简述框架结构设计中的几个关键问题及应对措施

简述框架结构设计中的几个关键问题及应对措施

摘要钢筋混凝土框架结构是一种由梁、柱组成的超静定结构体系,在地震、风荷载等作用下需设计成延性结构,以便能很好地吸收和耗散能量,保证结构具有足够的抵抗变形能力,确保结构安全。对框架结构设计中几个关键问题进行分析总结,并提出相应的应对措施。一旦处理不当,或计算过程中未加考虑,可能会导致结构不合理,甚至不安全。结构工程师在精于结构电算分析的同时,更应注意在设计过程中遇到的类似问题,使施工图的设计更完备,保证结构安全。

关键词框架结构;刚度;偏心;短柱;柱间梁铰接;沉重方案;配筋

钢筋混凝土框架结构作为一种常用的结构形式,具有传力明确、结构布置灵活、抗震性和整体性好的优点,目前已被广泛地应用于各类多层的工业与民用建筑中。近年来,随着计算机技术的不断发展,框架结构的计算也由手算转向电算,计算精度日益提高,设计人员的工作强度逐渐降低。但是,在框架结构的设计中,仍然存在着一些概念性和实际性的问题需要设计人员予以重视,以确保设计质量的提高。

1设计中一些关键问题的处理

1.1梁与柱的中心线宜重合

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高宽度的1/4时,可以采用增设梁的水平方向加腋等措施。

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,还会出现竖向裂缝。因此,当梁、柱偏心距大于该方向柱宽的1/4时,应采用梁加水平腋的措施,加腋的构造见《高层建筑规范》(以下简称2时为长柱。试验表明极短柱发生剪切斜拉破坏,属于脆性破坏,短柱多数发生剪切破坏,长柱一般发生弯曲破坏。

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,这种情况进行内力分析和结构设计安全是可以保证。

1.3双向梁柱抗侧力体系的布置

框架结构既要承受竖向荷载,又要承受水平荷载,因此必须设计成双向梁、柱抗侧力体系,并且应具有足够的侧向刚度,以满足规范规定的楼层层间最大位移与层高之比的限值。由于建筑平面和立面的需要,主体结构个别部位可采用铰接处理。

1.4不应采用部分砌体墙承重的混合形式

《高规》6.1.6中(强制性条文)规定,框架结构按抗震时,不应采用由砌体承重的混合形式。框架结构中的楼、电梯间及局部出屋顶的电梯机房、楼梯间和水箱间,应采用框架承重,不应采用砌体墙承重。若框架结构中采用砌体墙承重时,由于计算时不计人砌体墙的刚度,在地震作用时反应比仅按纯框架抗侧力刚度时大,砌体墙会在地震时首先遭受破坏,而框架结构又未按实际刚度确定内力和配筋,将会使结构构件被各个击破,这是十分危险的。

2应对措施

2.1梁、柱截面的确定

首先根据经验初步确定梁、柱的截面尺寸,此时应注意尽可能使柱的线刚度与梁的线刚度的比值大于1.0,满足强柱弱梁、强节点的要求,初步确定尺寸输入电脑经结构计算后,梁、柱会出现以下3种情况。

1)梁的超配筋显示或梁的裂缝宽度,0.3或梁的挠度值大于允许值。柱的轴压比超限或柱的超配筋显示。此时可放大梁、柱截面尺寸或提高混凝土的标号等级或提高钢筋的强度等级,再进一步试算。

2)部分梁、柱的构造配筋,此时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。

3)梁、柱的截面尺寸均满足要求,此时可进一步观察梁、柱的配筋率是否合适。

2.2框架梁柱的配筋

1)框架梁的配筋。对梁纵向钢筋的配筋率为0.5%～1.5%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握裹面积,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,但是只提高混凝土的强度等级对梁裂缝的影响就较小。

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,可将梁端负弯矩筋乘以系数0.85～1.0,梁中正弯距乘以1.1～1.3,梁端箍筋的直径可增加2mm。

2)框架柱的配筋。框架柱的配筋一般都较低,电算结果往往都是构造配筋,由于抗震上强柱弱梁的要求,也就是要适当增大柱的配筋而减小梁的配筋,可见,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,人为把梁设计成相对薄弱的环节,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,让他们都强,则可能会造成同时破坏,后果会更糟糕,损失会更大。所以,在电算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以

乘以1.2～1.6,柱箍筋的直径宜增加2mm,其中角柱大些,边柱次之,中柱可小一些,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。

由于多层框架电算时不考虑温度应力,基础不均匀沉降的问题,对适当放大框架柱的配筋的系数,要由设计人员的经验确定。

3结束语

钢筋混凝土框架结构是由楼板、粱、柱及基础4种承重构件组成的,由主梁、柱与基础构成平面框架,各平面框架再由连续梁连接起来而形成的空间结构体系。在合理的高度和层数的情况下,框架结构能够提供较大的建筑空间,其平面布置灵活,可适合多种工艺与使用功能的要求。但是,在框架结构的设计中,仍然存在着一些概念性和实际性的问题需要设计人员予以重视,以确保设计质量的提高。

参考文献

[1]中国建筑科学研究院等,建筑结构荷载(GB50009-2001).中国建筑工业出版社,2002.

[2]中国建筑科学研究院等,混凝土结构设计规范(GB50010-2002),中国建筑工业出版社,2002.

[3]李哲明.对框架柱配筋的意见[J].建筑结构,1995,34(3):309-313.

[4]丁大均.混凝土构件计算的理解沟通与统一[J].建筑结构,1996,23(3):239-242.

[5]曹万林,张建伟等.帚暗支撑双肢短肢剪力墙抗震性能实验研究[J].地震工程与工程振动,2006,26(1):64-70.