多层框架结构设计应注意的问题及措施

裘孝平+裘国强

摘 要：多层框架结构房屋的结构设计历来都是建筑设计中比较重要的环节，特别是房屋的抗震设计在汶川大地震之后更是得到前所未有的重视。主要从多层框架结构抗震设计原则，结构体系的安全性，多层框架结构的构造措施，关于“强柱弱梁”节点的设计，加强短柱的构造措施等方面总结归纳了国内外的研究现状与成果。

关键词：结构设计； 抗震设计； 构造措施；强柱弱梁

2008年5月12日，我国四川省汶川县发生8.0 级特大地震，震中烈度11 度，当地建筑遭受严重破坏并造成巨大的人员伤亡和财产损失。震后，大量的科研工作者及一线设计人员多次深入地震灾区，开展震害调查及震后修复工作。并结合地震灾害情况，对我国现行的建筑抗震设计规范进行了完善，为日后的工程设计提供更可靠的安全保障。

多层框架结构在结构设计应该充分考虑房屋施工区的地质条件，特别是地震比较频繁的地区，更应该注重对建设工程施工项目的抗震防范烈度及场地类别加以合理填报与控制。在设计多层框架的抗震能力时，应该设计成“强柱弱梁”的节点形式，“强柱弱梁”就是梁端截面的屈服弯矩要小于柱端截面的屈服弯矩，使塑性铰尽可能地在梁端部出现。框架结构在不同的位置和顺序出现塑性铰时，会产生不同的破坏形式。如果塑性铰在一个强柱弱梁型的结构中， 它会先出现在梁端， 当塑性铰出现在全部梁端或者部分梁端的时候， 框架结构对于外荷载仍能够承受，而在塑性铰出现在柱子底部的时候，才能破坏框架结构。

1.多层框架结构设计原则

1.1 抗震验算时不同的楼盖及布置决定了采用刚性、刚柔、柔性理论计算

抗震验算时应特别注意场地土类别。8度超过5层有条件时，尽量加剪力墙，可大大改善结构的抗震性能。框架结构应设计成双向梁柱刚接体系，但也允许部分的框架梁搭在另一框架梁上。应加强垂直地震作用的设计，从震害分析，规范给出的垂直地震作用明显不足。

1.2 刚柔并济设计理念

合理的建筑结构体系应该是刚柔相济的。结构太柔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；结构太刚则变形能力差，承受的力很大时，容易造成局部受损最后全部毁坏。结构是刚一点好，还是柔一点好，这问题历来都是结构专家们争论的焦点，现今的规范给出的也只是一些控制的指标，但无法提供精确答案。

1.3 安全的结构体系

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，集体对抗。这时候，如果把建筑结构安全的希望全部寄托在某个单一的构件上，是非常危险的。如土建结构中框架剪力墙比纯框架好，多肢墙比单片墙好等等，就是体现了多道防线的设计思路]。从汶川地震时房屋遭受的震害看，严格按抗震规范设计的钢筋混凝土建筑结构（7度设防）经受了强震考验，表现了较好的抗震性能。叶列平]等分析了结构抗倒塌能力的因素和评价指标，并提出提高结构整体承载力储备和变形能力，增加結构的冗余度和整体性等措施能显著提高结构的抗倒塌能力。

2.多层框架结构设计应注意的问题及措施

2.1 基础设计中的基础连梁、地下框架梁和基础梁

在多层框架结构设计中， 很多设计新手很容易混淆这三个概念。也有人把所有的地下梁统称为基础梁。在框架独立柱下基础设计时，在基础顶面附近或接近于±0.000 的位置设置双向的地下梁。设置此梁的目的一是为了提高基础整体性，调节上部结构的不均匀沉降，其二是用来承担框架底层的墙体。我们把它称为基础连梁，当基础埋置深度不是很大时，基础拉梁顶标高一般所用与基础顶齐平，基础拉梁的钢筋分别锚固于基础之内，计算模型是支承在基础上简支梁，而不是连续梁。

为了使基础拉梁的实际受力符合计算模型，结构说明中常要求基础梁底架空（如要求先素土夯实，再铺炉渣300mm厚，梁底留100mm高空隙）；当基础埋置深度较大时，基础拉梁的顶面标高一般位于地坪下500mm， 这样做的好处就是计算模型简单，可以把它当作一层框架由软件完成计算工作，还可以节省基础拉梁上的墙体]。此时的基础拉梁在实际概念上应属于地下框架梁，其截面尺寸及配筋要求应同于楼面框架梁。而我们常称的基础梁，从结构分析角度来说，是起基础作用的，即承受地基反力的梁。如筏板基础中的基础梁，基础梁和基础底板共同承受地基反力，其计算模型我们则采用“倒梁楼盖法”， 基础梁的受力筋设置位置和楼面框架梁刚好相反。

2.2 关于强柱弱梁节点

经过对震害的分析发现，在框架结构的破坏形式中，节点的破坏是非常严重的，而且很多倒塌房屋都出现“强梁弱柱”现象。结构中的节点受力复杂，容易发生破坏。节点的可靠与否是关系梁、柱能否可靠工作的前提，必须做到强节点、强锚固。框架梁柱节点处的箍筋是防止节点破坏的一道防线。强柱弱梁措施的强弱，也就是相对于梁端截面实际抗弯能力而言柱端截面抗弯能力增强幅度的大小，是决定由强震引起柱端截面屈服后塑性转动能否不超过其塑性转动能力，而且不致形成“层侧移机构”，从而使柱不被压溃的关键控制措施]。柱强于梁的幅度大小取决于梁端纵筋不可避免的构造超配程度的大小，以及结构在梁、柱端塑性铰逐步形成过程中的塑性内力重分布和动力特征的相应变化。梁端纵向受拉钢筋的配筋不得过高，以免在罕遇地震中进入屈服阶段不能形成塑性铰或塑性铰转移到立柱上。注意节点构造，让塑性铰向梁跨内移。

2.3 强剪弱弯剪力墙设计

为了提高抗震墙的变形能力，避免发生剪切破坏，对于一道截面较长的抗震墙，应该利用洞口设置弱连梁，使墙体分为小开口墙、多肢墙或单肢墙，并使每个墙段的高宽比不小于2。所谓弱连梁，是指在地震作用下各层连梁的总约束弯矩不大于该墙段总地震弯矩的20%；连梁不能太强，以免水平地震作用下某个墙肢出现全截面受拉， 这是比较危险的。但是，考虑到耗能，连梁又不能太弱，连梁弱到成为一般小梁时，墙肢就变成单肢墙，而单肢墙的延性很差，仅为多肢墙的一半，且单肢墙仅具有一道抗震防线，超静定次数少，在地震作用下是很不利的。目前，有许多设计人员将结构中门洞连梁、窗洞连梁都改为截面高度极小的二力杆件，这对结构抗震是很不好的。在实际设计中，对连梁的刚度都要进行折减，这是因为剪力墙的刚度一般都很大，在水平力作用下，剪力墙中的连梁会因为很大的内力而超过截面允许值，可靠的办法是让这些连梁先屈服，要使连梁能形成塑性铰而不发生脆性破坏，连梁首先就必须满足强剪弱弯的要求，对连梁的刚度进行折减实际上就是降低其抗弯能力。endprint

强剪弱弯是保证构件延性， 防止脆性破坏的重要原则，它要求人为加大各承重构件相对于其抗弯能力的抗剪承载力，使这些部位在结构经历罕遇地震的过程中以足够的保证率不出现脆性剪切失效。对于多层钢筋混凝土框架结构中的多层钢筋混凝土框架结构梁应注意抗剪验算和构造，使其满足相关规范要求。

2.4 注意构造措施

对于大跨度柱网的框架结构，在楼梯间处的框架柱由于楼梯平台梁与其相连，使得楼梯间处的柱可能成为短柱，应对柱箍筋全长加密。这一点，在设计中容易被忽视，应引起重视。对框架结构外立面为带形窗时，因设置连续的窗过梁，使外框架柱可能成为短柱，应注意加强构造措施。对于框架结构长度略超过规范限值，建筑功能需要不允许留缝时，为减少有害裂缝（规范规定裂缝宽度小于0.3mm），建议采用补偿混凝土浇筑。采用细而密的双向配筋，构造间距宜小于150mm，对屋面宜设置后浇带，后浇带处按构造措施宜适当加强。

2.5 加强短柱的构造措施

在工程施工过程中顶棚可能要吊顶或其它装修，甲方为了节约开支。往往要求柱间填充墙不到顶或者是在墙上任意开门窗洞，这样往往会造成短柱，由于短柱刚度大，吸收地震作用使其受剪，当混凝土抗剪强度不足时，则产生交叉裂缝及脆性错断，从而引起建筑物或构筑物的破坏甚至倒塌，所以在设计中应采取如下措施：尽量减弱短柱的楼层约束，如降低相连梁的高度、梁与柱采用铰接等；增加箍筋的配置，在短柱范围内箍筋的间距不应大于l00mm，柱的纵向钢筋间距≤150mm；采用良好的箍筋类型，如螺旋箍筋、复合螺旋箍筋、双螺旋箍筋等。

3.结束语

虽然多层框架结构比较简单，但是它的设计确实比较复杂的。对于地震频发地区就更加了，对结构的抗震有更大的要求，这其中存在着很多我们目前还没有解决的问题。我们现阶段的首要任务是尽可能熟练地了解和掌握规范，并且能够具有良好的结构概念，为我们以后在不断的研究和实践中，设计出具有完善的抗震性和经济适用的建筑奠定坚实基础。

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【文章编号】1006-2688（2017）10-0065-02endprint