高烈度区多层框架结构的经济性设计

刘悦

摘要： 通过参与建筑方案设计、合理布置结构竖向及平面刚度、取合理的软件计算参数取值等措施，能有效的提高高烈度区此类框架结构的经济指标20%～40%。

关键字：高烈度 框架 自振周期折减 强柱弱梁 刚域

框架结构适用于体型较规整、刚度较均匀的建筑物，但在高烈度区由于其抗侧刚度较低，往往楼层高度较高的多层结构，其经济性极差。由我院承接一多层厂房项目在宿迁地区，设防烈度为8度（0.3g），由于厂房后期用于出租，且最终使用的厂家未定，建设方要求厂房布置必须规整，建筑空间及尺度要大，柱网间距8.4mx8.4m；后期改变布置必须灵活，改造余地要大。并且提出经济性指标要求。厂房普遍为4～5层，高度为底层4.8m，二层以上均为4.3m，见附下图为其中一个单体平面。对高烈度此类建筑，如何在安全的前提下实现建筑功能性和经济性指标，我们进行了相应的经济性研究，以下供讨论。

首先方案的选择上，由于受建筑功能要求限制，投资方及建筑师均不能接受框架剪力墙方案。对于高烈度区，由于框架结构的抗侧刚度小，太高的话经济性很难控制。方案阶段考虑采用方案一普通框架结构；方案二减震方案即采用约束屈曲支撑方案。经过经济性比较，约束屈曲支撑方案由于支撑的价格较高，并且需要设置的位置较多，局部位置仍会影响建筑使用，不适合用于本项目。焦点就回到了如何对一个普通框架结构合理地进行经济性设计。

1 对于高烈度区由于层高对结构影响很大，方案阶段应尽量说服业主降低层高，满足使用要求的层高即可。由于结构重量对地震力影响较大，尽量减轻结构自重，采用轻质的隔墙。

2 用SATWE软件建模进行试算。从计算结果可见对于高烈度地区，起控制作用的主要是层间位移角限值1/550。有部分年轻工程师，往往会习惯性先将柱断面各层取同样的尺寸，发现指标不满足时，又将各层的柱统一加大。由于整体刚度过大，反而造成结构自振周期过于靠近场地特征周期，反而增大了地震影响系数，造成结构地震力增大过多，层间位移角不易满足。以下表为以上单体同一条件的两个模型试算，模型一柱断面各层大小相同，均取950x950；模型二各层柱断面渐变，1～2层为950x950，3层850x850，4层650x650，5层500x500。由下表可见结构总体信息指标及配筋同一断面模型结果均不理想：

对边柱影响更大，个别柱配筋差异到了30%以上，可见对高烈度区多层框架结构梁柱断面应逐层根据受力情况调整，能有效的减少地震力，提高经济性能。

3 由于最大位移发生区域在平面的角部，可加强两端的结构梁柱刚度。尤其对于较长的矩形平面结构，加强边端一到俩跨的梁柱断面可以有效的提高结构的位移角和位移比性能。而且对角柱和与角柱相连的两向的边框梁增大截面，一般也不会影响建筑的功能和使用。

4 由于目前国内结构设计基本采用SATWE进行设计，对其中一些参数的取值进行思考可以有效的提高结构的经济性。

1） 根据《高层建筑混凝土结构技术规程》验算最大弹性位移角限值是不计入偶然偏心的。仅在验算位移比的限值时应考虑偶然偏心的影响。对于双向地震和偶然偏心不需要同时组合。

2） 《高层建筑混凝土结构技术规程》中框架结构在非承重墙体为砌体墙情况下，应对建筑的计算自振周期进行折减。规范建议框架结构可取0.6～0.7，并表明对采用其他非承重墙体时，可根据工程情况确定该系数。多层建筑参考高规，并考虑本工程实际填充墙情况。本工程除外围有围护墙外，厂房内部基本没有隔墙。且围护墙基本采用砌在砼柱的外侧，不会对砼柱形成过大的约束。且墙体均采用轻质的ALC砌体。填充墙对主体结构周期的折减，实际上就是考虑填充墙刚度对主体结构刚度的影响程度，考虑本工程以上因素，周期折减系数可以取到0.8。

3） 对于强柱弱梁的思考。根据汶川地震的经验，目前的框架结构的设计并不能完全做到真正意义上的强柱弱梁。 原因在于 ①软件默认计算时，梁端负弯矩内力计算位于梁柱交点处，实际上应考虑柱截面对构件计算内力的影响；②梁端正弯矩实际配筋过大；③现浇楼板对框架梁实际抗弯承载力有利，加剧了强柱弱梁；④梁端实配钢筋个别工程师配置比计算值更大，加剧了强柱弱梁 。考虑以上情况，为实现强柱弱梁，对本工程，考虑梁柱刚域的作用；并且实际配筋中框梁配筋不人为放大配筋，同时也实现了经济性。

通过参与建筑方案设计、合理布置结构竖向及平面刚度、取合理的软件计算参数取值等措施，能有效的提高高烈度区此类框架结构的经济指标20%～40%。说明对于结构工程师而言，即使是一个简单的结构，如果深入研究分析，同样能在确保安全的情况下，减少工程造价，创造出社会效益，做到绿色环保。

参考文献：

[1] 朱炳寅《高层建筑混凝土结构技术规程应用与分析》2013版

[2] 朱炳寅《建筑结构设计问答及分析》2009版

[3] 《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010

[4] 《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010