单跨混凝土框架结构设计要点

代崇阳 王俊峰 李方

中国核电工程有限公司郑州分公司（450052）

单跨混凝土框架结构设计要点

代崇阳 王俊峰 李方

中国核电工程有限公司郑州分公司（450052）

根据规范总结了单跨混凝土框架的判定原则，建议优先采用变通的形式。讨论了必须采用单跨框架时加强措施的设置原则，柱网布置原则，楼、屋盖布置原则，梁柱截面尺寸确定原则，梁、柱配筋注意事项，正常用极限状态不满足时的处理方法等，可供工程设计人员参考。

单跨框架；冗余度；内柱；加强措施

1 单跨框架结构的判定

《建筑抗震设计规范》6.1.5条规定，甲、乙类建筑以及高度大于24m的丙类建筑，不应采用单跨框架结构；高度不大于24m的丙类建筑不宜采用单跨框结构[1]。《高层建筑混凝土技术规程》第6.1.2条规定，抗震设计的框架结构不应采用单跨框架结构，第8.1.34条第1、2款规定的框架剪力墙结构可局部采用单跨框架结构；其他情况应根据具体情况进行分析、判断[2]。《建筑抗震设计规范应用与分析》提供了单跨框架结构的判定标准。首先应区分单跨框架和单跨框架结构，有单跨框架不一定就是单跨框架结构。只有在框架结构中，某个主轴方向均为单跨框架，或两个多跨框架之间的最大距离超过表1时，才可认定为单跨框架结构[3]（注意:不包括框架-抗震墙结构中的单跨框架）。

总之，单跨框架由于缺少必要的冗余度，地震破坏严重，实际工程中应尽量避免采用。故有必要关注单跨混凝土框架结构设计要点,有条件使用,以趋利避害。

表1 多跨框架之间的最大间距（单位m，取最小值）

2 优先采用变通的结构形式

当一栋建筑物完全不允许设置内柱而必须设计成单跨结构时，应采用变通的结构形式。单层结构优先考虑采用轻型屋面的排架结构或门式刚架。排架横向可采用混凝土柱-钢梁体系或者混凝土柱-钢屋架体系。排架纵向和门式刚架纵向均可采用柱间支撑体系或者框架体系。轻型屋面配合钢梁或钢屋架，可减小集中在屋盖处的重量，对抗震有利。单层结构布置有内隔墙的，可通过调整房间布置。在山墙和内隔墙中增设内柱。多层结构布置有内隔墙的，尽量调整房间布置。当某榀（包括端榀）横向框架平面内各层均布置填充墙时，各层均增设内柱。当某榀横向框架平面内下层设置填充墙、上层无填充墙时，下层增设内柱。多层单跨框架结构还应将楼梯间布置在建筑物中部，结合楼梯平台增设框架内柱。总之，尽可能增设内柱使多跨框架之间的间距满足表1的要求，控制单跨框架的数量不超过框架总榀数的30%，可按普通框架结构设计。

当结构形式无法变通而必须采用单跨框架结构时，应考虑采取加强措施。

3 加强措施

常用的单跨框架结构加强措施主要有3种:设置支撑、框架柱设置翼墙、增设钢筋混凝土剪力墙成为框剪结构。应根据单跨框架结构内部空间所允许增设加强措施的位置,选择合理的加强措施。加强措施通常位于楼梯间周边、建筑物端部以及建筑物中部允许的位置。需要特别说明的是:增设剪力墙时，避免布置短肢墙；增设翼墙时，柱一侧的翼墙长度不应小于3倍翼墙厚度;纵向也采取加强措施时，一般不设置在端开间内,避免引起较大的温度应力。

采取加强措施要将结构加强到何种程度，目前规范中尚无明确的规定。从概念上来理解，加强措施所承担地震倾覆力矩的比例可参考《高层建筑混凝土技术规程》第8.1.3条。笔者认为，承担倾覆力矩的比例大于50%已足够，此加强措施为结构的第一道抗震防线,框架为第二道抗震防线，且两者都具有必要的承载能力。单跨框架中允许设置的加强措施位置不是很灵活,继续提高其比例，可能会影响使用。采取加强措施后，结构的层间位移角、框架的轴压比限值均可按框架剪力墙结构中的框架来确定。加强措施的具设计，可参考相关资料。

4 柱网布置

当只能采用单跨框架结构并采取加强措施时，应首先关注其柱网布置。纵横向尽量采用符合模数规整柱网，纵向跨度不宜变化过大。应特别注意，《高层建筑混凝土结构设计规程》第3.4.3条要求平面不宜太过狭长在此也是适用的。平面狭长目前尚无明确的规定，有学者认为长宽即为平面狭长[4]，其中L、B分别为建筑物长度、建筑物宽度。若超过3太多，不易满足刚性楼板假定,导致地震时结构两端振动不同步。即使此时尚小于钢筋混凝土结构伸缩缝的最大间距，也宜设置防震缝将结构分成两个计算单元,或采取措施加强端部的刚度，直至两端振动不同步得到抑制。

5 楼、屋盖布置

单跨框架楼、屋盖布置应尽量减轻结构重量,以减小地震作用，节省材料。

单跨框架横向跨度小于纵向跨度时，次梁的布置方向沿横向或纵向均有可能，需根据具体工程的需要确定。

单跨框架横向跨度大于纵向跨度时，宜将结构比拟成排架结构来进行楼盖布置。横向框架梁相当于屋架,一级次梁相当于应沿纵向布置的连续檩条，必要时可布置截面更小的二级次梁。这种楼盖布置方式较规整而轻巧，竖向荷载主要由承载力较高的横向框架承担。

需要特别说明的是，《高层建筑混凝土结构设计规程应用与分析》中所主张的主梁沿短跨布置、次梁沿长跨布置的原则，在横向跨度大于纵向跨度的单跨框架中是不适用的[4]。可按如下思路来理解：若一级次梁沿横向布置，作为简支梁，其截面高度至少应与横向框架梁相等。纵向小跨度的框架梁需为一级次梁提供弹性支座,有类似托梁的作用，截面高度还要再大些。为使梁内纵筋能够顺利配置，纵、横向框架梁和一级次梁的宽度均不能太小。这种布置方式会使整个楼盖显得笨重，对抗震不利。

6 梁、柱截面尺寸的确定

7 控制配筋

抗震设计的框架计算结果按《建筑抗震设计规范》第6.2.2～6.2.5条进行调整后，按6.3.3、6.3.4条进行梁钢筋配置，按6.3.7～6.3.10条进行柱钢筋配置，可使结构在强震下具有较好的延性，消耗更多的地震能量。需要说明的是，根据6.2.2～6.2.5条进行调整时，横向单跨框架梁配筋宜将梁翼缘范围内板的纵筋和为控制梁裂缝宽度而增加的配筋都考虑进来。梁实配钢筋比调整后的计算配筋不应富裕太多，以免引起塑性铰转移。

8 正常使用极限状验算

梁挠度不满足要求时，可考虑施工阶段的起拱。若用条件允许《混凝土结构设计规范》规定，验算挠度时可将计算挠度减去预先起拱值，预先起拱值通常取恒载作用下的挠度[5]。

验算裂缝宽度不满足要求时，可考虑加大截面高度或者增加梁的配筋来解决，优先考虑加大截面高度；若通过增加梁配筋来解决，则柱钢筋也需增加且增加的比例要更大。

9 结语

单跨混凝土框架结构冗余度少，在设计中应尽量避免采用。遇到单跨结构设计时，首先应尽量采用变通的结构形式，或最大限度增设内柱使其可按普通框架结构设计。必须采用单跨框架结构时，应采取合理的加强措施使结构具有多道抗震防线。单跨框架结构应采用合理的次梁布置方式，最大限度地减轻楼、屋盖重量，以减少地震作用。单跨框架结构应选择合适的梁柱截面，合理配置钢筋并严格控制梁的配筋量，以提高结构的延性。

[1]GB 5011-2010,建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[2]JGJ 3-2010,高层建筑混凝土结构设计规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.

[3]朱炳寅.建筑抗震设计规范应用与分析GB 50011-201 [M].北京:中国建筑工业出版社,2011.

[4]朱炳寅.高层建筑混凝土结构设计规程应用与分析JGJ 3-2010[M].北京:中国建筑工业出版社,2013.

[5]GB 50010-2010,混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.