李海娟

（山西省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西 太原 030000）

1 混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

混凝土框架結(jié)構(gòu)目前主要應(yīng)用于高層建筑工程的施工建設(shè)之中，整體結(jié)構(gòu)主要由梁、柱兩部分構(gòu)成，剛性節(jié)點(diǎn)連接，屬于幾何不變體。就現(xiàn)有的應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分析，防震性以及抗風(fēng)性是其最為值得關(guān)注的重點(diǎn)，混凝土框架結(jié)構(gòu)因?yàn)槠渥陨淼奶攸c(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于建筑平面布置的優(yōu)化調(diào)整，使得規(guī)劃開(kāi)發(fā)建設(shè)的建筑工程項(xiàng)目能夠滿足更加廣泛的使用需求，其應(yīng)用場(chǎng)景如圖1所示。著手開(kāi)展混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作時(shí)，工作人員需要保持認(rèn)真、細(xì)致的工作態(tài)度，把控好具體涉及的各類(lèi)細(xì)節(jié)問(wèn)題，最終提升設(shè)計(jì)質(zhì)量[1]。進(jìn)一步分析可知，應(yīng)當(dāng)從以下環(huán)節(jié)著手把控好設(shè)計(jì)工作的要點(diǎn)，從而保障各環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)工作的有序推進(jìn)。

圖1 混凝土框架結(jié)構(gòu)應(yīng)用場(chǎng)景

（1）應(yīng)當(dāng)明確混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。混凝土框架主要由梁柱構(gòu)件組成，因此既能夠承受豎向的荷載，又能夠承受水平風(fēng)荷載以及地震作用。為了保證整體框架結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性，需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中合理地考慮建筑場(chǎng)地條件、抗震設(shè)防類(lèi)別、抗震等級(jí)等，合理地進(jìn)行平面和豎向布置，再通過(guò)內(nèi)力計(jì)算以及各種構(gòu)造措施的調(diào)整，將其設(shè)計(jì)成具有良好抗側(cè)力剛度的雙向梁柱鋼架體系，用以承受兩個(gè)方向的地震作用或風(fēng)荷載[2]。

（2）要通過(guò)合適的措施確保框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠達(dá)到延性要求。延性良好是框架結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能的保證，所謂延性是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在屈服后，在承載能力基本不降低的基礎(chǔ)上，具有足夠的塑性變形能力的一種性能。強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件是延性設(shè)計(jì)的基本原則，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)好梁的截面及配筋，以實(shí)現(xiàn)其混凝土和鋼筋的合理受力分配；控制好框架柱的剪跨比、軸壓比、剪壓比等延性指標(biāo)，使其符合和技術(shù)規(guī)范的措施要求，從而保證框架結(jié)構(gòu)具有良好的延性性能。

（3）重視結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的選用。基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是保證建筑結(jié)構(gòu)安全的根本。基礎(chǔ)的形式大體可分為淺基礎(chǔ)和深基礎(chǔ)兩類(lèi)，淺基礎(chǔ)一般指天然地基上的獨(dú)立基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)、箱型基礎(chǔ)等，深基礎(chǔ)是指埋深較大，上部荷載通過(guò)樁集中傳給深層持力層，通過(guò)樁側(cè)阻力和樁端阻力來(lái)提供承載力的基礎(chǔ)。有關(guān)于框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)形式的選擇需要綜合考慮建筑物的上部結(jié)構(gòu)形式、抗震設(shè)防要求、所在場(chǎng)地的地質(zhì)水文條件、周邊建筑物以及環(huán)境條件等因素，還要配合滿足其他設(shè)備專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)要求，以及當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)預(yù)算、施工水平，最終的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)結(jié)果要能夠滿足地基承載力要求和地基容許變形的要求。為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的下一步工作打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[3]。

（4）應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注結(jié)構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計(jì)。構(gòu)造措施包括抗震構(gòu)造措施和非抗震構(gòu)造措施，構(gòu)造設(shè)計(jì)是貫穿于整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)重點(diǎn)。構(gòu)造設(shè)計(jì)要遵循相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，根據(jù)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)條件及各種參數(shù)采取正確的構(gòu)造措施，框架結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施包括梁柱的截面尺寸、梁柱縱筋及箍筋的配置、鋼筋的連接錨固以及梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)截面和鋼筋的要求等。合理的構(gòu)造設(shè)計(jì)措施能給結(jié)構(gòu)提供良好的延性，防止結(jié)構(gòu)倒塌，確保建筑結(jié)構(gòu)的安全。

2 混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的常見(jiàn)問(wèn)題

2.1 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)問(wèn)題

實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)人員很容易會(huì)忽略由于建筑體整體沉降量所造成的外力因素而對(duì)于整體混凝土框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成的影響。由此而造成的直接后果便是混凝土框架結(jié)構(gòu)的不規(guī)則形變或是非常規(guī)性沉降。參照實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)可知，混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作之中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)由于不同原因所造成的沉降或下陷等問(wèn)題。由于建筑工程的地基結(jié)構(gòu)整體較為復(fù)雜，并且會(huì)在設(shè)計(jì)以及施工過(guò)程中涉及一定的坡度和角度值，所以要想做好這一環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)工作其實(shí)并不容易?；谏鲜霈F(xiàn)狀，建議設(shè)計(jì)人員以全面整合分析施工環(huán)境條件為前提針對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)工作中涉及的各類(lèi)細(xì)節(jié)問(wèn)題進(jìn)行統(tǒng)籌分析。以此為前提，設(shè)計(jì)人員還需要全方位考慮地基基礎(chǔ)負(fù)面應(yīng)力對(duì)于混凝土框架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的影響，并且可以根據(jù)實(shí)際情況酌情在地下室底板和受力層之間設(shè)置緩沖層，進(jìn)而從源頭著手避免混凝土框架結(jié)構(gòu)的不良形變問(wèn)題[4]。

2.2 上部結(jié)構(gòu)缺陷問(wèn)題

保證混凝土框架結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)的均勻性與規(guī)則性是保證混凝土框架結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)質(zhì)量的基本前提。實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)由于結(jié)構(gòu)均勻程度不足而造成的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)抗震薄弱環(huán)節(jié)的問(wèn)題。因此設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到沿建筑物的豎向，各種造型和結(jié)構(gòu)布置要均勻合理，結(jié)構(gòu)的平面要滿足規(guī)則性要求，質(zhì)量分布和結(jié)構(gòu)剛度要分布協(xié)調(diào)，控制質(zhì)量與剛度之間的偏心以滿足規(guī)范要求，避免因剛度、承載力和傳力途徑的突變，而使個(gè)別樓層出現(xiàn)敏感的薄弱部位，薄弱部位會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力集中以及過(guò)大的變形，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過(guò)早地倒塌。建筑平面規(guī)則、結(jié)構(gòu)布置均勻，使地震作用實(shí)現(xiàn)重分布，增加結(jié)構(gòu)的贅余度數(shù)量，發(fā)揮整個(gè)結(jié)構(gòu)耗散地震能量的作用，保證結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。

3 優(yōu)化混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)舉措

3.1 控制混凝土框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸

對(duì)于框架結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)穩(wěn)定能力都是由框架梁柱來(lái)保證，因此梁柱截面尺寸的選定就尤為重要。對(duì)框架柱而言，尺寸的確定主要由軸壓比決定，但對(duì)于軸壓比的限值，設(shè)計(jì)過(guò)程中不宜太拘泥于接近限值，這樣不僅能減少配筋，也有利于實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁，同時(shí)軸壓比也不能太小，過(guò)小的軸壓比會(huì)增大柱的截面尺寸，從而增加了混凝土用量，為了滿足最小配筋率；而過(guò)大的截面尺寸會(huì)導(dǎo)致配筋量的增加[5]。

對(duì)于直接于框架柱相連的框架梁，跨高比一般取為1/10～1/12，實(shí)際設(shè)計(jì)中可以看到，當(dāng)梁的截面寬度較小而配筋量較大時(shí)，鋼筋配置往往需要放2～3排鋼筋，這樣就會(huì)減小梁的有效截面高度，因此在不影響建筑使用功能的前提下，盡量布置成單排主筋，特別是梁截面高度尺寸不大的情況下，避免三排鋼筋的布筋方式。另外從規(guī)范中梁的最小配筋率和最小配箍率公式可以看出，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜太高，鋼筋宜選用高強(qiáng)度鋼筋，這樣不僅有利于降低最小配筋率和最小配箍率，從而減少用鋼量，更有利于提高梁作為受彎構(gòu)件的抗裂性能。

3.2 梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)

框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)主要指梁柱構(gòu)件重疊的區(qū)域，是梁柱交匯的節(jié)點(diǎn)區(qū)域。此處的設(shè)計(jì)是框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的又一重點(diǎn)。歷次震害都可以看出，這個(gè)區(qū)域是結(jié)構(gòu)破壞的主要部位，破壞后難以修復(fù)，甚至?xí)鸾Y(jié)構(gòu)倒塌。節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗震設(shè)計(jì)的原則是要求框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)不先于梁、柱破壞。由于梁柱交匯處鋼筋密布，受力狀態(tài)復(fù)雜，施工難度也大，因此在結(jié)構(gòu)規(guī)范中，對(duì)于節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的截面及抗剪承載力都有專(zhuān)門(mén)的規(guī)定與限值[6]。

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中的附錄D中明確了核心區(qū)截面的高度和有效驗(yàn)算寬度，其中截面高度可取驗(yàn)算方向的柱截面高度；有效驗(yàn)算寬度，當(dāng)驗(yàn)算方向的梁截面寬度不小于該側(cè)柱截面高度的1/2時(shí)，可采用該側(cè)柱截面寬度，當(dāng)小于柱截面寬度的1/2時(shí)可采用下列公式中后兩者的小值。在梁柱中心線無(wú)法重合的情況下，其核心區(qū)域的截面驗(yàn)算寬度主要參照的是下列3個(gè)公式計(jì)算結(jié)果中的較小值，其重點(diǎn)在于混凝土框架結(jié)構(gòu)中梁柱間的偏心距指標(biāo)。為了保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需要讓其偏心距指標(biāo)控制在柱寬的1/4之內(nèi)，即e≤1/4bc。

梁柱外側(cè)相平的節(jié)點(diǎn)是工程中普遍存在的梁柱偏心節(jié)點(diǎn)，偏心距為e=0.5（bc-bb），將其帶入上述公式得出結(jié)果如下。

由上述結(jié)果可知，有效寬度bj在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中容易受到節(jié)點(diǎn)梁寬以及柱截面尺寸因素的影響，且尚未凸顯梁柱節(jié)點(diǎn)偏心距和梁端水平加液的實(shí)際影響程度，對(duì)于偏心距e＞bc1/4的現(xiàn)象未給出實(shí)際的計(jì)算公式，只有合理地確定了核心區(qū)的范圍，才能進(jìn)行后續(xù)核心區(qū)剪力設(shè)計(jì)值和截面抗震受剪承載力的計(jì)算。

3.3 梁端彎矩調(diào)幅優(yōu)化配筋

在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到梁端負(fù)彎矩較大會(huì)應(yīng)用到較多的配筋，增加了工程施工的難度。因此，在豎向荷載作用下，要綜合考慮塑性內(nèi)力重分布，降低梁端負(fù)彎矩以此來(lái)減少配筋的使用。工程施工規(guī)定，現(xiàn)澆框架支座的彎矩調(diào)幅系數(shù)應(yīng)該控制在0.8～0.9，采用裝配整體式框架結(jié)構(gòu)，調(diào)幅系數(shù)應(yīng)控制在0.7～0.8。同時(shí)要求只能對(duì)豎向荷載作用產(chǎn)生的梁端彎矩進(jìn)行調(diào)幅，不得調(diào)幅水平荷載作用產(chǎn)生的梁端彎矩，設(shè)計(jì)人員可在配筋計(jì)算過(guò)程中對(duì)內(nèi)力設(shè)計(jì)值進(jìn)行適當(dāng)調(diào)幅，具體操作過(guò)程應(yīng)先調(diào)幅豎向荷載產(chǎn)生的彎矩，之后再將其與水平荷載產(chǎn)生的彎矩進(jìn)行組合。

3.4 優(yōu)化細(xì)節(jié)處理措施

混凝土框架建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅要滿足地方的建設(shè)規(guī)定，其設(shè)計(jì)類(lèi)型、功能特征還要滿足工程建筑的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，特別是在實(shí)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，嚴(yán)禁出現(xiàn)違反設(shè)計(jì)規(guī)定的相關(guān)設(shè)計(jì)?；炷量蚣芙Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性直接影響著房屋的質(zhì)量和使用壽命。對(duì)于建筑物的防震能力來(lái)說(shuō)，建筑物的布置和樓層一定程度上也會(huì)影響到建筑的防震作用，而混凝土施工建設(shè)的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)則能夠有效降低因震動(dòng)而給建筑物帶來(lái)的損壞。因此設(shè)計(jì)人員要嚴(yán)格落實(shí)建筑抗震構(gòu)造的具體措施，明確結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的重難點(diǎn)工作和注意事項(xiàng)，以此來(lái)提高建筑結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性[7]。

針對(duì)框架梁截面等方面的問(wèn)題，要從實(shí)際情況出發(fā)，采用相應(yīng)的對(duì)策做好設(shè)計(jì)調(diào)整。以構(gòu)件最小配筋率驗(yàn)算這一環(huán)節(jié)為例，其主要目的是防止構(gòu)建發(fā)生少筋破壞等問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員要基于影響最小配筋率的各類(lèi)因素做好分析調(diào)整。此外，如果建筑結(jié)構(gòu)布局存在不合理現(xiàn)象時(shí)，設(shè)計(jì)人員要及時(shí)進(jìn)行干預(yù)和制止，針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行科學(xué)化的調(diào)整和改變，并制定切實(shí)有效的措施重新進(jìn)行調(diào)整安排。

3.5 落實(shí)各項(xiàng)注意事項(xiàng)

社會(huì)在發(fā)展，人類(lèi)對(duì)于自然資源的開(kāi)發(fā)利用建設(shè)也已經(jīng)進(jìn)入了新階段，但有關(guān)自然災(zāi)害的發(fā)生概率卻大有逐漸升高的趨勢(shì)。對(duì)應(yīng)到建筑施工行業(yè)之中，需要重點(diǎn)關(guān)注對(duì)于地震或區(qū)域性大規(guī)模降水等自然災(zāi)害的研究預(yù)警工作。目前，有關(guān)機(jī)構(gòu)正在積極開(kāi)展這方面的研究實(shí)踐，但由于涉及面較廣，因此各方面的細(xì)節(jié)工作仍舊處于需要進(jìn)一步完善的階段。對(duì)應(yīng)建筑混凝土框架的設(shè)計(jì)工作，需要注意通過(guò)設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)方法的優(yōu)化調(diào)整來(lái)提升其抗震性能，從而保障建筑工程的施工質(zhì)量以及使用性能。例如在條件允許的情況下，可以通過(guò)采用預(yù)應(yīng)力加固的方式提升混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而達(dá)到減小原有設(shè)計(jì)模式之下混凝土框架結(jié)構(gòu)存在的風(fēng)險(xiǎn)隱患的目的。以受拉區(qū)承載力不足而造成的框架結(jié)構(gòu)損壞問(wèn)題為例，具體示意圖如圖2所示。主要表現(xiàn)為受拉區(qū)鋼筋承載力不足而導(dǎo)致的延性破壞、受拉區(qū)裂縫寬度過(guò)大或梁整體撓度過(guò)大。建議采用擴(kuò)大鋼筋截面、受拉區(qū)粘貼鋼板或是預(yù)應(yīng)力加固法。

圖2 受拉區(qū)承載力不足而造成的破壞問(wèn)題

4 結(jié)語(yǔ)

混凝土框架結(jié)構(gòu)雖然并不復(fù)雜，但在實(shí)際施工過(guò)程中卻容易出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題，不僅影響著建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，對(duì)建筑工程的后續(xù)施工和工程質(zhì)量都有著直接影響。因此，設(shè)計(jì)人員要嚴(yán)格對(duì)照國(guó)家建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)落實(shí)設(shè)計(jì)工作，從實(shí)際情況入手，采取有效手段規(guī)避上述問(wèn)題的發(fā)生，以達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。