关于框架结构设计及注意的问题探讨

侯孝达 李谭

摘要：建筑框架结构设计是结构设计中较为基础的设计，也是建筑结构设计中较为重要的一种形式。本文主要就框架结构设8BA1中常见的几个问题进行了分析，并提出了相应的解决措施，仅供设计者在做框架结构设计时参考。

关键词：框架结构；结构设计；计算简图；解决措施

中图分类号：TU318 文献标识码：A

引言

框架结构作为常用的结构形式,具有结构布置灵活、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中。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。下面本人结合多年工作经验，就框架结构设计中常见问题及解决措施浅谈几点看法。

1 框架结构设计基本原则

1.1刚柔并济。合理的建筑结构体系应该是刚柔相济的。结构太刚则变形能力差，强大的破坏力瞬间袭来时，需要承受的力很大，容易造成局部受损最后全部毁坏；而太柔的结构虽然可以很好的消减外力，但容易造成变形过大而无法使用甚至全体倾覆。柔多一点虽然造价便宜但是必然产生变形以适应外力，太柔的结果必然是太大的变形，甚至会导致立足不稳而失去根本。

1.2多道防线。安全的结构体系是层层设防的，灾难来临，所有抵抗外力的结构都在通力合作，前仆后继。这时候，如果把“生存”的希望全部寄托在某个单一的构件上，是非常非常危险的。如土建结构中多肢墙比单片墙好，框架剪力墙比纯框架好等等，就是体现了多道防线的设计思路。

1.3抓大放小。在框架结构结构体系中具有“强柱弱梁”、“强剪弱弯”等的说法也是钢结构设计中非常重要的概念。绝对安全的结构是没有的。简单地说，虽然整个结构体系是由各种构件协调组成一体，但各个构件担任的角色不尽相同，按照其重要性也就有轻重之分。一旦不可意料的破坏力量突然袭来，各个构件协作抵抗的目的，就是为了保住最重要的构件免遭摧毁或者至少是最后才遭摧毁，这时候牺牲在所难免，让谁牺牲呢？明智之举是要让次要构件先去承担灾难。“宁为玉碎，不为瓦全”，如果平均用力，可能会“玉石俱粉”，损失则更大矣！

1.4 打通关节。理想的结构体系当然是浑然一体的—也就是没有任何关节的，这样的结构体系使任何外力都能迅速传递和消减。基于这个思路，设计者要做的就是要尽可能地把结构中各种各样的关节“打通”，使力量在关节处畅通无阻。打通关节保持平衡的目的其实就是使其永远处于原始的静态，当力量不能畅通时，构件与构件之间，构件的组成元素与元素之间的静态平衡一旦被破坏，结构变成机动，“动”即是死，即为终结。可见设计者是协调者，其任务是让所有互不相关的静态构件相聚之后依然处于静态（也就是使其保持常态），或者是处在相对的静态之中。

2 框架结构设计需注意的关键问题

2.1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时应采用梁水平腋的措施,加腋的构造见《高层建筑混凝土结构技术规程》(以下简称《高规》)6.1.7条,加腋后的粱在验算梁的剪压比和受弯承载力时,一般不计加腋部分截面的有利影响。水平加腋部分斜向设置的水平钢筋的直径不宜小于φ14,间距不小于200mm,附加箍筋直径不宜小于φ8@200。

2.2避免短柱的出现框。架的柱端一般同时存在着弯矩M和剪力V,长、短柱的确定是根据柱的剪跨比λ＝M/Vh0确定(ho与弯矩平行方向柱截面有效高度)λ≤1.5时为极短柱,1.5<λ≤2时为短柱,λ>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。

2.3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。

3 框架结构设计方法

3.1框架计算简图的确定

3.1.1无地下室的多层框架房屋

①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。根据《混凝土结构设计规范》GB50010-2010(以下简称《结构规范》)第6.2.20条规定: 一般多层房屋中梁柱为刚接的框架结构，各层柱的计算长度l0可按表6.2.20-2 取用。

表 6.2.20-2 框架结构各层柱的计算长度

楼盖类型 柱的类别 l0

现浇楼盖 底层柱 1.0 H

其余各层柱 1.25 H

装配式楼盖 底层柱 1.25 H

其余各层柱 1.5 H

注：表中 H 为底层柱从基础顶面到一层楼盖顶面的高度；对其余各层柱为上下两层楼。

在实际设计中，现浇楼盖我们一般取1.0H:装配式框架取1.25H。

②基础埋深较大时为了增加房屋底部的整体性，减小位移有时在±0.000标高附近设置基础连系梁。将基础连系梁以下的部分看作底层，往的H值取基础顶面至连系梁顶面的高度，而把实际建筑的底层作为第二层考虑，层高H取连系梁顶层至一层楼面高度。

3.1.2 带地下室的多层框架房屋

对于带地下室的多层框架结构，合理确定上部结构的嵌固位置是一个关键问题。《结构规范》和《建筑抗震设计规范》GB50011-2010(以下简称《抗震规范》)，都没有明确地提出具体位置，需要具体问题具体分析。对于能够满足《抗震规范》第6.1.14条（1、顶板应避免开设大洞口；地下室在地上结构相关范围的顶板应采用现浇梁板结构，相关范围以外的地下室顶板宜采用现浇梁板结构；其楼板厚度不宜小于180mm，混凝土强度等级不宜小于C30，应采用双层双向配筋，且每层每个方向的配筋率不宜小于0.25%。2、结构地上一层的侧向刚度，不宜大于相关范围地下一层侧向刚度的0.5倍；地下室周边宜有与其顶板相连的抗震墙。3、地下室顶极对应于地上框架柱的梁柱节点除应满足抗震计算要求外，尚应符合下列规定之一：1)地下一层柱截面每侧纵向钢筋不应小于地上一层柱对应纵向钢筋的1.1倍，且地下一层柱上端和节点左右梁端实配的抗震受弯承载力之和应大于地上一层柱下端实配的抗震受弯承载力的1.3倍。2)地下一层梁刚度较大时，柱截面每侧的纵向钢筋面积应大于地上一层对应柱每侧纵向钢筋面积的1.1倍；同时梁端顶面和底面的纵向钢筋面积均应比计算增大10%以上；4 地下一层抗震墙墙肢端部边缘构件纵向钢筋的截面面积，不应少于地上一层对应墙肢端部边缘构件纵向钢筋的截面面积。）规定的，可将地下室顶板作为框架上部结构的嵌固部位，在利用PKPM软件进行设计时，楼层总数仅输入地下室以上的实际层数，底层的层高H取实际层高。这样计算出的地震作用与实际情况较为接近。对于不能满足《抗震规范》第6.1.14条规定的，嵌固位置最好取在基础顶面。此时，利用电算进行楼层组合时，总层数应为实际的楼层数加上地下室的层数。

3.2 基础宽度和面积的计算

在计算基础宽度或面积时，往往由于力学模型不明确或考虑问题不周详，导致基础宽度或面积不足。如墙体上作用有较大集中力的情况，当墙体上有较大的集中力作用时，通过墙体和基础可将集中力向地基扩散，但这种扩散是有一定范围的，且基底土反力并不均匀分布。若设计时用该集中力除以墙段长度得到的平均线荷来确定基础宽度，则导致局部基础宽度不足。因此，必须加大基础宽度以满足地基承载力的要求。通常采用局部调整系数调整基础宽度的方法解决此类问题。目前常用的框架结构空间分析计算软件都是以整幢楼的梁、柱整体参加工作进行计算分析的，对部分梁而言，尽管相交梁截面尺寸不同，相互之间却不存在主、次梁关系，设计人员在绘制施工图时，应注意配筋形式与受力分析相匹配。框架结构经空间分析程序电算，所有按主梁输人模型的梁是整体工作的，部分梁将产生扭转问题。一些三维空间分析软件，虽已调整梁的抗扭刚度，但计算出来框架边梁扭矩筋仍很大，因程序不计楼板对梁的约束作用(即实际扭矩设计算值那么大)，实际受力与计算模型不符。可把次梁支座改为铰支座，并配以构造处理。

3.3钢筋混凝土保护层厚度的取值

混凝土保护层的作用是保护钢筋不发生锈蚀，并保证钢筋的粘结锚固性能，直接影响构件的耐久性和钢筋的受力性能，但由于设计人员的不重视，常会出现问题:

①梁或柱中，只注意到主筋的保护层厚度，而忽略了箍筋的保护层厚度，造成箍筋外露或保护层厚度不足；

②主梁与次梁交叉处、主梁、次梁和板的钢筋关系处理不明确，造成板负筋保护层厚度不足或构件有效截面高度损失，直接影响到构件的安全性；

③地上部分与地下部分的柱子因所处的环境条件不同，根据规范要求，应采取不同的保护层厚度。因此，设计时应注意两个方面：一是正确处理构件内各类钢筋的相互关系，按钢筋的正确位置确定构件内钢筋的保护层厚度及构件有效截面高度，并进行构件的截面设计。首先根据规范要求确定梁柱内箍筋的保护层厚度，即确定箍筋的正确位置，主筋的保护层厚度可采用a+d(a为箍筋保护层最小厚度，d:为箍筋直径)，并大于规范规定的最小厚度，以此确定主筋的正确位置；根据各种钢筋的正确位置，确定相关构件的有效截面高度并进行配筋计算，在施工图中标出相关构件中钢筋的位置。二是正确区分同一构件所处的环境条件，区别对待不同环境下的混凝土保护层厚度。地下部分的柱子可将其断面加大，满足其保护层厚度的要求，同时保证柱子钢筋上下位置的一致性，满足钢筋受力要求。

4 结束语

总之，以上提出的都是框架结构设计中出现的易疏忽的问题。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，更应注意到以上所提到的在设计过程中碰到的类似问题，使施工图的设计更完善，保证结构的安全。