建筑混凝土框架结构设计经验

编者按：

我们组织的陕西晨光建筑设计研究有限公司结构所所长刘娜等三篇研究论文.从不同空间,说明当前我国建筑工程设计领域存在着惊人的工程资源消耗情况.以刘文为例,一个小工程,单位面积能节省二十公斤鋼材,推而广之,一年我国基本建设是多大啊?工程资源的投入产出.直接影响国家人口红利向人才红利的经济转型升级.我国劳动生产率是德国的五分之一,美国的八分之一.人家一个人能干成的事,我们要八个人干,有时还干不好.编辑部希望利用本刊,推动降低工程成本,建设节约型国家的论文交流.

【摘 要】建筑混凝土框架结构体系是建筑工程中较常见的结构形式,笔者根据建筑力学理论知识,结合多年设计实践,总结概括了常见问题的处置方法.

【关 键 词】框架；截面尺寸；配筋；解决方法

笔者从事建筑结构设计十余年,在知名建筑力学学者恩师王润昌教授级高级工程师悉心指导下,笔者实践应用“工程结构精化设计”理论过程中,将多年从事建筑框架结构体系实际工程经验整理成文,为以文会友,发表刊端,以一盖十,拜见各位读者师长,求知之心可鉴.

1.建筑钢筋混凝土框架结构的优与惑

（1）利于建筑空间分割组合,具有可以较灵活地配合建筑平面布置,也利于安排需要较大空间的建筑结构；框架结构的梁、柱构件易于标准化、定型化,便于采用装配整体式结构,以缩短施工工期；采用现浇混凝土框架时,结构的整体性、刚度较好,设计处理好也能达到较好的抗震效果,而且可以把梁或柱浇注成各种需要的截面形状.

（2）质疑建筑混凝土框架结构体系的疑点,其一：建筑混凝土框架结构的侧向刚度小,属柔性结构,在强烈地震作用下,建筑混凝土框架节点应力集中显著,结构所产生水平位移较大,易造成严重的非结构性破坏；钢材和水泥用量较大,构件的总数量多,工序多,施工受季节、环境影响较大；其二：框架体系本质上讲是由梁柱构成杆系结构,其承载力和刚度都较低,虽然可以考虑现浇楼面与梁共同工作以提高楼面水平刚度,但也是有限的,特别是水平方向,它的受力特点类似于竖向悬臂剪切梁,其总体水平位移上大下小,但相对于各楼层而言,层间变形上小下大,设计时考虑如何提高框架的抗侧刚度及控制好结构侧移为重要因素；其三：当刚度大、层数相当多时,钢筋混凝土框架结构底部各层不但柱的轴力很大,而且梁和柱由水平荷载所产生的弯矩和整体的侧移亦显著增加,从而导致截面尺寸和配筋增大,对建筑平面布置和空间处理,就可能带来困难,影响建筑空间的合理使用,在材料消耗和造价方面,也趋于不合理,故一般不适用于建造层数超过15层的房屋.

2.建筑混凝土框架体系的疑点及其处置方法

笔者通过应用“工程结构精化设计”理论分析,对下列问题的处置提出笔者的一点看法：

2.1合理确定梁、柱截面尺寸.

柱截面尺寸初选,要同时满足最小截面、侧移限值和轴压比等诸多因素,一般可通过满足轴压比限值来对截面进行估计.强柱弱梁,就是要控制梁、柱的相对刚度,使塑性铰首先在梁端出现,尽量避免或减少柱子中的塑性铰.初步确定尺寸后建立计算模型,经计算后,梁、柱会出现以下几种情况：

2.1.1梁断面偏小引起钢筋超限或梁的裂缝、挠度超过规范允许最大值,柱轴压比超限或柱钢筋超出最大配筋率,这时反复对梁、柱截面尺寸进行调整或提高混凝土标号等级、钢筋强度等级进一步试算,直至使梁、柱断面调整到一个合理的尺寸.

2.1.2对予构造配筋的梁、柱,可依据梁的裂缝宽度和柱的轴压比适当减小梁、柱的截面尺寸再试算.

2.2梁、柱按“结构杆系最佳组合”配筋.

2.2.1梁纵向钢筋的配筋率在0.5%～1.5%范围内较为适宜,在配筋率一定时,用较细的钢筋可以增加混凝土的抗弯面积,可减小梁的裂缝宽度,增大配筋率是减小梁裂缝的最直接方法,但只提高混凝土的强度等级对梁裂缝的影响就很小,如改用小直径后梁的裂缝宽度任然超限就应加大梁的截面尺寸,或增加梁的配筋面积.在地震作用下,为满足强剪弱弯,就应做到梁端斜截面受剪承载力高于正截面受弯承载力,在具体设计时,将梁端负弯矩筋乘以系数0.85～1.0,梁中正弯矩乘以1.1～1.3,梁端箍筋直径可在计算结果基础上增加2mm.

图2

2.2.2框架柱的配筋一般都较低,计算结果往往都是构造配筋,由于抗震上强柱弱梁的要求,也就人为增大柱的配筋而减小梁的配筋.柱子承担的责任最大,为了保证在地震时柱在最后失效,必须设计成强柱弱梁,对梁进行塑性内力重分布,在梁端形成塑性铰,使其破坏在先,以最大限度地减少可能出现的损失.若把梁、柱同等看待,企图让他们都强,则可能会造成同时破坏,后果会更严重,损失会更大.所以在设计时一些参数的调整十分重要,对框架柱的纵向配筋结果一般可乘以1.2～1.6,柱箍筋的直径可在计算结果基础上增加2mm,其中角柱大些,边柱次之,中柱小一些,柱箍筋的形式宜采用井字形,以增强箍筋对混凝土的约束,箍筋的重叠不宜多于两个箍筋.

2.3为满足强剪弱弯要求,尽量避免出现短柱.

框架结构中由于楼梯间休息平台梁或因层高矮而柱截面大等原因,某些工程中短柱难以避免.如果同一层均为短柱,各柱刚度相差不大,这种情况下进行内力分析结构设计安全是可以保证的.对于一层中出现少量的短柱,因为这些少数短柱的抗侧刚度远大于一般柱的抗侧刚度,在水平力作用下,会吸收较大的水平剪力,一旦地震烈度过大,就可能使少数短柱最先破坏,同楼层的各柱会受其影响逐渐破坏,这对结构安全十分不利.框架结构的楼梯休息平台处若设置柱间梁时将使支架梁的柱形成短柱,为了不出现短柱,可在休息平台距离框架柱50mm处设置从楼层框架梁上支承的小柱,在这2个柱子上搭平台板,再向外挑板至楼梯间外墙处,见图1.平台板外端不用设置柱间梁,楼梯间的短柱就可避免出现.

框架结构中对楼梯间的处理还有一个办法,就是在踢板与平台板之间设置滑动支座,见图2,虽然休息平台处框架柱仍为短柱,但是此时楼梯不参与计算,地震时楼梯也不会影响到整体结构的安全,传给这2个短柱的力也会小得多,满足了整体结构的安全.

2.4注意节点核芯区构造钢筋,防止梁、柱偏心对核心区产生的不利影响.

框架结构节点核芯区承受剪力较大,配筋不当极易遭受破坏,一、二、框架节点核芯区配箍特征值分别不宜小于0.12、0.10和0.08且体积配箍率分别不宜小于0.6%、0.5%、0.4%.柱剪跨比不大于2的框架节点核芯区,体积配箍率不宜小于核芯区上、下柱端的较大体积配箍率.规范规定,框架梁、柱中心线宜重合,当梁、柱中心线不重合时,在计算时应考虑偏心对梁柱节点核心区受力和构造的不利影响,以及梁上的荷载对柱子的偏心影响.若偏心距大于该方向上柱宽度的1/4时,可以采用在梁的水平方向增设加腋等措施.有模拟水平地震作用的研究表明,当框架梁、柱中心线偏心距大于该方向柱宽的1/4时,节点核心区除了出现斜裂缝,而且还出现竖向裂缝.因此,当梁、柱偏心距大于该方向柱宽的1/4时,应采用梁水平加腋的措施,加腋后的梁在验算梁的剪压比和受弯承载力时,一般不计加腋部分截面的有力影响.水平加腋部分斜向设置的水平钢筋的直径不宜小于14,间距不小于200mm,附加箍筋直径不宜小于8@200.

3.结语

建筑混凝土框架结构体系是建筑结构设计中较为重要的一种结构形式.一直以来,建筑混凝土框架结构设计问题是业内关注的重点,因此,应用本公司工程实际综合研究的“工程结构精化设计”和“结构杆系最佳组合”两项设计理论,返归与施工现场相结合十多年的设计与竣工实践,对建筑混凝土框架结构设计的原则进行分析,更通过深入探讨建筑混凝土框架结构抗震计算等问题在设计中应注意的一些具体问题,明确了建筑混凝土框架结构设计时的重点及相应对策,以便在今后对建筑混凝土框架结构体系设计中实现物尽其力,使我们设计的作品更加科学、更加准确、更加合理、更加经济实用.

[文章编号]1006-7619（2013）09-05-822