公共建筑大空间框架结构设计研究

贾书锋

（中天环宇建筑设计有限公司，贵州 贵阳 550000）

0 引言

公共建筑大空间框架结构设计研究是一个涉及建筑学和工程学的复杂课题。随着城市化进程的加速和人口的不断增长，公共建筑作为城市的重要组成部分，其空间框架结构的设计与建设越来越受到人们的关注。首先，公共建筑大空间框架结构的设计直接关系到建筑的安全性、稳定性和使用寿命。一个合理的框架结构设计能够有效地承受各种荷载，包括永久荷载、瞬时荷载和风力荷载等，从而确保建筑在各种环境条件下的安全使用。此外，框架结构设计还需要考虑材料的选取和构造方式，以在满足功能需求的同时，实现经济性和美观性的平衡。近年来，众多学者在该方面开展研究，并已经取得一定研究成果。如侯学凡等[1]以深圳京基东滨时代大厦为研究对象，对其超限高层塔楼框架结构进行优化设计；再如王森等[2]以深圳恒裕后海金融中心真实案例为基础，根据场地周边环境，合理确定了塔楼不同方向的地面粗糙度类别，得到了更准确的风荷载值，并以此为基础，针对超大高宽比引起结构刚度弱的特点对其建筑结构进行设计；肖梅花[3]充分考虑房屋结构设计的经济性和安全性，对广西某商业综合体做了深入的研究，对其超长多层框架结构进行设计。以上述研究为基础，为满足人们不同的使用需求，本次开展公共建筑大空间框架结构设计研究。希望通过本次研究，为公共建筑大空间框架结构设计提供更多的可能性。

1 公共建筑大空间框架结构的设计

1.1 设定大空间框架结构的结构构件参数

公共建筑大空间框架结构是一种专为大型公共空间设计的建筑结构体系，其主要特点是具有开阔的内部空间，能够满足多种功能需求。这种结构体系在体育馆、会展中心、购物中心等大型公共建筑中得到了广泛应用。在公共建筑大空间框架结构中，主要承重构件是梁和柱，共同组成一个稳定的框架，承担建筑的重量和各种荷载。这种结构形式具有较高的灵活性和适应性，可以根据不同的空间需求进行灵活布局和调整。

首先，需要确定公共建筑的地基承载力，以保证公共建筑大空间框架结构的稳定性。在地基基础设计中，首要任务是确保地基的承载能力超出结构在竖直方向所受的荷载，以预防结构出现剪切破坏。因此，地基的基底压力需低于其承载力的特征值，换言之，基础底面积的设计必须满足地基的强度要求[4]。从以往的工程实践来看，地基的承载力除了取决于埋设的深度之外，还与地基底部的尺寸有关。在现场施工过程中，要根据具体情况确定基础的承载力。所以，要保证研究结果的准确，就需要对二者的综合影响进行综合分析。

建筑地基基础的承载力数值应满足以下公式：

公式中：fa代表经过修正的地基承载力数值，α、δ分别表示基础埋深的修正系数、基础宽度的地基承载力修正系数，d表示基础埋置深度，fak表示土的加权平均重度，k表示基础底面以下土的重度。

在计算好承载力，并确定了建筑设计需求之后，框架结构的方案设计要按照建筑设计的需要，确定适宜的框架梁和框架柱的截面尺寸、选择的材质和材料的强度等级。框架结构的梁截面的挠度应满足以下公式组：

公式中：b代表框架梁的截面宽度，h表示框架梁的截面高度，L代表框架柱的宽度。

在框架设计中，当框架梁跨高比小于4时，将出现开裂现象。当混凝土梁产生裂纹时，其极限承载力将随之降低，同时延性也将随之下降。因此，梁的跨宽比必须满足下列公式：

公式中：β代表框架梁的刚度。

当框架结构的构件中选用宽扁梁时，楼板使用现浇方法，宽扁梁的截面尺寸应符合以下计算公式组：

公式中：g表示梁柱的截面宽度，ε代表柱纵筋的直径。

由于构件的梁端在框架结构是一个非常重要的部位，因此对梁端的变形能力有很高的要求。为避免塑性铰的产生，梁端配筋应增加，以改善构件的变形能力和延性，并加强结构的整体性。

1.2 框架结构的节点设计

在设计公共建筑大空间框架结构时，需要充分考虑结构节点的稳定性、安全性、经济性和施工性。要确保结构在各种荷载作用下都能保持稳定，不发生破坏或变形。其次，要充分考虑结构的抗震性能，采取必要的抗震措施，提高建筑的抗震能力。此外，还需要考虑结构的经济性和施工性，选择合理的材料和施工工艺，降低建筑成本，提高施工效率。因此，在设计框架结构的节点的过程中，应注重建筑平面的简单规则、空间的合理划分以及外形简洁等利于结构布置的特点，保证框架结构的整体性[5]。

框架节点，即框架梁与框架柱的衔接部位，在框架结构中占据着举足轻重的地位。只有当框架节点处的梁锚固稳定可靠，塑性铰的形成才能得到保障。同样，框架节点的安全性与可靠性，直接决定了框架柱与框架梁的整体安全性能。因此，框架节点在框架结构中的重要性不言而喻，是确保整个结构稳定与安全的关键环节。根据以上分析[6]，公共建筑大空间框架的节点需要按照以下准则进行设计：

（1）节点的极限承载力要比其连接部分高，在多遇地震作用下，结构的受力性能要满足设计要求。在大震作用下，可适当减小节点的承载力，但要保证垂直荷载的传递。节点处梁柱中的纵筋应设置牢固的锚固，节点钢筋的布局要合理，一般应考虑其对结构的影响[7]。

（2）框架柱的混凝土强度等级应至少与框架节点处的强度等级相匹配，甚至更高。在设计过程中，节点处的截面尺寸必须得到充分的重视，确保其尺寸适中，不宜过小。如果梁的上部钢筋布局密集，节点处的顶层可能因承受过大压力而发生斜压破坏，这对构件的安全性能构成严重威胁。因此，在规划截面尺寸时，不仅要确保节点处的截面尺寸足够大，还需考虑增加框架梁或框架柱的负弯矩钢筋以增强其承载能力。基于这些考虑，框架结构顶层端节点处梁上部纵向钢筋的截面面积需要满足以下计算公式：

公式中：Q代表顶层端节点处梁上部纵向钢筋截面的面积，∂表示梁截面的有效高度，r代表梁腹板的宽度。

（3）在框架结构的节点设计环节，对于箍筋的配置至关重要。在节点处，箍筋的设置应当与框架柱保持一致，确保结构的连续性和稳定性。至于箍筋的间距，一般而言，应控制在200mm 以内，以有效发挥其约束和增强作用。此外，在框架结构的节点区域内，还需特别注意水平箍筋的布置，这有助于提升节点的抗剪能力。若存在梁相互搭接的情况，可在其节点处采用矩形箍筋进行配置，以优化结构受力性能。在满足特定位移要求时，随着轴压比的上升，约束箍筋的使用量会相应增加，呈现出近似的线性关联[8]。根据建筑设计规范，针对柱轴压比的不同，柱端箍筋加密区的约束箍筋体积配筋率需要满足一定的计算公式要求：

公式中：p代表按核芯截面的体积配箍率，λ表示最小配箍数值，fd表示混凝土轴心抗压强度数值，fg表示箍筋抗拉强度数值。

1.3 公共建筑的框架结构体系的布置

公共建筑大空间框架结构的优点在于其空间利用率高、布局灵活、适应性强。然而，这种结构形式也存在一些挑战和难点，如节点设计复杂、施工难度大等。因此，在实际工程中，需要综合考虑各种因素，采用科学的设计方法和施工技术，确保公共建筑大空间框架结构的安全、稳定和经济性。因此，在进行框架结构的结构设计时，框架结构体系的布置应遵循如下原则：

（1）结构的平面布局要简洁、规整，尽可能地以对称的方式进行布局，使其重心与刚心尽可能地重叠，从而更好地改善结构的抗震性能。

（2）在竖向布局上，应尽可能地将重心放低，并采用对称布置，以达到更好的受力效果。

（3）为避免建筑物的不均匀沉降和混凝土收缩引起的开裂，必须在适当的位置设置变形缝。

最后，防震缝的设置主要受到建筑平面布局和建筑物质量分布的影响。为了确保支护结构的安全稳定，防震缝的设置应追求结构单元的简洁布置、刚度的均匀分布以及质量的均衡分布，从而避免地震引发的不规则结构扭转。当建筑物设置防震缝时，在地震作用下，结构会发生层间位移。若防震缝的宽度过窄，地震时建筑物可能因相互碰撞而受损。因此，防震缝的宽度应至少为70mm。当防震缝两侧的结构类型存在差异时，建议依据较宽的结构类型来确定防震缝的宽度，以确保框架结构的整体稳定性和安全性。

综合以上分析，本文设计的公共建筑的框架结构与支护结构之间的连接部位的平面图如图1 所示。

图1 框架结构与支护结构连接部位示意图

同时，为减小施工周围地基变形对框架结构的影响，可以采取以下措施：

（1）待主体框架结构和周围建筑环境均完成建设后，再对结构与支护的连接结构进行有效连接，以确保框架结构的稳固性和安全性。

（2）加强支护部分的设计，并计划采用锚索与岩石连接的方式，来平衡左右两侧的不平衡力，增强结构的整体稳定性。

（3）在连接部位设置压力监测设备，实时监测施工位置对主体结构产生的压力。一旦发现压力增大，应立即采取相应措施进行处理，确保结构的安全稳定。

针对纵向地震与水平应力的传递，一般采取逐层退台的方法，使建筑构件强度有序地变化，以防止出现过大的变形。另外，通过纵向设计也完成了对水平压力的分层输送。这些分级方法都有效地提高了支护的安全性，也减少了公共建筑的空间框架结构的建设难度。

2 工程测试与分析

2.1 工程概况

工程以S 市的一高中办公楼为例，该高中项目计划建设包括教学楼、办公楼、宿舍及食堂等7 座建筑，其中3 ～6 层的宿舍楼为砖混结构，其余为框架结构，长度49 ～59m，宽度8.2 ～16.3m。该办公楼建筑的规划使用年限定为50 年，属于一类公共建筑类别。在建筑结构安全上，其等级被划分为一级。对于抗震设防方面，其类别被定为丙类。该工程的施工条件设置，具体如表1 所示。

表1 施工条件设置表

2.2 测试结果与分析

为验证所提技术的先进性，本次将设计的公共建筑大空间框架结构参数代入PKPM 软件中进行抗震计算分析，得到结果如表2 所示。

表2 测试结果

由于大空间框架结构由于跨度大、空间开敞，往往面临着稳定性问题。根据上述测试结果可以看出，经由公共建筑大空间框架结构设计方法进行设计的框架结构的稳定性符合公共建筑抗震设计规范要求。通过优化结构布置、加强支撑体系和采用先进的连接技术等措施，可以有效提高结构的整体稳定性，减少因变形和振动引起的结构破坏风险。

3 结论

公共建筑大空间框架结构设计研究是一个涉及广泛且复杂的领域，其不仅关乎建筑的安全与稳定，更与空间利用效率、建筑美学及可持续发展紧密相连。本次深入探讨了公共建筑大空间框架结构的设计原理、方法与实践，取得了一系列有益的成果。通过对大空间框架结构的特点进行分析，明确了其在公共建筑中的重要作用，并让大空间框架结构能够灵活适应不同的空间需求，为公共建筑提供稳定而宽敞的室内环境，得出结论如下：

（1）经由公共建筑大空间框架结构设计方法进行设计的框架结构的稳定性符合公共建筑抗震设计规范要求。

（2）本次研究通过合理的结构布局、材料选择以及节点设计，成功提升了结构的承载能力和抗震性能，同时也注重了结构的经济性和施工便捷性。