民用建筑多层框架结构设计的注意事项
摘 要：多层钢筋混凝土框架结构，是一种由梁和柱以刚接或铰接相连接成承重体系的房屋建筑结构。多层钢筋混凝土框架结构设计文件与图纸是最主要的依据之一,全面理解设计文件,并规范进程加以实施,是结构方案的主要工作。然而，一旦处理不好或计算过程中未加考虑便会导致结构不合理，甚至结构不安全。设计人员在精于结构电算分析的同时，更应注意到在设计过程中碰到的问题，使施工图的设计更完善，保证结构的安全。针对框架结构设计中容易出现的且易疏忽的问题进行了探讨。
关键词：框架结构,钢筋混凝土,民用建筑
一、截面尺寸的选择
梁、柱的截面尺寸的选择是框架结构设计的前提,除应满足规范所要求的取值范围,还应注意尽可能使柱的线刚度与梁的线刚度的比值大于1,以达到在罕遇地震作用下,梁端形成塑性铰时,柱端处于非弹性工作状态而没有屈服,节点仍处于弹性工作阶段的目的,即规范所要求的“强柱弱梁强节点”。
二、框架计算简图不合理
基础埋深较浅时现浇的框架结构梁柱刚接，计算简图的确定主要是确定底层柱的计算长度。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ll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《抗震规范》第6.12条,在8度地震区该工程框架结构的抗震等级为二级。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,《混凝土结构设计规范》(GB50010一2002)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。工程设计经验表明, 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《抗震规范》第6.2.3条,框架柱底层柱脚弯矩设计值应乘以增大系数1.25。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,按两计算结果的包络图进行框架结构底层柱的配筋。 三、框架柱配筋的调整
框架柱的配筋率一般都很低，电算结果往往是构造配筋即可。按柱的构造配筋率0.8%配筋，只相当于定额指标的1/2-2/3，有经验的设计者是不会采用的。因为受地震作用的框架柱，尤其是角柱和大开间、大进深的边柱，一般均处于双向偏心受压状态，而电算程序则是按两个方向分别为单向偏心受压的平面框架计算配筋，结果往往导致配筋不足。框架柱配筋的调整可做以下几项。
一是应选择最不利的方向进行框架计算，也可两个方向均进行计算后比较各柱的配筋，取其较大值，并采用对称配筋。二是调整柱单边钢筋的最小根数：柱宽≤450mm时3根，450mm<柱宽≤750mm时4根，750mm<柱宽≤900mm时5根。三是将框架柱的配筋放大1.2-1.6倍。其中角柱放大多些(不小于1.4倍)，边柱次之，中柱放大小些(1.2倍)。四是由于多层框架时电算常不考虑温度应力和基础不均匀沉降问题，当多层框架水平尺寸和垂直尺寸较大以及地基软弱土层较厚或地基土层不均匀时，再适当放大一点框架柱的配筋也是可以理解的。具体放大多少，就要由设计人的经验决定了。五是框架柱的箍筋形式应选菱形或井字形，以增强箍筋对混凝土的约束。柱箍筋直径宜增加2mm。
三、框架梁、柱截面尺寸的调整
在满足梁柱的截面尺寸和配筋率的情况下,仍需在计算配筋后进行梁的裂缝宽度的验算和满足梁端斜截面“强剪弱弯”条件下的梁端配筋调整。
1.梁、柱截面尺寸的调整
设计人员根据教科书建议的梁,柱截面尺寸的取值范围,结合自已的经验先对所有构件的大小初步确定一个尺寸.此时须注意尽可能使柱的线刚度ic与梁的线刚度iB的值大于1.这是为了实现在罕遇地震作用下,让梁端形成塑性铰时,柱端仍可处于非弹性工作状态而没有屈服,但节点还处于弹性工作阶段的目的.即“强柱弱梁强节点”。将初步确定的尺寸输入计算机进行试算，一般可得到下述三种结果。一是部分梁、柱仅为构造配筋。此时，可根据电算显示的梁的裂缝宽度和柱的轴压比大小适当减小梁、柱的截面尺寸再试算。二是部分梁显示超筋或裂缝宽度>0.3mm,部分柱的轴压比超限或配筋率过大(试算时可控制柱的配筋率不大于3%).此时,可适当放大这部分梁、柱的截面尺寸再试算。三是梁、柱的截面尺寸均合适，勿需调整。此时，要进一步观察梁、柱的配筋率是否合适。
2.梁端斜截面的配筋调整
框架结构设计中，应力求做到在地震作用下框架梁的梁端斜截面受剪承载力应高于正截面受弯承载力。即“强剪弱弯”。具体在调整梁的配筋时，笔者建议可做以下几项调整：梁端负弯矩钢筋可缩小(系数采用0.85);梁的跨中受拉钢筋可放大1.1-1.3倍;梁端箍筋的直径可增加2mm;按构造要求对于跨度大于6m的框架梁设弯起钢筋。
3.在电算中合理、准确运用弯矩的调幅
规范规定只有在竖向力作用下梁端弯矩可调幅,水平力作用下梁端弯矩不允许调幅,因此在计算时必须先将竖向荷载作用下的梁端弯矩调幅后,再将水平荷载产生的梁端弯矩叠加。在此可采用两种方法:一是将梁端的固定弯矩调幅后,再进行力矩分配;二是将由力矩分配法算得的梁端负弯矩直接乘以调幅系数。
四、框架结构设计中应注意的其它问题
在框架结构中不允许采用两种不同的结构型式,楼、电梯间、局部突出屋顶的房间,均不得采用砖墙承重,因为框架结构是一种柔性结构体系,而砖混结构是一种刚性结构。为了使结构的变形相互协调,不应采用不同结构混合受力。
加强短柱的构造措施:在工程施工过程中顶棚可能要吊顶或其它装修,甲方为了节约开支。往往要求柱间填充墙不到顶或者是在墙上任意开门窗洞,这样往往会造成短柱,由于短柱刚度大,吸收地震作用使其受剪,当混凝土抗剪强度不足时,则产生交叉裂缝及脆性错断,从而引起建筑物或构筑物的破坏甚至倒塌,所以在设计中应采取如下措施:1)尽量减弱短柱的楼层约束,如降低相连梁的高度、梁与柱采用铰接等;2)增加箍筋的配置,在短柱范围内箍筋的间距不应大于l00mm,柱的纵向钢筋间距≤150mm;3)采用良好的箍筋类型,如螺旋箍筋、复合螺旋箍筋、双螺旋箍筋等。
由于建筑的需要,有时需要框架梁外挑,且梁下设置钢筋混凝土柱。在柱的内力和配筋计算中,有些设计人员对其受力概念不清,误认为此柱为构造柱,并且其配筋为构造配筋,悬臂梁也未按计算配筋,这样有可能导致水平荷载作用下承载力不足,为事故的发生埋下隐患。实际上,在结构的整体计算中,此柱为偏心受压构件,柱与梁端交接处类似于框架梁、柱节点,应考虑悬臂梁梁端的协调变形。所以对于此柱应作为竖向构件参与结构的整体分析,并且柱与梁端交接处应按框架梁、柱的节点处理。
五、结语
随着我国建筑行业的发展,钢筋混凝土多层框架结构由于具有结构传力明确、结构灵活、整体性强、抗震能力强等诸多优点,因此被广泛的应用于现代建筑中。虽然,其结构形式看上去比较简单,但是设计时若考虑不周全、不仔细就会出现这样或者那样的错误,给建筑工程的建设造成不良的影响,有些错误甚至会给建筑结构的安全造成影响,因此我们在进行设计时,必须针对以上问题逐一进行落实,确保建筑结构设计质量。
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