代崇陽(yáng) 王俊峰 李方

中國(guó)核電工程有限公司鄭州分公司（450052）

單跨混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

代崇陽(yáng) 王俊峰 李方

中國(guó)核電工程有限公司鄭州分公司（450052）

根據(jù)規(guī)范總結(jié)了單跨混凝土框架的判定原則，建議優(yōu)先采用變通的形式。討論了必須采用單跨框架時(shí)加強(qiáng)措施的設(shè)置原則，柱網(wǎng)布置原則，樓、屋蓋布置原則，梁柱截面尺寸確定原則，梁、柱配筋注意事項(xiàng)，正常用極限狀態(tài)不滿足時(shí)的處理方法等，可供工程設(shè)計(jì)人員參考。

單跨框架；冗余度；內(nèi)柱；加強(qiáng)措施

1 單跨框架結(jié)構(gòu)的判定

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》6.1.5條規(guī)定，甲、乙類建筑以及高度大于24m的丙類建筑，不應(yīng)采用單跨框架結(jié)構(gòu)；高度不大于24m的丙類建筑不宜采用單跨框結(jié)構(gòu)[1]?！陡邔咏ㄖ炷良夹g(shù)規(guī)程》第6.1.2條規(guī)定，抗震設(shè)計(jì)的框架結(jié)構(gòu)不應(yīng)采用單跨框架結(jié)構(gòu)，第8.1.34條第1、2款規(guī)定的框架剪力墻結(jié)構(gòu)可局部采用單跨框架結(jié)構(gòu)；其他情況應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行分析、判斷[2]。《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)用與分析》提供了單跨框架結(jié)構(gòu)的判定標(biāo)準(zhǔn)。首先應(yīng)區(qū)分單跨框架和單跨框架結(jié)構(gòu)，有單跨框架不一定就是單跨框架結(jié)構(gòu)。只有在框架結(jié)構(gòu)中，某個(gè)主軸方向均為單跨框架，或兩個(gè)多跨框架之間的最大距離超過(guò)表1時(shí)，才可認(rèn)定為單跨框架結(jié)構(gòu)[3]（注意:不包括框架-抗震墻結(jié)構(gòu)中的單跨框架）。

總之，單跨框架由于缺少必要的冗余度，地震破壞嚴(yán)重，實(shí)際工程中應(yīng)盡量避免采用。故有必要關(guān)注單跨混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn),有條件使用,以趨利避害。

表1 多跨框架之間的最大間距（單位m，取最小值）

2 優(yōu)先采用變通的結(jié)構(gòu)形式

當(dāng)一棟建筑物完全不允許設(shè)置內(nèi)柱而必須設(shè)計(jì)成單跨結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)采用變通的結(jié)構(gòu)形式。單層結(jié)構(gòu)優(yōu)先考慮采用輕型屋面的排架結(jié)構(gòu)或門式剛架。排架橫向可采用混凝土柱-鋼梁體系或者混凝土柱-鋼屋架體系。排架縱向和門式剛架縱向均可采用柱間支撐體系或者框架體系。輕型屋面配合鋼梁或鋼屋架，可減小集中在屋蓋處的重量，對(duì)抗震有利。單層結(jié)構(gòu)布置有內(nèi)隔墻的，可通過(guò)調(diào)整房間布置。在山墻和內(nèi)隔墻中增設(shè)內(nèi)柱。多層結(jié)構(gòu)布置有內(nèi)隔墻的，盡量調(diào)整房間布置。當(dāng)某榀（包括端榀）橫向框架平面內(nèi)各層均布置填充墻時(shí)，各層均增設(shè)內(nèi)柱。當(dāng)某榀橫向框架平面內(nèi)下層設(shè)置填充墻、上層無(wú)填充墻時(shí)，下層增設(shè)內(nèi)柱。多層單跨框架結(jié)構(gòu)還應(yīng)將樓梯間布置在建筑物中部，結(jié)合樓梯平臺(tái)增設(shè)框架內(nèi)柱。總之，盡可能增設(shè)內(nèi)柱使多跨框架之間的間距滿足表1的要求，控制單跨框架的數(shù)量不超過(guò)框架總榀數(shù)的30%，可按普通框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

當(dāng)結(jié)構(gòu)形式無(wú)法變通而必須采用單跨框架結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)考慮采取加強(qiáng)措施。

3 加強(qiáng)措施

常用的單跨框架結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施主要有3種:設(shè)置支撐、框架柱設(shè)置翼墻、增設(shè)鋼筋混凝土剪力墻成為框剪結(jié)構(gòu)。應(yīng)根據(jù)單跨框架結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間所允許增設(shè)加強(qiáng)措施的位置,選擇合理的加強(qiáng)措施。加強(qiáng)措施通常位于樓梯間周邊、建筑物端部以及建筑物中部允許的位置。需要特別說(shuō)明的是:增設(shè)剪力墻時(shí)，避免布置短肢墻；增設(shè)翼墻時(shí)，柱一側(cè)的翼墻長(zhǎng)度不應(yīng)小于3倍翼墻厚度;縱向也采取加強(qiáng)措施時(shí)，一般不設(shè)置在端開(kāi)間內(nèi),避免引起較大的溫度應(yīng)力。

采取加強(qiáng)措施要將結(jié)構(gòu)加強(qiáng)到何種程度，目前規(guī)范中尚無(wú)明確的規(guī)定。從概念上來(lái)理解，加強(qiáng)措施所承擔(dān)地震傾覆力矩的比例可參考《高層建筑混凝土技術(shù)規(guī)程》第8.1.3條。筆者認(rèn)為，承擔(dān)傾覆力矩的比例大于50%已足夠，此加強(qiáng)措施為結(jié)構(gòu)的第一道抗震防線,框架為第二道抗震防線，且兩者都具有必要的承載能力。單跨框架中允許設(shè)置的加強(qiáng)措施位置不是很靈活,繼續(xù)提高其比例，可能會(huì)影響使用。采取加強(qiáng)措施后，結(jié)構(gòu)的層間位移角、框架的軸壓比限值均可按框架剪力墻結(jié)構(gòu)中的框架來(lái)確定。加強(qiáng)措施的具設(shè)計(jì)，可參考相關(guān)資料。

4 柱網(wǎng)布置

當(dāng)只能采用單跨框架結(jié)構(gòu)并采取加強(qiáng)措施時(shí)，應(yīng)首先關(guān)注其柱網(wǎng)布置?？v橫向盡量采用符合模數(shù)規(guī)整柱網(wǎng)，縱向跨度不宜變化過(guò)大。應(yīng)特別注意，《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》第3.4.3條要求平面不宜太過(guò)狹長(zhǎng)在此也是適用的。平面狹長(zhǎng)目前尚無(wú)明確的規(guī)定，有學(xué)者認(rèn)為長(zhǎng)寬即為平面狹長(zhǎng)[4]，其中L、B分別為建筑物長(zhǎng)度、建筑物寬度。若超過(guò)3太多，不易滿足剛性樓板假定,導(dǎo)致地震時(shí)結(jié)構(gòu)兩端振動(dòng)不同步。即使此時(shí)尚小于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫的最大間距，也宜設(shè)置防震縫將結(jié)構(gòu)分成兩個(gè)計(jì)算單元,或采取措施加強(qiáng)端部的剛度，直至兩端振動(dòng)不同步得到抑制。

5 樓、屋蓋布置

單跨框架樓、屋蓋布置應(yīng)盡量減輕結(jié)構(gòu)重量,以減小地震作用，節(jié)省材料。

單跨框架橫向跨度小于縱向跨度時(shí)，次梁的布置方向沿橫向或縱向均有可能，需根據(jù)具體工程的需要確定。

單跨框架橫向跨度大于縱向跨度時(shí)，宜將結(jié)構(gòu)比擬成排架結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行樓蓋布置。橫向框架梁相當(dāng)于屋架,一級(jí)次梁相當(dāng)于應(yīng)沿縱向布置的連續(xù)檁條，必要時(shí)可布置截面更小的二級(jí)次梁。這種樓蓋布置方式較規(guī)整而輕巧，豎向荷載主要由承載力較高的橫向框架承擔(dān)。

需要特別說(shuō)明的是，《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程應(yīng)用與分析》中所主張的主梁沿短跨布置、次梁沿長(zhǎng)跨布置的原則，在橫向跨度大于縱向跨度的單跨框架中是不適用的[4]?？砂慈缦滤悸穪?lái)理解：若一級(jí)次梁沿橫向布置，作為簡(jiǎn)支梁，其截面高度至少應(yīng)與橫向框架梁相等?？v向小跨度的框架梁需為一級(jí)次梁提供彈性支座,有類似托梁的作用，截面高度還要再大些。為使梁內(nèi)縱筋能夠順利配置，縱、橫向框架梁和一級(jí)次梁的寬度均不能太小。這種布置方式會(huì)使整個(gè)樓蓋顯得笨重，對(duì)抗震不利。

6 梁、柱截面尺寸的確定

7 控制配筋

抗震設(shè)計(jì)的框架計(jì)算結(jié)果按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.2.2～6.2.5條進(jìn)行調(diào)整后，按6.3.3、6.3.4條進(jìn)行梁鋼筋配置，按6.3.7～6.3.10條進(jìn)行柱鋼筋配置，可使結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下具有較好的延性，消耗更多的地震能量。需要說(shuō)明的是，根據(jù)6.2.2～6.2.5條進(jìn)行調(diào)整時(shí)，橫向單跨框架梁配筋宜將梁翼緣范圍內(nèi)板的縱筋和為控制梁裂縫寬度而增加的配筋都考慮進(jìn)來(lái)。梁實(shí)配鋼筋比調(diào)整后的計(jì)算配筋不應(yīng)富裕太多，以免引起塑性鉸轉(zhuǎn)移。

8 正常使用極限狀驗(yàn)算

梁撓度不滿足要求時(shí)，可考慮施工階段的起拱。若用條件允許《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，驗(yàn)算撓度時(shí)可將計(jì)算撓度減去預(yù)先起拱值，預(yù)先起拱值通常取恒載作用下的撓度[5]。

驗(yàn)算裂縫寬度不滿足要求時(shí)，可考慮加大截面高度或者增加梁的配筋來(lái)解決，優(yōu)先考慮加大截面高度；若通過(guò)增加梁配筋來(lái)解決，則柱鋼筋也需增加且增加的比例要更大。

9 結(jié)語(yǔ)

單跨混凝土框架結(jié)構(gòu)冗余度少，在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免采用。遇到單跨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)盡量采用變通的結(jié)構(gòu)形式，或最大限度增設(shè)內(nèi)柱使其可按普通框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。必須采用單跨框架結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)采取合理的加強(qiáng)措施使結(jié)構(gòu)具有多道抗震防線。單跨框架結(jié)構(gòu)應(yīng)采用合理的次梁布置方式，最大限度地減輕樓、屋蓋重量，以減少地震作用。單跨框架結(jié)構(gòu)應(yīng)選擇合適的梁柱截面，合理配置鋼筋并嚴(yán)格控制梁的配筋量，以提高結(jié)構(gòu)的延性。

[1]GB 5011-2010,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.

[2]JGJ 3-2010,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2011.

[3]朱炳寅.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)用與分析GB 50011-201 [M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2011.

[4]朱炳寅.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程應(yīng)用與分析JGJ 3-2010[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2013.

[5]GB 50010-2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.