框架结构设计心得

李 慧 琛

(山西省建筑设计研究院，山西 太原 030013)

0 引言

在国家基础建设如此火热的今天，框架结构被应用于医院、学校、办公等重点项目中，虽然历次地震灾难给了我们很多深刻的教训，框架并不是一种抗震性能非常好的结构，但由于其布局灵活，结构简单，仍广泛应用。作为结构工程师，在框架结构的设计中应考虑以下几点，确保结构主体的安全。

框架结构是由梁、柱、板构件组成的空间结构体系，板主要承受竖向荷载，梁、柱主要承受竖向荷载、风荷载及地震作用。从重要性来说，框架柱的重要性要大于梁、板等构件。历次地震表明，框架柱安全决定了整个楼座的安全。

1 单跨结构

根据GB 50011—2010建筑抗震设计规范(2016年版)第6.1.5所述，甲、乙类建筑及高度大于24 m的丙类建筑，不应采用单跨框架结构；高度不大于24 m的丙类建筑不宜采用单跨框架结构。单跨框架结构有很大的安全隐患，发生地震时，一侧框架柱出现塑性铰，那另一侧的框架柱及相邻的框架柱很可能发生连续倒塌，主要原因是单跨结构体系无多道防线。如果一定要做单跨结构，可在四周做一些剪力墙，做成少墙框架，但少墙框架也有它的缺陷，剪力墙处刚度太大，吸收地震力也大，往往会使墙体超筋，而且很难调整，造成建造成本的大幅度增加。

2 框架梁、柱截面取值

框架梁、柱的截面尺寸的确定是根据结构竖向荷载大小，相邻柱的跨度，抗震设防烈度决定的。框架梁的高度初定可按跨度的1/8～1/12确定，最小高度不要小于400 mm。次梁的高度可按跨度的1/12～1/16确定，最小不要小于300 mm，当然根据跨度确定梁高是一种粗略的计算方法，梁具体的合适高度还是要满足挠度和裂缝的要求，同时满足刚度及剪压比的要求，必要时可以起拱，起拱高度应满足规范要求。由于建筑功能要求不能把梁做的过高时也可以做成宽扁梁，宽扁梁中心应与柱中心重合，并双向布置，框架梁上下钢筋应穿过框架柱1/3柱跨长度。宽扁梁抗震性能不是很好，且不得用于一级抗震等级的框架结构。框架柱的截面尺寸取值主要由结构位移和轴压比确定，如果配筋过大不满足施工要求时也要把柱截面做大。对于跨度较大的框架结构，框架梁一般都比较高，而框架柱相对比较小，形成一种强梁弱柱的结构形式，此时，框架柱由于刚度较小，地震时先于框架梁破坏。所以，无论计算结构是否通过，也要把框架柱做大，框架柱的短边高度一定要大于框架梁的高度。当然，地库结构可以不用这么考虑。框架柱截面尺寸宜变截面设计。这主要由结构整体刚度决定，变截面框架柱会使结构刚度相对均匀。

3 梁、柱节点核心区

框架柱节点核心区抗剪不足是框架结构经常遇到的问题，这是由于节点核心区承受很大的剪力，以至于发生脆性剪切破坏，破坏的结果是严重的，汶川地震中框架结构倒塌主要都是梁、柱节点破坏先于梁、柱破坏。所以，在抗震计算时，要求节点核心区要处于弹性状态，要足够结实，不能出现框架核心区先于框架梁、框架柱屈服。在此，有三种方法可以借鉴，一是提高框架柱核心区混凝土强度(可以整体提高框架柱混凝土强度)，提高核心区的混凝土抗剪强度。二是将与框架柱连接的框架梁做低、做宽，将框架柱核心区附加剪力减少。三是采用型钢混凝土框架柱，附加区域可为基础顶～框架核心区不满足计算高度，不用通高设置。当然，采用型钢混凝土框架柱会提高施工难度，也会使造价提高。

4 框架柱箍筋加密

框架柱箍筋通高加密的部位为楼层外围阳角处和楼梯间四角处，这几处为刚度较大区和薄弱区，外围阳角处框架柱建立结构模型时可以设置角柱，楼梯四角框架柱加密需要后期手工修改，并适当提高配筋率和配箍率。

5 楼梯要求

GB 50011—2010建筑抗震设计规范(2016版)中针对楼梯计算也有了新的要求。第一，宜采用钢筋混凝土楼梯。第二，宜采用滑动支座楼梯。做滑动支座楼梯主要的目的是让楼梯梯板与上下两层楼板分开，这样楼梯就不会参与地震作用。但要做成滑动楼梯有很多限制，首先梯板形式尽量做成AT型、BT型、CT型、DT型，楼梯挑出长度过长，配筋过大，也不好施工。其次单层楼梯宜做成两跑楼梯。如果不采用滑动支座，就要计入楼梯构件对地震作用及其效应的影响，梯板应输入模型计算，楼梯周围梁、柱会有配筋变化。

6 楼板要求

楼板作为承受竖向荷载的关键构件，其厚度取值非常关键。对于医院、学校等乙类建筑来说，楼板厚度可以取厚一点，单向板可取1/35～1/40,双向板可取1/30～1/35，楼板钢筋宜双层双向设置，这样可以比较从容的应对将来的功能修改。对于办公楼来说楼板厚度可以按构造手册取用，因为本身荷载取值也不大，功能变化也比较小。

7 计算模型

目前结构工程师一般会使用PKPM或YJK建立结构计算模型，两种软件在计算原理上基本相同。我们主要注意以下几点：

1)根据建筑实际定位去建立模型，过去由于软件的原因，我们建立模型的时候不是很仔细，往往结构模型和建筑图不一致，当然软件也不会算的很准确。如今随着结构软件的发展，计算趋于精细化，这就要求我们的结构模型要与实际结构完全一致，这样才能使结果更加精确。

2)关于框架结构周期折减到底怎么取。规范中明确指出，框架结构周期折减系数在0.6～0.7之间，折减这么多的原因主要在于框架结构中房间分割主要是砌块墙，砌块墙与主体结构刚性连接，砌块的刚度和强度对结构墙影响很大，而且分隔墙很多。砌块墙不仅容重高，而且施工不方便，目前有很多项目结构内隔墙已不采用砌块墙，但外隔墙由于保温要求依然使用。所以，大空间或者采用新型内隔墙板材的框架结构周期折减系数是可以酌情提高的，不过也不要高过0.85，留有足够的安全储备，设计计算时一定要与建筑核对清楚，避免返工。

3)框架结构的位移不得大于1/550，计算位移时，主次梁可不点铰，这样容易满足规范要求，而且在实际当中，混凝土结构主次梁不可能形成真正的铰接，所以按固结考虑是正确的。当遇到一些结构类型很不规则的建筑时，扭转很难避免，如果位移计算值很小，也可以不用考虑扭转效应。

8 结语

以上几点是结构工程师在设计中应该注意的问题，框架结构在满足计算的前提下简化结构方案，尽量避免复杂的异性结构出现，因此与建筑工程师提前沟通就非常重要了。