钢筋混凝土多层框架结构结构设计中的若干问题的探讨

史哲侯炳华

摘要 :钢筋混凝土多层框架结构房屋 ,在房屋建筑设计中应用比较广泛，本文将根据笔者在结构设计计算中遇到的有关问题及相关设计经验 ,详细阐述在钢筋混凝土多层框架结构房屋结构设中应注意的几个问题 ,以供广大同仁讨论及参考。

关键词 :钢筋混凝土框架结构房屋 ;结构设计

Abstract: The reinforced concrete multilayer frame structure building is widely applied in architectural design. In the paper, according to the related problems and the design experience in structure design and calculation, the author puts a detailed explanation a few problems that should be noticed in structure design of the reinforced concrete multilayer frame structure buildings, which offers reference and for colleagues discussing.

Keywords: reinforced concrete frame structure building; structure design

中图分类号: TU37文献标识码：A文章编号：

1基础抗震承载力验算及独立基础设计荷载取值问题

钢筋混凝土多层框架房屋层数较低 (一般在六层以下 )时多采用柱下独立基础 ,根据《建筑抗震设计规范》( GB50011 - 2010)第 4. 2. 1条指出 ,当地基主要受力层范围内不存在软弱粘性土层时 ,不超过 8层且高度在 25m以下的一般民用框架房屋或基础荷载相当的多层框架厂房 ,可不必进行天然地基和基础的抗震承载力验算。但这些房屋在基础设计时应考虑风荷载的影响。因此 ,在钢筋混凝土多层框架房屋的整体计算分析中 ,必须输入风荷载 ,不能因为在地震区高层建筑以外的一般建筑风荷载不起控制作用就不输入。

另一种情况是 ,在设计独立基础时 ,作用在基础顶面上的外荷载 (柱脚内力设计值 )只取轴力设计值和弯矩设计值 ,无剪力设计值 ,或者甚至只取轴力设计值。以上两种情况都会导致基础设计尺寸偏小 ,配筋偏少 ,影响基础本身和上部结构的安全。

2框架计算简图应合理

无地下室的钢筋混凝土多层框架房屋 ,独立基础埋置较深 ,在 - 0. 05m左右设有基础拉梁时 ,应将基础拉梁按层 1输入。以某学生宿舍楼为例 ,该项目为3层钢筋混凝土框架结构 ,丙类建筑 ,建筑场地为Ⅱ类 ;层高 3. 3m ,基础埋深 4. 0m ,基础高度 0. 8m ,室内外高差 0. 45m。根据《建筑抗震设计规范》 6. 1. 2条 ,在 7度地震区该工程框架结构的抗震等级为三级。设计者按 3层框架房屋计算 ,首层层高取 3.35m ,即假定框架房屋嵌固在 - 0. 05m处的基础拉梁顶面 ;基础拉梁的断面和配筋按构造设计 ;基础按中心受压计算。显然 ,选取这样的计算简图是不妥当的。因为 ,第一 ,按构造设计的拉梁无法平衡柱脚弯矩 ;第二 ,根据《混凝土结构设计规范》( GB50010 -2002)第 7. 3. 11条规定 ,框架结构底柱的高度应取基础顶面至首层楼盖顶面的高度。根据工程设计经验 ,这样的框架结构宜按 4层进行整体分析计算 ,即将基础拉梁层按层 1输入 ,拉梁上如作用有荷载 ,应将荷载一并输入。这样 ,计算剪力的首层层高应为 H1 = 4- 0. 8 - 0. 05 = 3. 15m ,层 2层高为 3. 35m ,层 3、4层高为 3. 3m。根据《建筑抗震设计规范》 6. 2. 3条 ,框架柱底层柱脚弯矩设计值应乘以增大系数 1. 15。当设拉梁层时 ,一般情况下 ,要比较底层柱的配筋是由基础顶面处的截面控制还是由基础拉梁顶面处的截面控制。考虑到地基土的约束作用 ,对这样的计算简图 ,在电算程序总信息输入中 ,可填写地下室层数为 1,并复算一次 ,按两次计算结果的包络图进行框架结构底层柱的配筋设计。

3基础拉梁层的计算模型应符合实际情况

基础拉梁层无楼板 ,用 TAT或 SATW E等电算程序进行框架整体计算时 ,楼板厚度应取零 ,并定义弹性节点 ,应用总刚分析方法进行分析计算。有时虽然楼板厚度取零 ,也定义弹性节点 ,但未采用总刚分析 ,程序分析时自动按刚性楼面假定进行计算 ,与实际情况不符。房屋平面不规则时 ,要特别注意这一点。

基础拉梁设计应适当

多层框架房屋基础埋深值大时 ,为了减小底层柱的计算长度和底层的位移 ,可以在±0. 000以下适当位置设置基础拉梁 ,但不宜按构造要求设置 ,宜按框架梁进行设计 ,并按规范规定设置箍筋加密区。但就抗震而言 ,应采用短柱基础方案。

一般说来 ,当独立基础埋置不深 ,或者虽然埋置较深但采用了短柱基础时 ,由于地基不良或柱子荷载差别较大 ,或根据抗震要求 ,可沿两个主轴方向设置构造基础拉梁。基础拉梁截面宽度可取柱中心距的 1 /20～1 /30,高度可取柱中心距的 1 /12～1 /18。构造基础拉梁的截面可取上述限值范围的下限 ,纵向受力钢筋可取所连接柱子的最大轴力设计值的 10%作为拉力或压力来计算 ,当为构造配筋 ,除满足最小配筋率外 ,也不得小于上下各2¢14，箍筋不得小于¢8@200。当拉梁上作用有填充墙或楼梯柱等传来的荷载时 ,拉梁截面应适当加大 ,算出的配筋应和上述构造配筋叠加。基础构造拉梁顶标高通常与基础高或短柱顶标高相同。在这种情况下 ,基础可按偏心受压基础设计。当框架底层层高不大或者基础埋置不深时 ,有时要把基础拉梁设计得比较强大 ,以便用拉梁来平衡柱底弯矩。这时 ,拉梁正弯矩钢筋应全跨拉通 ,负弯矩钢筋至少应 1 /2拉通。拉梁正负弯矩钢筋在框架柱内的锚固、梁箍筋的加密及有关抗震构造要求与上部框架梁完全相同。此时拉梁宜设置在基础顶部 ,不宜设置在基础顶面之上 ,基础则可按中心受压设计。

框架结构应注意带楼梯、梯的小井筒的设计

多层框架结构应尽量避免设置钢筋混凝土楼梯、电梯小井筒。因为钢筋混凝土井筒的存在会吸收较大的地震剪力 ,相应地减少框架结构所承担的地震剪力 ,而且井筒下的基础设计也比较困难 ,故在设计过程中这些井筒多采用构造柱夹砌体材料做填充墙形成隔墙。当必须设计为钢筋混凝土井筒时 ,井筒墙壁厚度应当减薄 ,并通过开竖缝、开结构洞等办法进行刚度弱化 ;配筋也只宜配置少量单排钢筋 ,以减小井筒的作用。设计计算时 ,除按框架确定抗震等级并计算外 ,还应按带井筒的框架 (当平面不规则时 ,宜考虑耦联 )复核 ,并加强与井筒墙体相连的柱子的配筋。此外 ,还要特别指出 ,对框架结构出屋顶的楼电梯间和水箱间等 ,应采用框架承重 ,不得采用砌体墙承重 ;而且应当考虑鞭梢效应 (按塔楼考虑 )乘以增大系数 ;雨篷等构件应从承重梁上挑出 ,不得从填充墙上挑出 ;楼梯梁和夹层梁等应承重在柱上 ,不得支承在填充墙上。

6结构计算中几个重要参数的合理选取

《建筑抗震设计规范》 3. 6. 4条指出 ,所有的计算机计算结果 ,应按照楼、屋盖在平面内变形情况确定为刚性、刚性和柔性的横隔极 ,再按抗侧力系统的布置确定抗侧力构件间的共同工作并进行各构件的地震内力分折并经判断确认其合理、效后方可用于工程设计。

为了分析判断计算机计算结果是否合理 ,结构设计计算时 ,除了有合理的结构方案、确的结构计算简图外 ,正确填写抗震设防烈度和场地类别 ,合理选取电算程序总信息中的其他各项参数也是十分重要的。

现以空间有限元分析与设计程序 SATW E为例 ,结合结构设计计算过程中发现的问题 ,来说明有关参数如何合理选取。

⑴结构的抗震等级的确定

在工程设计中 ,多数房屋建筑按其抗震设防分类属于丙类建筑 ,如民用住宅、公楼及一般工业建筑等等 ,其抗震等级可根据烈度、构类型和房屋的高度按《建筑抗震设计规范》 6. 1. 2确定。而电讯、通、源、防和医疗等类建筑以及大型体育场馆、型零售商场等公共建筑 ,首先 ,应当根据《建筑抗震设防分类标准》( GB50223 - 95)确定其中哪些建筑属于乙类建筑 (可能还有甲类建筑 ,本文不涉及 )。乙、类建筑 ,地震作用均按本地区抗震设防烈度计算。对于乙类建筑 ,一般情况下 ,当抗震设防烈度为 6～8度时 ,抗震措施应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求。

⑵合理确定地震力的振型组合数

地震力的振型组合数 ,对多层建筑 ,当不考扭转耦联计算时 ,至少应取 3;当振型数多于 3时 ,宜取 3的倍数 ,但不应多于层数 ;当房屋层数≤2时 ,振型数可取层数。对于不规则的结构 ,当考虑扭转耦联时 ,对多层建筑 ,振型数应取≥9;结构层数较多或结构刚度突变较大 ,振型数应多取 ,如结构有转换层、部有小塔楼、多塔结构等 ,振型数应取≥12或更多 ,但不能多于房屋层数的 3倍 ;只有当定义弹性楼板 ,且采用总刚分析 ,必要时 ,振型数才可以取的更多。《建筑抗震设计规范》出 ,合适的振型个数一般可以取振型参与质量达到总质量的90%所需的阵型数。SETWE等电算程序已有这种功能 ,可以很方便地输出这种参与质量的比值。有些设计人员不大重视电算程序使用手册的应用 ,选取振型数时比较随意 ,这是需要应当改进的。此外 ,由耦联计算的地震剪力通常小于非耦联计算 ,仅当结构存在明显扭转时才采用耦联计算 ,但非耦联计算往往是不可缺少的。

⑶结构周期折减系数的确定

框架结构及框架 -抗震墙等结构 ,由于填充墙的存在 ,使结构的实际刚度大于计算刚度 ,计算周期大于实际周期 ,因此 ,算出的地震剪力偏小 ,使结构偏于不安全 ,因而对结构的计算周期进行折减是必要的 ,但对框架结构的计算周期不折减或折减系数取得过大也是不妥当的。对框架结构 ,采用砌体填充墙时 ,周期折减系数可取 0. 6～0. 7;砌体填充墙较少或采用轻质砌块时 ,可取 0. 7～0. 8;完全采用轻质墙体板材时 ,可取 0.9。只有无墙的纯框架 ,计算周期才可以不折减。

⑷框架梁、箍筋间距的确定

《建筑抗震设计规范》 6. 3. 3条及 6. 3. 8条对不同抗震等级的框架梁、箍筋加密区的最小箍筋直径和最大箍筋间距做出了明确规定。根据这些规定 ,工程设计中习惯上常取梁、箍筋加密区最大间距为100mm ,非加密区箍筋最大间距为 200mm。电算程序总信息中通常也内定梁、柱箍筋加密区间距为100mm ,并以此为依据计算出加密区箍筋面积 ,由设计人员据规范确定箍筋直径和肢数。但是 ,在程序内定的条件下 ,当框架梁的跨中部位有次梁或有较大的其他集中荷载作用却仅配两肢箍筋时 ,多数情况下 ,这一部位仍采用非加密区箍筋间距 200mm会使箍筛显得不足的同时 ,也能对特殊部位 (加密区以外 )的箍筋配置提出明确要求。因此建议程序内定梁箍筋改为取梁的非加密区间距200mm。这样 ,既可保证梁全部非加密区的抗剪承载力 ,又可适当增加梁端箍筋加密区 (箍筋间距为100mm )的抗剪能力 ,梁的强剪性能得以充分体现。

当框架梁由于种种原因纵向钢筋超筋时 ,梁端适当加大抗剪承载力对结构抗震非常有利。这也是为什么当梁端纵向受拉钢筋配筋率大 2%时 ,规范规定梁的箍筋直径应比最小构造直径增大 2mm的原因。对于框架柱 ,当框架内定柱加密区箍筋间距为100mm时 ,在某些情况下 ,亦可能因非加密区箍筋间距采用 200mm引起配箍不足。因此 ,我们也建议程序内定柱的箍筋间距改为取柱的非加密区的箍筋间距 200mm及某些特殊要求。

这里需要指出的是 ,梁、柱箍筋非加密区配箍验算时可不考虑强剪弱弯的要求 ,即剪力设计值取加密区终点处外侧的组合剪力设计值 ,并且不乘以剪力增大系数。当然 ,如果电算程序能同时给出梁、箍筋加密区和非加密区的箍筋面积 ,则于设计者应更加方便了。

⑸框架梁刚度的放大系数的取值应合理

在用 TAT或 SATW E等电算程序进行框架整体计算时 ,框架梁刚度的放大系数应根据楼面的结构形式合理确定。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》( JGJ 3 - 2002 )第 5. 2. 2条的规定 ,对于现浇楼面和装配整体式楼面 ,框架梁 (包括中梁及边梁 )可考虑翼缘的作用 ,刚度放大系数可取 1. 3～2. 0,进行分析计算 ;而对于无现浇面层的装配式结构 ,可不考虑框架梁刚度的放大。在工程设计过程中 ,这一点很容易被有些设计人员忽视 ,要特别注意这一点。

⑹地下室层数的输入处理

多层框架结构房屋也有设置地下室的。由于隔墙少 ,常采用筏板式基础。在电算时 ,应将地下室层数和上部结构一起输入 ,并在总信息中按实际的地下室层数填写。这样 ,计算地基和基础底板的竖向荷载可以一次形成 ,并且在抗震计算时 ,程序会自动对框架底层柱底截面的弯矩设计值乘以增大系数。同时通过对层侧移刚度比的分析比较 ,还可以正确判断和调整房屋的嵌固位置 ,并采取相应的抗震构造措施 ,保证楼板有必要的厚度和最小配筋率等等 ;当结构表现为竖向不规侧时 ,不仅要验算薄弱层 ,而且还要对薄弱层的地震剪力乘以 1. 15的增大系数。如果在结构总体计算时 ,总信息中填写的地下室层数少于实际输入的层数 ,弯矩设计值增大系数将会乘错位置 ,从而在发生地震时 ,会使极易发生震害的底层柱底部位因抗震能力降低而破坏。

依据标准及参考文献 :

[ 1 ]国家标准《建筑抗震设计规范》GB 50011 - 2010

中国建筑工业出版社

[ 2 ]国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010 -

2002中国建筑工业出版社

[ 3 ]国家标准《建筑地基基础设计规范》GB 50007 -

2002中国建筑工业出版社