楊遠(yuǎn)杯

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)建設(shè)的快速發(fā)展，城市化的進(jìn)程也在不斷的推進(jìn)。為了滿足人們的生活需要，提高人們的生活質(zhì)量，越來(lái)越多的民用建筑投入建設(shè)。在民用建筑設(shè)計(jì)中，得到最廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)體系是框架結(jié)構(gòu)。雖然在吸取以往設(shè)計(jì)及工程經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的情況下，我們對(duì)框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有長(zhǎng)足的進(jìn)步，但設(shè)計(jì)的不當(dāng)還是會(huì)影響工程的施工質(zhì)量，給工程質(zhì)量留下安全隱患。因此把握框架設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，提升設(shè)計(jì)質(zhì)量有利于建筑能夠安全建設(shè)使用。

1 框架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

框架結(jié)構(gòu)是由梁和柱共同組成的框架來(lái)承受房屋全部荷載的結(jié)構(gòu)[1]?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下3 個(gè)方面：①框架結(jié)構(gòu)建筑的墻體不作為承重構(gòu)件，僅發(fā)揮分隔及圍護(hù)的作用，因此可以采用輕質(zhì)材料或新型材料作為墻體，降低結(jié)構(gòu)自重。②因?yàn)閴w不承重，墻體能夠較靈活地布置，可以配合建筑要求圍合出適用的空間，也可以形成較大的空間滿足建筑使用功能。③采用現(xiàn)澆的混凝土框架，能夠使結(jié)構(gòu)有較好的整體性，并且在滿足要求的情況下可以根據(jù)建筑立面需求，把梁柱澆注成所需的截面形狀。主要缺點(diǎn)為：側(cè)向剛度小，不適合在超高層建筑中采用。因此提高抗側(cè)剛度和側(cè)向位移是框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的因素。

2 框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 合理進(jìn)行平面布置

“規(guī)則、對(duì)稱、均勻”是結(jié)構(gòu)平面布置遵循的基本原則，合理的結(jié)構(gòu)平面布局能夠加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而增強(qiáng)建筑的抗震性能。結(jié)構(gòu)的平面布置主要包括柱網(wǎng)的布置以及梁板的布置。柱網(wǎng)的布置要盡量均勻分布，滿足建筑使用功能的同時(shí)要考慮梁的跨度，在民用建筑中，一般采用的柱跨為6～10m。梁截面的尺寸不僅取決于它的跨度，也取決于建筑的立面效果，在考量框架梁截面時(shí)要清楚建筑是否對(duì)梁截面有限制要求。板的厚度一般取決于板塊的跨度，因此在梁板布置時(shí)也要注重次梁的布置。在布置次梁時(shí)，傳力路徑要明確且直接，盡量減短荷載從次梁到框架梁的傳遞路徑，保證傳力路徑簡(jiǎn)潔且有效。在民用建筑，特別是公用建筑之中，建筑功能或許會(huì)因使用要求有所改變，因此墻體下設(shè)梁的原則不一定適用，因此在保證荷載滿足的情況下可采取十字或者井字的次梁布置方式。

2.2 合理設(shè)置變形縫

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)布置的基本原則是規(guī)則、對(duì)稱、均勻。但是隨著建筑設(shè)計(jì)需求的提升以及建筑理念的創(chuàng)新，為了達(dá)到理想的效果，如今的建筑設(shè)計(jì)往往會(huì)采取不規(guī)則的平面布置，這讓結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則的問(wèn)題尤為突出，主要表現(xiàn)為：樓面大開洞，樓板不連續(xù)，平面大凹進(jìn)、平面超長(zhǎng)以及豎向體型收進(jìn)。對(duì)于此類問(wèn)題，合理的設(shè)置變形縫顯得尤為重要，它可以將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體型劃分為若干個(gè)型體規(guī)則的單體，有效地減少應(yīng)力集中、地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)等導(dǎo)致的局部損壞發(fā)生。設(shè)置變形縫的原則如下：①設(shè)縫前應(yīng)根據(jù)建筑平面布置進(jìn)行整體分析。②變形縫宜設(shè)置在豎向體型收進(jìn)引起兩側(cè)層數(shù)或?qū)痈呙黠@不一致的部位。③室外連廊以及類似的細(xì)腰部位宜設(shè)變形縫，若連廊為單跨結(jié)構(gòu)，設(shè)縫后宜附屬在相鄰主體結(jié)構(gòu)上。④應(yīng)綜合考慮建筑使用功能，合理設(shè)置變形縫的位置。

2.3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，為了保證建筑結(jié)構(gòu)的安全質(zhì)量，要做好基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)?；A(chǔ)設(shè)計(jì)前應(yīng)仔細(xì)閱讀地質(zhì)勘查報(bào)告，設(shè)計(jì)時(shí)要結(jié)合地質(zhì)狀況與上部結(jié)構(gòu)荷載，并且需要考慮經(jīng)濟(jì)性的原則，選擇合適的基礎(chǔ)類型。多層民用框架結(jié)構(gòu)在考慮經(jīng)濟(jì)效益的情況下，一般采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)或者條形基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該結(jié)合地質(zhì)資料確定持力層以及基礎(chǔ)埋深，充分考慮地基的承載能力以及地基的變形問(wèn)題。樁基礎(chǔ)的承載力高，沉降量小，更適合在高層框架結(jié)構(gòu)中使用。樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合鉆孔資料，認(rèn)真核算樁基的有效樁長(zhǎng)以及承載力，保證設(shè)計(jì)的合理性，并且需要考慮施工偶遇問(wèn)題的解決方案。

2.4 柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

框架柱作為框架結(jié)構(gòu)的豎向受力構(gòu)件，將上部結(jié)構(gòu)所受的荷載傳遞到基礎(chǔ)，是框架結(jié)構(gòu)中最重要的構(gòu)件。框架柱設(shè)計(jì)中要注意以下3 個(gè)方面。

（1）控制框架柱軸壓比。軸壓比反映的是框架柱的受壓狀況，控制軸壓比能夠保證框架柱有更好的塑性變形能力，保證框架結(jié)構(gòu)有更好的延性，保證框架結(jié)構(gòu)有較好的抗震能力。抗震等級(jí)越高，對(duì)軸壓比的限制也越嚴(yán)格，當(dāng)軸壓比不滿足規(guī)范限值時(shí)，主要調(diào)整方式有增大框架柱截面以及提高框架柱混凝土強(qiáng)度。在民用建筑特別是公用建筑中，設(shè)計(jì)人員要考慮到房間使用功能變化導(dǎo)致的荷載變化，使框架柱軸壓比在滿足要求的同時(shí)具有一定的富余度。

（2）角柱構(gòu)造加強(qiáng)。角柱是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[2]。在地震作用下，角柱在框架柱中會(huì)受到更大的扭轉(zhuǎn)剪力，在兩側(cè)框架梁的雙向彎矩作用下，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響進(jìn)一步加大。對(duì)此，為保證角柱的穩(wěn)定性，需要對(duì)角柱進(jìn)行對(duì)稱配筋設(shè)計(jì)，在滿足計(jì)算配筋的同時(shí)還應(yīng)該對(duì)角柱配筋適當(dāng)加大，放大系數(shù)一般采用1.3～1.4。在抗震等級(jí)為一級(jí)以及二級(jí)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，角柱箍筋需要全高加密。

（3）短柱構(gòu)造加強(qiáng)。當(dāng)柱凈高與截面高度≤4 或剪跨度≤2 時(shí)，這種柱就稱為短柱[3]。短柱的剪跨比小，側(cè)向剛度大，在地震作用下吸收的地震力大，更容易受到破壞，影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與建筑的安全性。為了避免短柱脆性破壞的問(wèn)題，筆者認(rèn)為，首先需要正確判定短柱。因建筑功能所需設(shè)立的夾層或錯(cuò)層、樓梯間的層間平臺(tái)梯梁等使柱子有效長(zhǎng)度減小的情況都會(huì)形成短柱。對(duì)于結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的短柱，要加強(qiáng)其構(gòu)造措施，對(duì)其進(jìn)行全高加密處理，提高短柱的抗剪承載力和延性，增強(qiáng)短柱的抗震性能。

2.5 梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保結(jié)構(gòu)受地震作用時(shí)梁端斜截面受剪承載力不低于正截面的受彎承載力[4]，通過(guò)放大梁端剪力設(shè)計(jì)值與加強(qiáng)梁端加密區(qū)箍筋，合理設(shè)計(jì)和配筋，滿足強(qiáng)剪弱彎的設(shè)計(jì)原則。

框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，梁端允許出現(xiàn)塑性鉸，設(shè)計(jì)人員可考慮塑性內(nèi)力重分布對(duì)框架梁端負(fù)彎矩進(jìn)行調(diào)幅，調(diào)整梁跨中與支座的彎矩，充分發(fā)揮材料的能力，調(diào)幅系數(shù)一般取值為0.8～0.9。

民用框架結(jié)構(gòu)中常出現(xiàn)懸挑結(jié)構(gòu)。懸挑梁屬于靜定結(jié)構(gòu)，其根部一旦達(dá)到抗彎強(qiáng)度極限、出現(xiàn)塑性鉸，就會(huì)直接破壞，所以懸挑梁支座部位縱筋錨固至關(guān)重要[5]。在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)應(yīng)充分考慮懸挑梁的載荷情況，對(duì)懸挑梁進(jìn)行合理的配筋設(shè)計(jì)：①梁面縱向受力鋼筋應(yīng)該按照計(jì)算確定，鋼筋伸入支座的長(zhǎng)度滿足錨固需求，對(duì)于連續(xù)梁邊跨外伸的懸挑梁還應(yīng)不小于縱筋外伸長(zhǎng)度。②懸挑梁受壓縱筋一般為受壓構(gòu)造筋，但在考慮時(shí)豎向地震作用時(shí)，下部鋼筋可能受拉，需要按照計(jì)算結(jié)果配置足夠的鋼筋。

2.6 重視結(jié)構(gòu)計(jì)算

目前的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多會(huì)借助于結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，根據(jù)軟件的電算結(jié)果驗(yàn)證結(jié)構(gòu)布置的合理性并進(jìn)行截面確定、配筋等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件的正確運(yùn)用，要求結(jié)構(gòu)工程師有清晰的結(jié)構(gòu)概念，能建立反映工程實(shí)際的計(jì)算模型[6]。在結(jié)構(gòu)模型計(jì)算前，要嚴(yán)格把控計(jì)算參數(shù)。框架結(jié)構(gòu)模型中，由于框架結(jié)構(gòu)墻體不承重，在模型里以線荷載的形式表達(dá)，而墻體實(shí)際會(huì)給建筑提供一定剛度，因此在整體計(jì)算時(shí)模型的剛度會(huì)偏小，周期偏大，地震作用效應(yīng)也會(huì)相應(yīng)偏小，結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備會(huì)降低。為了更貼合工程實(shí)際，需要根據(jù)填充墻的數(shù)量對(duì)模型進(jìn)行周期折減，折減的參數(shù)一般為0.7～0.9。電算結(jié)果需要結(jié)合相應(yīng)規(guī)范及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，判斷其合理有效后才能應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。合理的計(jì)算模型與電算結(jié)果不僅可以保證結(jié)構(gòu)安全可靠，還能節(jié)約施工建設(shè)成本。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

本工程為廣州某高校教學(xué)樓。地上9 層，無(wú)地下室，首層層高為5.5m，標(biāo)準(zhǔn)層層高為4.2m，結(jié)構(gòu)高度為39.1m。本工程設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，所在地區(qū)設(shè)防烈度為Ⅶ度，設(shè)計(jì)基本加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，場(chǎng)地特征周期為0.35s，基本風(fēng)壓為0.5kN/m2?？紤]教學(xué)樓需要較大開間以及本工程的結(jié)構(gòu)高度，采用框架結(jié)構(gòu)，框架抗震等級(jí)為Ⅱ級(jí)。

3.2 結(jié)構(gòu)分縫

建筑主體呈U 字形，西北側(cè)有單層的報(bào)告展廳，通過(guò)花架與主體相連接，層高為6m。根據(jù)設(shè)縫原則，同時(shí)為減少錯(cuò)層引起的短柱，避免豎向剛度突變，減小地震力作用，將報(bào)告展廳與主體教學(xué)樓進(jìn)行分縫處理，將建筑分為兩棟單體分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主體結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。

圖1 主體結(jié)構(gòu)YJK 模型

3.3 結(jié)構(gòu)布置

本建筑的主要柱跨為10m，框架柱按照房間布局及功能要求均勻分布。在保證結(jié)構(gòu)安全下，考慮工程經(jīng)濟(jì)性，柱截面和柱混凝土強(qiáng)度隨樓層逐漸減小。同時(shí)需要注意避免結(jié)構(gòu)剛度的突變，截面與混凝土等級(jí)不可在同一層同時(shí)降低。

根據(jù)柱跨，框架梁的截面普遍采用300×800。由于建筑立面有所要求，通過(guò)與建筑設(shè)計(jì)師溝通確定，外側(cè)框架梁梁高提高至900mm 或1000mm，在滿足建筑要求的同時(shí)，能夠提高框架的側(cè)向剛度，減小整體建筑的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

次梁布置時(shí)要主次分明，傳力路徑清晰。本工程在板塊內(nèi)通過(guò)布置平行次梁，將板塊分為面積均勻的單向板，滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)能減小板厚，降低結(jié)構(gòu)自重。

3.4 結(jié)構(gòu)模型

本工程樓梯沒有設(shè)置彈性支座，采用現(xiàn)澆混凝土板式樓梯，因此需要考慮樓梯剛度對(duì)整體計(jì)算的影響，把樓梯建入結(jié)構(gòu)模型。通過(guò)計(jì)算模型對(duì)比發(fā)現(xiàn)，樓梯的剛度會(huì)顯著提高樓層的剪力，減小結(jié)構(gòu)的層間位移，樓梯周邊的梁柱配筋有所增加，若設(shè)計(jì)時(shí)不考慮樓梯剛度會(huì)為工程帶來(lái)安全隱患。

3.5 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

根據(jù)工程地質(zhì)勘查資料，本工程地下局部存在淤泥質(zhì)土，同時(shí)結(jié)構(gòu)荷載較大，不適宜采用淺基礎(chǔ)。為減小不均勻沉降的影響，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析最終采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁。本工程主體結(jié)構(gòu)存在電梯基坑與集水井，首層局部存在設(shè)備間有降板需求，需要降低承臺(tái)標(biāo)高予以避讓。

3.6 構(gòu)造加強(qiáng)措施

本工大部分樁承臺(tái)面標(biāo)高為-1m，承臺(tái)面至首層梁間柱為短柱，需要進(jìn)行構(gòu)造加強(qiáng)。設(shè)計(jì)時(shí)采用了兩種構(gòu)造加強(qiáng)措施，具體如下：①該部分短柱除了全高加密外，還將箍筋的直徑提高一級(jí)。②首層梁底與承臺(tái)面較為貼近，在兩者的間隙填充混凝土，以增強(qiáng)短柱的抗剪能力。

由于南側(cè)建筑長(zhǎng)度達(dá)到了66m，屬于平面超長(zhǎng)，為了減低溫度作用帶來(lái)的不理影響，在結(jié)構(gòu)中的超長(zhǎng)向設(shè)置后澆帶，超長(zhǎng)方向的板面筋不采用分離式配筋，板面筋沿超長(zhǎng)方向通長(zhǎng)拉通。

對(duì)于內(nèi)凹部位，結(jié)構(gòu)的連接較為薄弱，整體計(jì)算時(shí)將該處樓板定義為彈性膜，復(fù)核此處樓板在地震工況下的應(yīng)力狀態(tài)；設(shè)計(jì)時(shí)將連接部位的板厚加厚，此處板筋適當(dāng)放大配筋面積并采用雙層雙向拉通。

3.7 計(jì)算結(jié)果

從電算結(jié)果來(lái)看，結(jié)構(gòu)的周期比、位移比、剛重比、剪重比、軸壓比等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范需要，能夠較好的滿足建筑安全性需求。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)進(jìn)步和科學(xué)發(fā)展，框架結(jié)構(gòu)在工程中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。在實(shí)際進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員要把握框架設(shè)計(jì)的各項(xiàng)要點(diǎn)，遵守相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求，綜合考慮各方面的因素，讓設(shè)計(jì)更安全、經(jīng)濟(jì)、適用。對(duì)于工程中出現(xiàn)的問(wèn)題，要結(jié)合工程實(shí)際，采取有效的應(yīng)對(duì)措施和解決辦法，以此提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體質(zhì)量，促進(jìn)工程順利完成。同時(shí)要學(xué)會(huì)總結(jié)歸納設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)，為日后設(shè)計(jì)工作提供幫助。