多层钢筋混凝土框架结构设计

杨潇

(甘肃省工程设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730030)

建筑行业与我国经济发展之间存在密切联系，为了满足人们的物质需求，在关注技术创新的同时，也要注重迎合人们的居住环境和品位需求，而多层建筑可以更好的满足当前人们物质生活需要，因此设计中应该引入更多新理念，合理化应用钢筋混凝土框架结构来高质量呈现。钢筋混凝土框架结构可以充分契合多层结构要求，其中包括梁、柱、楼板和基础几种承重构件，构成相应的平面框架，将多个平面框架连接起来构建完整的空间结构体系。多层钢筋混凝土框架结构设计看似简单，但实际上细节较为复杂，如果概念把握不到位，后期工程施工中所诱发的后果是十分严重的，可能会延缓施工进度，甚至威胁到施工安全。鉴于此，应积极推动多层钢筋混凝土框架结构设计优化，充分结合当前时代下的主流建筑类型，推动设计理念和方式优化改良，提升设计水平，以期建造符合社会发展需要的建筑工程项目。

1 钢筋混凝土框架设计概述

钢筋混凝土框架结构传力路径应尽可能简单，在受到荷载作用时，如果传力路径较短，相应的耗费建材量也会减少，工作效能反向提升。无论是公共建筑还是民用建筑，柱网布设一般依据建筑开间、跨度等布置，然后在功能允许的条件下合理优化结构布置，在提升结构刚度同时，还可以实现连续梁受力均衡，减少结构弯矩，增强结构稳定性。

2 抗侧力构件和结构体系分析

框架柱作为抗侧力构件时，截面大小和布置位置直接影响到建筑结构抗震性和稳定性，抗侧力构件应该均匀、对称布置，竖向布置有助于刚度均匀变化，框架柱的材料强度自下而上逐渐减少，可以有效规避抗侧力结构和侧向刚度变化。结构体系需要具备较为直观的计算简图，保证结构应对重力荷载的承载力，通过设置多道防线，保证结构受力明确、不间断，在抗震计算时更符合地震时结构实际表现。结构体系要具备应有的刚度，承载力分布和结构布置相契合，规避局部削弱出现突变，形成较大塑性变形集中和应力集中。

结合近些年来地震带来的灾害来看，经常出现单跨框架坍塌事故。因此，对于现代建筑工程，在抗震设计中不应该选择单跨加悬挑框架结构，外走廊配备落地框架柱形成多跨框架；如果连廊必须选择单跨框架，应适当增加单跨方向柱截面，增强结构抗震性。单跨框架抗侧刚度较小，耗能弱，抗震时不需要设置多道防线。如果柱出现塑性铰，可能会出现连续倒塌事故。结合地震灾害结果表明，多层钢筋混凝土单跨框架结构震害较为严重。

3 多层钢筋混凝土框架结构设计

结合相关文件要求和设计规范，钢筋混凝土框架结构是水平承重体系—各层楼盖与屋盖连接形成空间的结构体系。各平面钢筋混凝土框架结构形成的竖向承重体系，直接承受着屋盖、楼盖等不同方向的荷载，最后将其传递给地基。

3.1 提出合理的结构设计方案

多层钢筋混凝土框架结构主要是梁、柱刚性连接形成的房屋建筑结构，需要遵循相应的设计规范和文件，并且通过对设计方案深入理解，指导后续设计顺利进行。通过了解建设要求和设计意图，细化图纸内容，并对建筑图纸全方位审核，针对性解决其中存在的问题，编制合理的设计方案，优化结构设计。钢筋混凝土框架结构中，通过各平面框架形成竖向承重体系，可以有效承受房屋建筑的水平、竖向荷载，并将受力传递给地基。

编制合理的设计方案，重点内容是结构的合理布置以及选择合理结构计算参数，经过合理化数据计算，提升设计方案合理性。

多层框架结构主要设计参数有以下几点：1）梁刚度放大系数。在钢筋混凝土框架结构设计中所选择的软件模型，主要以矩形截面状态呈现，但是此种模型未能从本质上杜绝楼板T型截面诱发的刚度增大问题，致使计算结果精准度下降。这种情况下，计算刚度并不符合实际刚度，地震剪力不足，为钢筋混凝土框架结构埋下了一系列不安定因素。所以，如何保证结构设计合理性，应该充分了解实际情况，参数计算中放大处理梁刚度，充分契合施工具体情况，全面保证建筑物结构安全和稳定性；2）结构抗震等级。在钢筋混凝土框架结构设计中，结构抗震等级是一项设计重点内容，根据不同的建筑抗震设防类别和设防烈度，选用相应的抗震等级和抗震措施，这样才能保证设计的钢筋混凝土框架结构具备足够抗震性能，维护建筑物安全稳定；3）基本地震加速度。在钢筋混凝土框架结构设计中，关于地震加速度的设计至关重要，主要是起到地震发生时保证建筑结构的稳定性，多是依据抗震设防烈度指标来确定。如果设计不符合实际情况，则会为建筑物埋下结构失衡隐患，一旦地震发生，建筑物则无法有效抵御地震所产生的冲击，威胁到人们生命财产安全；4）结构周期折减系数。在框架结构中，填充墙占据重要地位，对结构刚度影响较大，在砌体填充墙计算中，依据填充墙的数量、与框架结构本身的相对刚度来确定周期折减系数。如果计算刚度结果与实际情况不符合，计算周期超出了实际周期，则会导致建筑物的抗震性降低，威胁到建筑物结构整体稳定性。

3.2 结构布置

多层钢筋混凝土框架结构布置阶段，需要契合实际情况，确定合理的柱排列方式，编制合理的结构承重方案，经过审核符合建筑结构和使用需求。同时，保证建筑结构受力均匀、合理，便于施工活动便捷、有序进行。主梁沿着房屋横向布置，连系梁和板则沿着房屋纵向布置。建筑结构竖向荷载是横向框架所承受，而衡量的截面高度较大，便于增加房屋横向刚度。因此，此种结构布置方案在实际工程项目中应用较为广泛。

对于带有地下室的多层框架房屋，建筑上部结构确定合理的嵌固位置则至关重要。因此，结合建筑抗震设计规范要求来看，并未确定合理的位置，因此需要结合实际情况针对性分析。对于符合抗震规范的地下室结构，抑或是采用箱型基础，地下室顶板可以充当框架上部结构嵌固位置，基于PKOM软件来设计，输入地下室以上层数，底层层高H是为建筑实际层高。基于此种方式，最终计算得到了抗震结果更贴近实际情况。如果不符合建筑抗震规范要求，地下室嵌固位置优先选择在基础顶面，在楼层组合电算时，实际楼层数加上地下室层数即为建筑总层数，这样计算结果更加真实、合理，地震作用相较于保守，多层框架结构更加安全可靠。

如果多层框架结构的房屋建筑没有地下室，在基础埋深较浅情况下，通常是采用房屋中梁柱作为刚接框架结构，底层柱的长度选择，主要是采用基础顶面到一层楼盖顶面的高度。但实际设计中由于基础并未涉及，导致基础顶面标高模糊不清，所以无法得到这一高度值。鉴于此，要结合实践经验来大致估算基顶标高，尽可能降低计算偏差。

3.3 框架结构计算简图

框架结构设计中，在明确构件截面尺寸和结构计算简图基础上，针对性计算建筑结构荷载和内力，并对建筑结构侧移分析。框架的梁柱截面尺寸选择，需要充分考量结构刚度、承载力和延性等各项要求确定，因此在初步设计阶段可以结合设计人员经验来选择截面尺寸，然后对结构变形和承载力情况进行盐酸，检查各项规格参数是否合理。框架结构是基础、楼板、梁和柱等构件构成，属于空间结构体系，因此需要对结构进行三维空间结构分析。但对于一些结构平面布置较为规则的框架结构房屋，为了降低计算难度，多是将空间结构细化为多个横向或纵向的平面框架，然后进行分析，以此来降低计算难度，提升计算结果精准度。

在设计阶段，为了减少房屋建筑底部位移量，提升结构整体性，应注重基础连系梁设置位置优化设计。基础连系梁设计仅仅是构造设计，无法实现底部柱脚弯矩平衡，如果将一层楼盖顶面到基础连系梁顶面高度设计为H值，是不合理的。基础连系梁以下的部分作为底层，连系梁顶面到基础顶面高度是H值，那么建筑底层可以作为第二层，一层楼面与连系梁顶面高度是层高H。在此基础上，基础顶面与基础连系梁顶面中较大的作为柱内配筋设计，依据框架梁对连系梁进行设计。

4 多层钢筋混凝土框架结构设计中应注意的问题

多层钢筋混凝土框架结构设计涵盖内容较多，专业性较强，任何一个环节出现疏忽，都会产生连锁反应，因此需要明确多层钢筋混凝土框架结构设计中的注意要点，提前制定有效措施予以规避，便于提升设计合理性，指导后续施工活动高效有序进行。具体设计中应注意的问题如下。

4.1 强柱弱梁节点设计的问题

该环节需要予以高度重视，主要是为了抵御地震作用的影响，保证建筑物结构安全稳定。强柱弱梁强弱高低，很大程度上取决于柱端截面抗弯矩能力增幅大小，是否可以抵御地震冲击影响，将柱端界面屈服的塑性转动量控制在塑性转动能力范畴，保证柱稳定。符合要求的建筑物，适当的增加柱截面尺寸，柱线刚度和梁线刚度比值1以上，确保柱的轴压满足标准要求，适当的增加结构延性。在截面承载力计算中，可以通过人工方式调整放大柱的设计弯矩，并且对加强柱进行配筋改造。但要注意梁端纵向受拉钢筋配筋率要适中，避免超出标准，规避地震作用下导致塑形铰转移到立柱上。所以，通过有效的墙柱弱梁方式，保证塑性铰出现在梁端，同时使构件延性得到保障，规避脆性破坏出现。

4.2 做好强剪弱弯设计

强剪弱弯是一个从结构抗震设计角度提出的一个结构概念。弯曲破坏和剪切破坏是钢筋混凝土柱在地震作用下常见的破坏形式。其中弯曲破坏属于延性破坏形式，柱发生弯曲破坏可以拥有较大的非线形变形而强度和刚度降低较少；而剪切破坏属于脆性破坏形式，柱发生剪切破坏常常伴随着刚度和强度的较大的退化，破坏突然，对结构整体安全性影响也较大。故现代抗震设计思想中提倡“强剪弱弯”设计，目的就是尽量使结构在遭受强烈地震作用时出现延性破坏形式，使结构拥有良好的变形能力和耗能能力。

“强柱弱梁，强剪弱弯”是一个从结构抗震设计角度提出的一个结构概念。就是柱子不先于梁破坏，因为梁破坏属于构件破坏，是局部性的，柱子破坏将危及整个结构的安全—可能会整体倒塌，后果严重！所以我们要保证柱子更“相对”安全，故要“强柱弱梁”；“弯曲破坏”是延性破坏，是有预兆的—如开裂或下挠等，而“剪切破坏”是一种脆性的破坏，没有预兆的，瞬时发生，没有防范，所以我们要避免发生剪切破坏。

另外，应该高度重视构造措施的选择，大跨度柱网框架结构，楼梯间区域的框架柱是楼梯平台梁连接，楼梯间的柱可能是短柱，因此可以适当的对柱箍筋加密布置，在设计中需要予以高度重视。框架结构外立面如果设计为带形窗，由于连续窗过梁，外框架柱可能变成短柱，因此需要加强构造措施。

4.3 结构应力问题

多层钢筋混凝土框架结构的外立面是带形窗，通过配置连续窗过梁，可以令结构柱充当短柱，因此需要适当的对构造改造和加固；如果框架结构长度超出标准值，应禁止建筑框架留出缝隙，为了规避有害裂缝出现，可以选择补偿混凝土浇筑施工，并适当的增加双向配筋配置密度，控制构造间距不超过150mm。

框架外挑梁配筋施工中，结合框架结构功能要求，很多工程会在框架梁端设计挑梁。实际上框架梁和外挑梁的断面尺寸规格存在差异，二者所长寿的荷载值也不尽相同，部分设计方案中仅仅是将框架梁的部分主筋朝着外挑梁延伸拓展，无法伸进挑梁，致使部分钢筋截断，不同程度上影响着工程质量、进度和安全。为了满足框架柱的强度要求，配筋计算中应尽可能选择不利的方向开始计算，或是两个方向分别计算，并选择大方向的配筋，对称设置；适当增加框架柱配筋，依据设计要求，大概在1.2～1.5倍左右；多层框架电算时，部分人员过分依赖经验，忽视了温度应力和不均匀沉降对框结构稳定性的影响，如果多层框架水平尺寸大，或是地基承载力不强，可以适当的增加配筋密度，在横线和纵向设置基础梁，优化设计框架梁来提升结构稳定性。

另外，多层钢筋混凝土框架结构设计是一项专业性较强的工作，其中涵盖的内容多样，因此设计要遵循相应原则来保证设计合理性。首先，整体性。多层结构中，增强结构整体性至关重要，在聚集和传递荷载到各个竖向抗侧力结构同时，还可以增强结构整体性，有效承受地震作用力冲击，尤其是竖向抗侧力结构不均匀布置，或是各抗侧力结构水平变形特征有所差异情况下，需要依托于各抗侧力结构协同工作，以此来提升结构整体性。其次，简单性原则。多层结构设计应该尽可能简单，传力路径明确，结构内力与位移分析便于掌握。在荷载作用下，尽可能缩短结构传力路线，结构整体工作效能更强，所消耗的材料总量也更少。最后，均匀性原则。多层建筑结构设计要遵循均匀性原则，规避传力途径、承载力和刚度突变，限制一个或几个楼层发生敏感薄弱部位，或是应力过于集中发生变形。结构布置均匀，有助于地震力采用直接的方式传递，避免质量和刚度偏心。

5 结语

综上所述，目前建筑行业迅猛发展，建筑工程质量要求不断增加，需要契合实际情况优化结构设计。多层钢筋混凝土框架作为一种常见的工程结构，布局灵活，结构承载力强，因此在诸多建筑工程项目中得到了广泛应用。为了打造符合社会所需要的工程需要，需要优化框架结构设计，促进建筑功能和造型多样化，在保证工程质量的同时，创造更加可观的经济效益。