建筑框架结构设计问题及要点

2022-12-30赵志强阳泉市建筑设计院有限公司山西阳泉045000

砖瓦 2022年3期

赵志强（阳泉市建筑设计院有限公司，山西阳泉 045000）

随着社会的发展，人们对建筑的要求越来越高，不仅仅要注重其合理性和实用性，同时要提高建筑的观赏性以及环保性等，因此要不断提升建筑的外观和结构，进一步调整建筑不同区域框架，从而保证建筑的整体质量。在建筑框架设计过程中，要综合认识到建筑的基本需求，以期给用户更好的使用体验。

1 建筑框架结构概述

建筑框架结构通常是由梁和柱连接而形成的具有承重作用的结构，梁是使用混凝土和钢筋组成的，借助钢接以及铰接的方式连接起来。框架结构能够起到抵抗水平荷载以及竖向荷载的作用，使得建筑结构更加稳定。此外，框架结构构件的面积较小，其承载力和刚度无法满足实际需求，随着楼层的增加，水平位移越小。结构中建筑墙体的作用是分隔和围墙，并不能承担负荷。框架结构因其空间分隔更加灵活、成本较低以及刚度强等优势受到人们的青睐，但是也存在很多缺陷，包括着节点应力集中、侧向刚度不足等，不合适在高层建筑中应用。

2 建筑框架结构设计优化的意义

框架结构属于承载结构体系，是由梁和柱连接形成，其中梁、柱将会承担水平方向和竖直方向的荷载，该结构具有质量轻、节省材料、空间布置较为灵活等特点。随着社会的发展，人们对建筑个性化需求越来越高，逐渐产生了不同造型的建筑，如果在建筑结构设计过程中仍然采用传统设计方式，就不能满足现代建筑的需求，过于考虑安全性方面的问题将会导致构件成本增加，同时对结构整体没有太大益处，经济效益低下，浪费资源的同时，不利于环境的保护。通过优化建筑结构设计，可以进一步缓解建筑能耗问题，优化结构要求以相关设计规范为基础。因此，建筑结构优化设计具有十分重要的意义，可以实现建筑结构安全性和经济性的充分融合。

3 建筑框架结构设计问题分析

3.1 计算机模型问题

第一，基础宽度不够，条形基础宽度在计算时由于力学模型使用存在问题以及在选择力学模型时没有进行全面的考虑，导致条形基础宽度不够，从而直接影响了建筑结构的稳定性。如果建筑墙体上产生较大且集中的作用力时，作用力就会通过条形基础进一步到达地基，在设计过程中，作用力除以墙段长度就能够得到平均荷载，从而确定条形基础宽度，避免出现局部基础宽度不够的问题。相关设计人员在设计建筑框架结构时，主要使用空间分析计算软件工作。

第二，分析软件问题，当前市场上很多软件能够对梁柱的受力进行计算，但是，梁在相交时其不存在主次之分。而分析软件以梁扭转刚度为基础展开计算，使得计算结果超出限制，该问题产生的主要原因是软件程序没有考虑板翼缘对梁的影响，导致结构实际受力和计算模型存在较大差异。

第三，绘图问题，一些设计人员在绘制平面施工图时，将配筋简图作为设计的依据，没有查阅相关资料，从而出现加密区外箍筋抗剪强度低的问题，影响结构的安全性。

3.2 配筋设计问题

第一，底层框架柱箍筋加密区范围应满足建筑抗震设计规范中规定“底层柱，柱根处箍筋加密区范围为不小于柱净高的1/3，设计中应重点说明。

第二，框架梁的纵向钢筋配筋率应满足《建筑抗震设计规范》中规定“当框架梁梁端纵向受拉钢筋配筋率大于2%时，梁箍筋最小直径的数值应比《规范》中表6.3.3中规定的数值增大2mm”,在设计中，这一规定常被忽视，造成梁端延性不足。

3.3 抗震设计问题

在设计建筑框架结构时，抗震设计是十分重要的内容，但是在实际建筑工程项目设计过程中，部分设计人员没有足够重视对框架结构抗震设计，即使结构的稳定性和安全性满足了相关规定，一旦发生地震灾害，就可能会造成失稳。此外，在结构设计过程中，柱截面宽度和高度不符合抗震标准，影响了结构的延性，使得箍筋不能发挥约束作用，从而造成纵筋向外膨胀造成扭曲。如今，我国土地资源越来越紧张，进而使高层建筑如雨后春笋般涌现，此时为了确保高层建筑的安全性和整体质量，对建筑框架结构抗震设计提出了较高要求，然而部分建筑工程设计人员并未对框架结构抗震设计给予高度重视，虽然框架结构的稳定性和安全性均满足行业规范，然而一旦出现地震灾害，将会诱发框架结构失稳。例如，某建筑在框架结构施工过程中，因为设计人员并未按照要求对框架结构给予综合考虑，未对抗震设计给予重视，从而导致剪力设计和柱截面尺寸均超过了抗震标准要求，进而降低了框架结构的约束性和延展性，一旦遇到地震灾害时，将会诱发框架结构纵筋膨胀扭曲，不仅使柱端质量降低，而且还增加了安全隐患的发生率。

3.4 楼板开大洞问题

在建筑框架结构设计中，楼板开洞结构是比较常见的结构形式，如果开洞面积超过30%楼板总面积时，则需要采取有效措施给予处理，而常见的处理方法如下：①借助TAT软件进行处理，但是其只定义一个弹性节点，并未对楼板刚度给予考虑；②借助SATWE软件进行处理，其定义整个楼板为弹性膜。如果建筑选择刚网架时，只能借助SATWE软件来对楼板开大洞问题进行处理。但是不管选择哪种设计方法，在对弹性膜或弹性节点定义后，均需要用总刚计算法来计算。

4 建筑框架结构设计原则

4.1 刚柔适中原则

建筑结构性能呈现出刚柔两种类型，刚柔度适中的原则才能满足设计要求。结构设计过柔，则无法有效应对地震、风速等环境变化，在正常使用中无法保证建筑物正常使用的安全性。而建筑结构过刚，其本身不具有一定的变形能力，在受到较大外力冲击作用下，会由于本身柔韧度不够而损坏，比如在强地震作用下，因为结构刚度过刚而损坏甚至倒塌。因此，在设计建筑框架结构过程中要从多个角度进行考虑，使得框架结构更加科学合理。

4.2 主次分明原则

形成框架结构的不同部件在整体框架结构体系中有着不同的作用，因此在设计框架结构时要分清主次，合理优化设计关键部位。框架结构的设计要严格遵循主次分明的原则，即使受到较大外力也能够保持建筑安全，此外，要认识框架结构主次关系，遵照柱强梁弱的要求，使得框架结构更加稳定。

4.3 多防线原则

在设计建筑框架结构过程中，设防层数直接影响了整体结构体系的安全性，通常来说框架结构综合承载力随着防线的增加而提高，从而在面临地震等自然灾害时能够保持良好的稳定性。在土建结构中能够充分体现设置多道防线的作用，如采用单一的框架体系，框架就成为整个体系中唯一的抗侧力构架，应采用“强柱弱梁”型延性框架，“强柱弱梁”型延性框架在水平地震作用下，梁的屈服先于柱的屈服，这样就可以做到利用梁的变形来消耗其地震能量，使框架柱退居到第二道防线的位置。因此，建筑框架结构的设计要重视采用多防线设计，从而更好地满足建筑物的实际需求。

4.4 打通关节原则

框架结构体系包含着多种部件，从而起到对外力的传递和消减，各个部件连接为一个整体，形成完整的结构体系。因此在设计建筑框架结构时要使得各个构件相通，结合不同部位的作用进行计算，促使各个部分在受到外力时能够发挥其作用，共同承载负荷，进一步提高整体建筑的承受能力，保证建筑的安全。

5 建筑框架结构设计优化策略

5.1 避免过多出现短柱

在设计建筑框架结构过程中，要明确认识到短柱问题，采用科学的措施，防止出现短柱，主要原因是短柱的抗震性能弱，出现在框架结构中直接影响了结构的稳定性。然而在框架结构设计时会存在楼梯间中平台梁，难以避免短柱的出现，因此要严格按照国家的相关规定，保证短柱的抗震性。此外，如果一个楼层中的框架柱都是短柱，同时柱之间刚度均匀，有着较强的稳定性时，则不用给予处理。

5.2 合理设计梁柱中心线

在设计建筑框架结构过程中，梁、柱的中心线是关键点，相关设计人员要充分地重视。在保证框架梁和框架柱中心线设计符合相关规定，使得梁柱中心得以重合，如果中心线发生偏移，要检查梁柱节点核心区域受力产生的影响。此外，如果偏心距离超出了一定的范围，通过对水平防线加腋的方式对其进行处理，从而在计算梁的剪压比和受弯承载力时会除去加腋截面的影响，保证计算结果的精确性。

5.3 采用有效的构造措施

第一，进行短柱处理，在设计大跨度柱网框架结构时，要对楼梯间位置处框架柱和平台梁之间的问题进行充分考虑，设计人员在实际设计过程中要处理好短柱构造，采用箍筋全长加密的方式，提高框架结构的稳定性。除此之外，如果连续的窗过梁设置，可能会导致外部框架梁形成短柱，从而要有针对性地对构造进行处理。

第二，结构超长问题，如果框架结构长度超出了一定的范围，可以采用补偿混凝土的方式避免裂缝的产生。

第三，节点箍筋控制，在优化设计建筑框架结构时，相关设计人员要严格按照相关规定来展开设计，控制框架节点箍筋率，降低问题发生的概率。

5.4 对计算参数进行优选

根据目前建筑抗震设计的相关规定，在计算建筑框架结构相关参数时，要对建筑位置地震区的划分情况全面考虑，使得地震加速取值更加科学合理，保证框架结构的整体抗震性。如果框架结构有填充墙时，使得结构刚度大于理论计算结果，进而地震作用效应降低，稳定性降低。为了避免发生抗震性不足，相关设计人员要合理选择结构周期折减系数。

5.5 科学考察建筑环境

在建筑设计前要对施工环境进行勘察，主要勘察内容有地基考察，如果地基不均匀以及地较软，就要采用柱下条基的措施；如果地基较硬，可使用独立基础，同时要注意材料的质量，重视防水层的设置，结合实际情况来控制防水层的厚度。此外，要考察建筑物间沉降缝，对于建筑基础较好的建筑物在沉降缝管理时要分析墙体，提高建筑的稳定性。

5.6 注重结构抗震设计

在进行建筑框架结构设计过程中，通过抗震设计可以有效提高建筑框架结构的稳定性、安全性。在具体结构抗震设计工作中，最好根据现场实际情况和现有要求给予综合考虑，这样不仅可以提高抗震设计水平，而且还可以提高建筑实用性。在结构抗震设计过程中，设计人员要准确计算和控制梁刚度，保证其符合实际标准。在具体计算工作中，梁段负弯矩计算结果一般会超过实际值，此时可以适当提高梁段负弯矩的配筋数量，进而增加了其支出成本。因此，在结构抗震设计工作中，设计人员需要以最小值为最终负弯矩比值，并合理确定配筋数量及位置，以此来提高抗震设计效果。

6 建筑框架结构设计要点

6.1 提高方案的可行性

科学合理的框架结构设计方案是保证顺利施工的重要依据。在设计混凝土框架结构前，要全面了解相关建筑图纸，在掌握建筑设计技术参数和标准的同时要落实好各项设计细节，进一步研究解决相关问题，保证框架设计方案的科学性，同时要对设计流程进行规范，提高方案的可行性，保证框架设计质量。

6.2 提高框架结构体系的整体性

框架结构承重体系是每一层楼盖和屋盖连接组成的整体结构。在设计过程中，不仅要保证水平、竖向承重体系满足施工组织设计相关规定，还要对建筑楼盖和屋盖各方向的荷载情况进行考虑，进一步分析荷载对地基产生的影响，保证设计的合理性。除此之外，在框架结构技术交底时，要对各个施工环节的工艺、材料等给予全面分析，同时要依据相关工艺技术标准来检验技术质量和方法的合理性，促进施工的顺利开展，保证建筑工程质量。

6.3 梁详图设计优化要点

在建筑框架结构设计过程中，要细化和完善梁详图设计优化要点，具体如下：

（1）如果梁上有次梁时，要附加吊筋或箍筋。通常情况下，优先选择附加箍筋。如果水箱下面架在板上或梁上有小柱的梁，一般不需要附加箍筋。

（2）在挑梁的端部按照规定对箍筋进行加密处理，且保证纵筋等间距排列，箍筋可以不等。对于小断面的框架梁或连续梁，上、下部分的纵筋最好选择相同直径的布筋，尽可能统一大挑梁截面的大小，这样既能够确保后续施工的顺利进行，而且还可以降低大挑梁自身重力。

（3）如果外部梁跨度相差比较小时，需要确保梁高处于同一水平面上，尤其是外部的框架梁。同时，要求上梁纵筋满足间距小、直径小的条件，以此来达到抗开裂的目的。然而，钢筋之间的距离需要满足设计要求，且不可无限小。

6.4 柱详图设计优化要点

（1）柱内埋管时，最好将直径相当大的管埋在柱子的四角，如果管的截面面积小于4%时，可以简化相关的验算。

（2）如果地上建筑为圆柱形时，底下可以选择方柱形，这样能够实现对各施工环节的有效控制。圆柱上纵筋要超过8根，且选择螺旋箍进行布箍。而对于方柱形，最好选择井字箍，并结合实际要求来给予加密处理。然而，对于幼儿园不建议选择方柱形。对柱上的纵筋，尽量选择大间距、大直径的，然而不宜过大。

（3）柱子最好选择高强度混凝土进行构建，降低截面的面积，尽可能避免出现短柱。然而，对大跨度框架结构而言，因为楼梯与楼梯平台间的框架柱相连，难免会出现短柱，此时要对短柱箍筋进行加密处理，或者对框架结构外立面，最好设置连续的窗过梁，这样可能会导致外框架柱成为短柱，此时要做好加强处理工作，以此来提高其整体强度和稳定性。