單一的構(gòu)件上，是非常危險(xiǎn)的。如土建結(jié)構(gòu)中框架剪力墻比純框架好，多肢墻比單片墻好等等，就是體現(xiàn)了多道防線的設(shè)計(jì)思路]。從汶川地震時房屋遭受的震害看，嚴(yán)格按抗震規(guī)范設(shè)計(jì)的鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)（7度設(shè)防）經(jīng)受了強(qiáng)震考驗(yàn)，表現(xiàn)了較好的抗震性能。葉列平]等分析了結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的因素和評價指標(biāo)，并提出提高結(jié)構(gòu)整體承載力儲備和變形能力，增加結(jié)構(gòu)的冗余度和整體性等措施能顯著提高結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力。

2.多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題及措施

2.1 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)連梁、地下框架梁和基礎(chǔ)梁

在多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中， 很多設(shè)計(jì)新手很容易混淆這三個概念。也有人把所有的地下梁統(tǒng)稱為基礎(chǔ)梁。在框架獨(dú)立柱下基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時，在基礎(chǔ)頂面附近或接近于±0.000 的位置設(shè)置雙向的地下梁。設(shè)置此梁的目的一是為了提高基礎(chǔ)整體性，調(diào)節(jié)上部結(jié)構(gòu)的不均勻沉降，其二是用來承擔(dān)框架底層的墻體。我們把它稱為基礎(chǔ)連梁，當(dāng)基礎(chǔ)埋置深度不是很大時，基礎(chǔ)拉梁頂標(biāo)高一般所用與基礎(chǔ)頂齊平，基礎(chǔ)拉梁的鋼筋分別錨固于基礎(chǔ)之內(nèi)，計(jì)算模型是支承在基礎(chǔ)上簡支梁，而不是連續(xù)梁。

為了使基礎(chǔ)拉梁的實(shí)際受力符合計(jì)算模型，結(jié)構(gòu)說明中常要求基礎(chǔ)梁底架空（如要求先素土夯實(shí)，再鋪爐渣300mm厚，梁底留100mm高空隙）；當(dāng)基礎(chǔ)埋置深度較大時，基礎(chǔ)拉梁的頂面標(biāo)高一般位于地坪下500mm， 這樣做的好處就是計(jì)算模型簡單，可以把它當(dāng)作一層框架由軟件完成計(jì)算工作，還可以節(jié)省基礎(chǔ)拉梁上的墻體]。此時的基礎(chǔ)拉梁在實(shí)際概念上應(yīng)屬于地下框架梁，其截面尺寸及配筋要求應(yīng)同于樓面框架梁。而我們常稱的基礎(chǔ)梁，從結(jié)構(gòu)分析角度來說，是起基礎(chǔ)作用的，即承受地基反力的梁。如筏板基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)梁，基礎(chǔ)梁和基礎(chǔ)底板共同承受地基反力，其計(jì)算模型我們則采用“倒梁樓蓋法”， 基礎(chǔ)梁的受力筋設(shè)置位置和樓面框架梁剛好相反。

2.2 關(guān)于強(qiáng)柱弱梁節(jié)點(diǎn)

經(jīng)過對震害的分析發(fā)現(xiàn)，在框架結(jié)構(gòu)的破壞形式中，節(jié)點(diǎn)的破壞是非常嚴(yán)重的，而且很多倒塌房屋都出現(xiàn)“強(qiáng)梁弱柱”現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)受力復(fù)雜，容易發(fā)生破壞。節(jié)點(diǎn)的可靠與否是關(guān)系梁、柱能否可靠工作的前提，必須做到強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、強(qiáng)錨固?？蚣芰褐?jié)點(diǎn)處的箍筋是防止節(jié)點(diǎn)破壞的一道防線。強(qiáng)柱弱梁措施的強(qiáng)弱，也就是相對于梁端截面實(shí)際抗彎能力而言柱端截面抗彎能力增強(qiáng)幅度的大小，是決定由強(qiáng)震引起柱端截面屈服后塑性轉(zhuǎn)動能否不超過其塑性轉(zhuǎn)動能力，而且不致形成“層側(cè)移機(jī)構(gòu)”，從而使柱不被壓潰的關(guān)鍵控制措施]。柱強(qiáng)于梁的幅度大小取決于梁端縱筋不可避免的構(gòu)造超配程度的大小，以及結(jié)構(gòu)在梁、柱端塑性鉸逐步形成過程中的塑性內(nèi)力重分布和動力特征的相應(yīng)變化。梁端縱向受拉鋼筋的配筋不得過高，以免在罕遇地震中進(jìn)入屈服階段不能形成塑性鉸或塑性鉸轉(zhuǎn)移到立柱上。注意節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，讓塑性鉸向梁跨內(nèi)移。

2.3 強(qiáng)剪弱彎剪力墻設(shè)計(jì)

為了提高抗震墻的變形能力，避免發(fā)生剪切破壞，對于一道截面較長的抗震墻，應(yīng)該利用洞口設(shè)置弱連梁，使墻體分為小開口墻、多肢墻或單肢墻，并使每個墻段的高寬比不小于2。所謂弱連梁，是指在地震作用下各層連梁的總約束彎矩不大于該墻段總地震彎矩的20%；連梁不能太強(qiáng)，以免水平地震作用下某個墻肢出現(xiàn)全截面受拉， 這是比較危險(xiǎn)的。但是，考慮到耗能，連梁又不能太弱，連梁弱到成為一般小梁時，墻肢就變成單肢墻，而單肢墻的延性很差，僅為多肢墻的一半，且單肢墻僅具有一道抗震防線，超靜定次數(shù)少，在地震作用下是很不利的。目前，有許多設(shè)計(jì)人員將結(jié)構(gòu)中門洞連梁、窗洞連梁都改為截面高度極小的二力桿件，這對結(jié)構(gòu)抗震是很不好的。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，對連梁的剛度都要進(jìn)行折減，這是因?yàn)榧袅Φ膭偠纫话愣己艽?，在水平力作用下，剪力墻中的連梁會因?yàn)楹艽蟮膬?nèi)力而超過截面允許值，可靠的辦法是讓這些連梁先屈服，要使連梁能形成塑性鉸而不發(fā)生脆性破壞，連梁首先就必須滿足強(qiáng)剪弱彎的要求，對連梁的剛度進(jìn)行折減實(shí)際上就是降低其抗彎能力。endprint

強(qiáng)剪弱彎是保證構(gòu)件延性， 防止脆性破壞的重要原則，它要求人為加大各承重構(gòu)件相對于其抗彎能力的抗剪承載力，使這些部位在結(jié)構(gòu)經(jīng)歷罕遇地震的過程中以足夠的保證率不出現(xiàn)脆性剪切失效。對于多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中的多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)梁應(yīng)注意抗剪驗(yàn)算和構(gòu)造，使其滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2.4 注意構(gòu)造措施

對于大跨度柱網(wǎng)的框架結(jié)構(gòu)，在樓梯間處的框架柱由于樓梯平臺梁與其相連，使得樓梯間處的柱可能成為短柱，應(yīng)對柱箍筋全長加密。這一點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中容易被忽視，應(yīng)引起重視。對框架結(jié)構(gòu)外立面為帶形窗時，因設(shè)置連續(xù)的窗過梁，使外框架柱可能成為短柱，應(yīng)注意加強(qiáng)構(gòu)造措施。對于框架結(jié)構(gòu)長度略超過規(guī)范限值，建筑功能需要不允許留縫時，為減少有害裂縫（規(guī)范規(guī)定裂縫寬度小于0.3mm），建議采用補(bǔ)償混凝土澆筑。采用細(xì)而密的雙向配筋，構(gòu)造間距宜小于150mm，對屋面宜設(shè)置后澆帶，后澆帶處按構(gòu)造措施宜適當(dāng)加強(qiáng)。

2.5 加強(qiáng)短柱的構(gòu)造措施

在工程施工過程中頂棚可能要吊頂或其它裝修，甲方為了節(jié)約開支。往往要求柱間填充墻不到頂或者是在墻上任意開門窗洞，這樣往往會造成短柱，由于短柱剛度大，吸收地震作用使其受剪，當(dāng)混凝土抗剪強(qiáng)度不足時，則產(chǎn)生交叉裂縫及脆性錯斷，從而引起建筑物或構(gòu)筑物的破壞甚至倒塌，所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)采取如下措施：盡量減弱短柱的樓層約束，如降低相連梁的高度、梁與柱采用鉸接等；增加箍筋的配置，在短柱范圍內(nèi)箍筋的間距不應(yīng)大于l00mm，柱的縱向鋼筋間距≤150mm；采用良好的箍筋類型，如螺旋箍筋、復(fù)合螺旋箍筋、雙螺旋箍筋等。

3.結(jié)束語

雖然多層框架結(jié)構(gòu)比較簡單，但是它的設(shè)計(jì)確實(shí)比較復(fù)雜的。對于地震頻發(fā)地區(qū)就更加了，對結(jié)構(gòu)的抗震有更大的要求，這其中存在著很多我們目前還沒有解決的問題。我們現(xiàn)階段的首要任務(wù)是盡可能熟練地了解和掌握規(guī)范，并且能夠具有良好的結(jié)構(gòu)概念，為我們以后在不斷的研究和實(shí)踐中，設(shè)計(jì)出具有完善的抗震性和經(jīng)濟(jì)適用的建筑奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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【文章編號】1006-2688（2017）10-0065-02endprint