【摘 要】建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中較為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)．也是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中較為重要的一種形式。本文作者對框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及問題處理措施進(jìn)行了分析。供同行參考與借鑒。

【關(guān)鍵詞】建筑框架構(gòu)造；應(yīng)用要素；平面布置設(shè)計(jì)；計(jì)算；判斷；問題處理措施

1 建筑框架結(jié)構(gòu)體系的五大應(yīng)用要素

1.1 考慮建筑功能的要求。例如多層建筑空間大、平面布置靈活時(shí)。

1.2 考慮建筑高度和高寬比、抗震設(shè)防類別、抗震設(shè)防烈度、場地條件等因素。

1.3 框架結(jié)構(gòu)體系是介于砌體結(jié)構(gòu)與框架-剪力墻結(jié)構(gòu)之間的可選結(jié)構(gòu)體系。框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)符合安全適用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、方便施工的原則（結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則）。

1.4 非抗震設(shè)計(jì)時(shí)用于多層及高層建筑?？拐鹪O(shè)計(jì)時(shí)一般情況下框架結(jié)構(gòu)多用多層及小高層建筑（7度區(qū)以下）。

1.5 框架結(jié)構(gòu)由于其抗側(cè)剛度較差，因此在地震區(qū)不宜設(shè)計(jì)較高的框架結(jié)構(gòu)。在7度（0.15g）設(shè)防區(qū)，對于一般民用建筑，層數(shù)不宜超過7層，總高度不宜超過28米。在8度（0.3g）設(shè)防區(qū)，層數(shù)不宜超過5層，總高度不宜超過20米。超過以上數(shù)據(jù)時(shí)雖然計(jì)算指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，但是不經(jīng)濟(jì)。

2 框架結(jié)構(gòu)平面及豎向布置設(shè)計(jì)

2.1 為了保證框架結(jié)構(gòu)的抗震安全，結(jié)構(gòu)應(yīng)具有必要的承載力、剛度、穩(wěn)定性、延性及耗能等性能。設(shè)計(jì)中應(yīng)合理地布置抗側(cè)力構(gòu)件，減少地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；平面布置宜規(guī)則、對稱，并應(yīng)具有良好的整體性；結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度宜均勻變化，豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和材料強(qiáng)度宜自下而上逐漸減小（不應(yīng)在同一層同時(shí)改變構(gòu)件的截面尺寸和材料強(qiáng)度），避免抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載力突變。

2.2 框架結(jié)構(gòu)宜設(shè)計(jì)成雙向梁柱剛架體系以承受縱橫兩個(gè)方向的地震作用或風(fēng)荷載。特殊情況下也可以采用一向?yàn)閯偧?，另一向?yàn)殂q接排架的結(jié)構(gòu)體系。但在鉸接排架方向應(yīng)設(shè)置支撐或抗震墻，以保證結(jié)構(gòu)的承載力、剛度和穩(wěn)定。

2.3 抗震設(shè)計(jì)的框架結(jié)構(gòu)，不宜采用單跨框架。如果不可避免的話，可設(shè)計(jì)為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，多層建筑也可僅在單跨方向設(shè)置剪力墻。后者框架結(jié)構(gòu)部分的抗震等級應(yīng)按框架結(jié)構(gòu)選用，而剪力墻部分的抗震等級應(yīng)按框架-剪力墻結(jié)構(gòu)選用。

2.4 框架結(jié)構(gòu)按抗震設(shè)計(jì)時(shí)，不應(yīng)采用部分由砌體墻承重之混合形式?？蚣芙Y(jié)構(gòu)中的樓、電梯間及局部出屋頂?shù)碾娞輽C(jī)房、樓梯間、水箱間等，應(yīng)采用框架承重，不應(yīng)采用砌體墻承重。

2.5 小高層結(jié)構(gòu)體系采用框架結(jié)構(gòu)，首先盡可能將過于狹長的結(jié)構(gòu)用伸縮縫脫開。如果建筑專業(yè)不允許，可通過加大端部開間的抗側(cè)剛度達(dá)到限制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的目的。具體可將邊框架的角柱斷面增大，加大框架梁的高度，如條件允許，中間增加框架柱，既增加框架的跨數(shù)。這些方法可以顯著增加結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。

3 計(jì)算分析和判斷

3.1 合理性的判斷

3.1.1 自振周期：

正常情況下，非耦聯(lián)計(jì)算地震作用時(shí)，框架結(jié)構(gòu)基本自振周期:T1=(0.12～0.15)N(N為結(jié)構(gòu)計(jì)算層數(shù))。如果計(jì)算周期偏離上述值太遠(yuǎn)，應(yīng)當(dāng)考慮本工程剛度是否合適，必要時(shí)調(diào)整結(jié)構(gòu)截面尺寸。如果結(jié)構(gòu)截面尺寸和布置正常，無特殊情況而計(jì)算周期相差太遠(yuǎn)，應(yīng)檢查輸入數(shù)據(jù)有無錯(cuò)誤，震動(dòng)模型有無異常等。

自振周期應(yīng)盡可能避開場地土卓越周期，否則會(huì)發(fā)生類共振。場地土卓越周期是根據(jù)覆蓋層厚度H和土層剪切波速νs按公式T0=4H/νs計(jì)算的周期。塘沽地區(qū)場地土的自振周期為0.8～1.0s。1976年唐山地震中7～10層框架結(jié)構(gòu)（自振周期為0.6～1.0s）破壞非常嚴(yán)中，許多甚至一塌到底。而3～5層的混合結(jié)構(gòu)住宅（自振周期小于0.3s）卻損毀輕微。這說明建筑物的自振周期與地面特征周期一致或接近時(shí)，由于共振作用會(huì)使震害更加嚴(yán)重。

研究表明，由于土在地震時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為非線性的，在同一地點(diǎn)，地震時(shí)場地的卓越周期并不是不變的，而將因震級大小、震源機(jī)制、震中距離的變化而不同。

抗規(guī)GB50011不要求結(jié)構(gòu)自振周期避開場地卓越周期。事實(shí)上，多自由度結(jié)構(gòu)體系具有多個(gè)自振周期，不可能完全避開場地卓越周期。

3.1.2 振型：

正常計(jì)算結(jié)果的振型曲線多為連續(xù)光滑曲線，當(dāng)沿豎向有非常明顯的剛度和質(zhì)量突變時(shí)振型曲線可能有不光滑的畸變點(diǎn)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的基本振型為剪切型。

3.1.3 位移：

結(jié)構(gòu)的彈性位移角需滿足《抗規(guī)》第5.5.1條的要求。即Δue/h≤[θc]=1/550。此時(shí)位移是在“樓板平面內(nèi)剛度無限大”假定條件下計(jì)算的，且應(yīng)在單向水平地震作用時(shí)不考慮偶然偏心的影響。如果位移值偏小，則可以減小整體結(jié)構(gòu)剛度。如果位移值偏大，則可以增加整體結(jié)構(gòu)剛度。

3.2 漸變性的判斷

豎向剛度、質(zhì)量變化較均勻的結(jié)構(gòu)，在較均勻變化的外力作用下，其內(nèi)力、位移等計(jì)算結(jié)果自上而下也應(yīng)均勻變化，不應(yīng)有較大的突變，否則應(yīng)檢查結(jié)構(gòu)截面尺寸或輸入數(shù)據(jù)是否正確、合理。

3.3 平衡性的判斷

在重力荷載作用下，柱軸力應(yīng)基本符合近似計(jì)算的結(jié)果。即Ni=qAi。此處q為單位面積重力荷載，對框架結(jié)構(gòu)約為12～14Kn/ msup2;，對框架-剪力墻結(jié)構(gòu)約為13～15Kn/ msup2;，對剪力墻和筒體結(jié)構(gòu)約為14～16Kn/msup2;。

4 產(chǎn)生問題的處理措施

4.1 角柱

位于建筑平面的凸角部、與柱的正交兩個(gè)方向各只有一根框架梁與之相連接的框架柱。而位于建筑平面的凹角處，若柱的四邊各有一根框架梁與之相連，則可不按角柱對待。

考慮到角柱承受雙向地震作用，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對內(nèi)力影響較大且受力復(fù)雜等，抗震設(shè)計(jì)中對其抗震措施和抗震構(gòu)造措施有一些專門的要求。

4.2 梁的撓度、裂縫寬度較大

當(dāng)梁的撓度不滿足規(guī)范要求時(shí)，可增加梁高或采用梁起拱的措施來解決。不要增加梁寬或加大縱筋。

當(dāng)梁的裂縫寬度不滿足規(guī)范要求時(shí)，首先在保證鋼筋面積不變的情況下鋼筋根數(shù)增加而直徑減小，或者在鋼筋相同外形情況下降低鋼筋級別。

4.3 非框架梁箍筋不加密

非框架梁主要承受豎向荷載作用，有無抗震設(shè)計(jì)均不考慮延性，梁端箍筋不加密，其箍筋按內(nèi)力計(jì)算確定，不要求135度彎鉤及10倍直徑直段。當(dāng)利用程序自動(dòng)形成施工圖時(shí)應(yīng)選擇非抗震計(jì)算。

4.4 框架柱混凝土等級高而梁板混凝土等級低時(shí)的處理方法

4.4.1 為避免由于軸壓比的控制而使柱截面過大，應(yīng)盡可能提高柱子的混凝土強(qiáng)度等級。

在柱采用高強(qiáng)混凝土之后，梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)不宜如圖5 . 3 . 18 一1 所示，局部做高強(qiáng)混凝土，而宜與樓板（包括梁）采用同一強(qiáng)度，同時(shí)澆搗。此時(shí)樓板混凝土與柱混凝土之強(qiáng)度級差，可以放大，例如樓板用C30 ，柱子用C60 ，然后再對梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)之強(qiáng)度（包括抗剪與抗豎向荷載）進(jìn)行核算，此時(shí)節(jié)點(diǎn)區(qū)之混凝土強(qiáng)度可以按提高后之“折算強(qiáng)度”采用。

圖4 . 4 . 1 一1

圖4.4.1一1中之做法，過去曾在若干工程中采用，但目前再采用此種做法，有如下幾個(gè)問題：

（1）目前商品混凝土已普遍采用，其塌落度皆很大。在節(jié)點(diǎn)處只澆高強(qiáng)混凝土，支模非常困難，節(jié)點(diǎn)處先澆搗的高強(qiáng)混凝土可能會(huì)流淌較遠(yuǎn)，如圖中點(diǎn)線所示，將造成梁上很不容易處理的施工縫，而這里正是梁端內(nèi)力較大，可能形成塑性鉸的部位；

（2）節(jié)點(diǎn)處所用之少量混凝土，理當(dāng)隨攪拌隨澆注，但實(shí)際上工地常一次攪拌多量之混凝土，再逐個(gè)節(jié)點(diǎn)使用，在澆注到最后幾個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，混凝土的初凝時(shí)間可能已經(jīng)超過。

4.5 關(guān)于梁柱中心線不重合時(shí)的處理方法

《抗規(guī)》第6.1.5條規(guī)定“框架結(jié)構(gòu)和框架-抗震墻結(jié)構(gòu)中，框架和抗震墻均應(yīng)雙向設(shè)置，柱中線與抗震墻中線、梁中線與柱中線之間偏心距不宜大于柱寬的1/4”。

《高規(guī)》第6.1.3條“……非抗震設(shè)計(jì)和6～8度抗震設(shè)計(jì)時(shí)不宜大于柱截面在該方向?qū)挾鹊?/4，如偏心距大于該方向柱寬的1/4時(shí)，可采取增設(shè)水平加腋等措施?！薄?/p>

4.6 鋼筋、混凝土等級的選用

鋼筋、混凝土等級的選用既要考慮滿足規(guī)范基本要求，又要考慮其經(jīng)濟(jì)性。例如框架梁混凝土，選用C20和C40都滿足規(guī)范要求。但是選用C20時(shí)比較經(jīng)濟(jì)。異型柱結(jié)構(gòu)的柱縱筋往往只是構(gòu)造要求，選用HRB335已滿足要求。這種情況下如果選用HRB400則不經(jīng)濟(jì)。