框架结构设计若干问题探讨

2010-12-31吴晓祥

中国新技术新产品 2010年5期

吴晓祥

（合肥铁路勘察设计院有限责任公司，安徽合肥 230001）

1 基础设计应注意的问题

1.1 基础的选择问题

在满足承载力和变形的基本要求下，尽量采用比较经济的天然地基上的浅基础。地基持力层的选择应从地基基础和上部结构的整体性出发，综合考虑场地土层的分布情况及稳定性，土层的物理力学性质，建筑物的体型、结构类型和荷载性质与大小，还要考虑地下水的影响，山区建筑还要考虑土坡度情况。

若土质条件比较好，多层房屋一般采用条形基础或独立基础。一般先由地基承载力和变形确定基础底面尺寸，然后再进行基础截面设计验算。基础高度由混凝土抗冲切和剪切条件确定，基础配筋则由基础验算截面的抗弯能力确定。除满足计算要求以外，还要满足一些规范规定的构造要求。要注意的是，在确定基础底面尺寸或计算基础沉降时，应考虑设计地面以下基础及其上覆土重力的作用；而在进行基础截面设计中，应采用不计上覆土重力作用时的地基净反力进行计算。

若土质条件不好，对于柱网和使用荷载都比较大的多层房屋(如工业厂房)，可以采用预应力管桩基础、人工挖孔灌注桩基础、机械钻孔扩底灌注桩等。桩端持力层应选择较硬土层或岩层。

1.2 独立基础设计的荷载取值问题

钢筋混凝土多层框架房屋的基础形式多采用的是柱下独立基础。在基础设计中，合理地选取荷载设计值，是基础结构设计的重要环节。实际工作中，常会出现2种情况：（1）依据GB50011-2001《建筑抗震设计规范》第4.2.1条指出的“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”的要求，忽略风荷载的影响；（2）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、弯矩设计值而无剪力设计值，甚或只取轴力设计值。工程设计实践证明，这2种情况的设计结果都会导致基础尺寸偏小、配筋偏少。如果在涉及混凝土多层框架房屋的整体计算分析中输入风荷载，让轴力设计值、弯矩设计值和剪力设计值共同作用于柱脚，基础本身及其上部结构的安全就更为可靠。

1.3 基础拉梁设计方案的确定

多层框架房屋基础拉梁的设计方案应视具体情况而定。一般来说，当基础埋深值大时，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，并规范规定设置箍筋加密区。当独立基础埋置不深或者埋置虽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2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l/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。若为构造配筋，除满足最小配筋率外，也不得小于上下各2φ14，配筋不得小于φ8@200；若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。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，负弯矩钢筋至少应在1/2 跨拉通，拉通正负弯矩钢筋在框架柱内的锚固、拉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。

2 框架结构计算若干参数的选取

2.1 结构周期折减系数

框架结构及框架一抗震墙等结构，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，都是不妥当的。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，计算周期才可能不折减。

2.2 框架梁、柱箍筋间距

《建筑抗震设计规范》第6.3.3条及第6.3.8条对不抗震等级的框架梁、柱箍筋加密区的最小箍筋直径和最大箍筋间距做了明确规定。根据这些规定，设计时习惯上常取梁、柱箍筋加密区最大间距为100mm，非加密区箍筋最大问距为200mm。电算程序总信息中通常也内定粱、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，设计人员可根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双肢箍筋时，多数情况下，非加密区箍筋间距采用200mm。会使梁的非加密区配筋不足。因此，建议程序内定粱箍筋改为取梁的非加密区间距200mm。这样，既可保证梁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，粱的强剪性能更能充分体现。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问距为100mm时，在某些情况下，也可能因非加密区箍筋间距采用200mm 引起配筋不足。因此，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。这里需要指出的是，粱、柱箍筋非加密区配筋验算时，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。

2.3 梁扭矩的折减

现浇框架结构中，如果粱两边没有楼板或有弧形梁时，扭矩折减系数应为1.0；如果梁两侧均有楼板，应对梁的扭矩进行折减，折减系数一般为0.4。对于一般工程，梁的配筋应计算两次：一次对所有梁的扭矩折减，计算出两侧都有楼板的梁的配筋；另一次对所有的梁扭矩不折减。计算出一侧有楼板或两侧都没有楼板的梁的配筋。这样计算结构比较符合实际，这一点应引起设计人员的重视。

2.4 梁端负弯矩调整系数与梁弯矩放大系数

结构计算时，框架梁在竖向荷载作用下，梁端负弯矩往往很大，造成钢筋太密，无法施工；同时，由于框架结构一般为超静定结构，框架梁在达到承载能力极限状态之前，总会产生不同程度的塑性内力重分布。因此可以适当降低框架梁在竖向荷载作用下的负弯矩，通过平衡条件相应增大梁跨中弯矩。应注意这里只是降低梁在竖向荷载作用下的负弯矩，然后再与水平作用产生的弯矩组合设计。而梁弯矩放大系数仅在没有考虑梁的活荷载不利布置时起作用，并且对梁的正负弯矩均起作用，且不可与考虑梁的活荷载不利布置同时考虑，这样会引起梁弯矩增大，造成材料浪费。