鋼筋混凝土框架結構設計問題的思考
發布時間：2010-01-14 共1頁
1.前言
20世紀90年代以后，隨著我國鋼材量的不斷提高，鋼一混凝土組合結構在建筑行業得到了迅速發展，隨著建筑造型和建筑功能要求日趨多樣化，無論是工業建筑還是民用建筑，在結構設計中遇到的各種難題也日益增多，因而作為一個結構設計者需要在遵循各種規范下膽靈活的解決一些結構方案上的難點、重點。
2.框架結構方案構思時應考慮以下幾點
1.結構的傳力路線應簡捷明了。在荷載作用下，結構的傳力路線越短、越直接，結構的工作效能越高，‘所耗費的建材也就越少。
2.從力學觀點看，在民用和公共建筑的平面布局中，應當盡量使柱網按開間等跨和進深等距（或近似于等距）布置，這樣可以相應減少邊跨柱距，也可以充分利用連續梁的受力特點以減少結構中的彎距，可以使各跨梁截面趨于一致，而提高結構的整體剛度。
3.結構方案還應結合工程地質情況和建筑功能要求綜合考慮。
3.應從概念設計上著手注意幾個問題
1.關于強柱弱梁節點。這是為了實現在罕遇地震作用下，讓梁端形成塑形鉸，柱端處于非彈性工作狀態，而沒有屈服，但節點還處于彈性工作階段。強柱弱梁措施的強弱，也就是相對于梁端截面實際抗彎能力而言柱端截面抗彎能力增強幅度的小，是決定由強震引起柱端截面屈服后塑性轉動能否不超過其塑性轉動能力，而且不致形成“層側移機構”，從而使柱不被壓潰的關鍵控制措施。柱強于梁的幅度小取決于梁端縱筋不可避免的構造超配程度的小，以及結構在梁、柱端塑性鉸逐步形成過程中的塑性內力重分布和動力特征的相應變化。因此，當建筑許可時，盡可能將柱的截面尺寸做得些，使柱的線剛度與梁的線剛度的比值盡可能于1，并控制柱的軸壓比滿足規范要求，以增加延性。驗算截面承載力時，人為地將柱的設計彎距按強柱弱梁原則調整放，加強柱的配筋構造。梁端縱向受拉鋼筋的配筋不得過高，以免在罕遇地震中進入屈服階段不能形成塑性鉸或塑性鉸轉移到立柱上。注意節點構造，讓塑性鉸向梁跨內移。
2.關于“強剪弱彎”措施：強剪弱彎是保證構件延性，防止脆性破壞的重要原則，它要求人為加各承重構件相對于其抗彎能力的抗剪承載力，使這些部位在結構經歷罕遇地震的過程中以足夠的保證率不出現脆性剪切失效。對于框架結構中的框架梁應注意抗剪驗算和構造，使其滿足相關規范要求。
3.注意構造措施。①對于跨度柱網的框架結構，在樓梯間處的框架柱由于樓梯平臺梁與其相連，使得樓梯問處的柱可能成為短柱，應對柱箍筋全長加密。這一點，在設計中容易被忽視，應引起重視。②對框架結構外立面為帶形窗時，因設置連續的窗過梁，使外框架柱可能成為短柱，應注意加強構造措施。③對于框架結構長度略超過規范限值，建筑功能需要不允許留縫時，為減少有害裂縫（規范規定裂縫寬度小于0.3mm），建議采用補償混凝土澆筑。采用細而密的雙向配筋，構造間距宜小于150mm，對屋面宜設置后澆帶，后澆帶處按構造措施宜適當加強。④其它構造措施限于篇幅，這里不再贅述，請詳見新規范。
4.結構計算方面的問題
4.1計算簡圖的處理
結構計算中，計算簡圖選取的正確與否，直接影響到計算結果的準確性，其中比較典型的是基礎梁的處理。一般情況下，基礎梁設置在基礎高度范圍內，作為基礎的一部分，此時結構的底層計算高度應取基礎頂面至一層樓板頂面的高度。基礎梁僅考慮承擔上部墻體荷載，構造滿足普通梁的要求即可。當按規范要求需設置基礎拉梁時，其斷面和配筋可按構造設計，截面高度取柱中心距的1/12～1/18，縱向受力鋼筋取所連接的柱子的最軸力設計值的10％作為拉力來計算。但是，當基礎埋深過時，為了減少底層的計算高度和底層的位移，設計者往往在±0.000以下的某個適當位置設置基礎拉梁。此時，基礎拉梁應作為一層輸入，底層計算高度應取基礎頂面至基礎拉梁頂面的高度，二層計算高度應取基礎拉梁頂面至一層樓板頂面的高度。拉梁層無樓板，應開洞處理，并采用總剛分析方法進行計算。基礎拉梁截面及配筋按實際計算結果采用。若因此造成底層框架柱形成短柱，應采取構造措施予以加強。另一個需要注意的是，當框架結構的電梯井道采用鋼筋混凝土井壁時（設計時應盡量避免），計算簡圖一定要按實際情況輸入，否則可能會造成頂部框架柱設計不安全。
4.2結構計算參數的選取
（1）設計基本地震加速度值
《建筑抗震設計規范》（GB50011一2001）中規定：抗震設防烈度為7度時，設計基本地震加速度值分別為0.1g和0.15g兩種，抗震設防烈度為8度時，設計基本地震加速度值分別為O.2g和0.3g兩種，這與89規范差別較。計算中應嚴格注意地震區的劃分，選取正確的設計基本地震加速度值，這一項對地震作用效應的影響極。
（2）結構周期折減系數
框架結構由于填充墻的存在，使結構的實際剛度于計算剛度，計算周期于實際周期，因此，算出的地震作用效應偏小，使結構偏于不安全，因而對結構的計算周期進行折減是必要的。折減系數可根據填充墻的材料及數量選取0.7～0.9.
（3）梁剛度放系數
SATWE或TAT等計算軟件的梁輸入模型均為矩形截面，未考慮因存在樓板形成T型截面而引起的剛度增，造成結構的實際剛度于計算剛度，算出的地震剪力偏小，使結構偏于不安全。因此計算時應將梁剛度進行放，放系數中梁取2.0、邊梁取1.5為宜。
（4）活荷載的最不利布置
多層框架，尤其是活荷載較時，是否進行活荷的最不利布置對計算結果影響較。即使選用程序中給定的梁設計彎矩放系數，也不一定能反映出工程的實際受力情況，有可能造成結構不安全或過于保守。考慮目前的計算機計算速度都比較快，作者建議所有工程都應進行活荷載的最不利布置計算。
4.3獨立梁箍筋計算結果需復核
《混凝土結構設計規范》（GB50010-2002）中規定：對集中荷載作用下的獨立梁，應按公式進行計算，且集中荷載作用點至支座間的箍筋，應均勻配置。但SATWE軟件計算梁箍筋時，未考慮獨立梁這一情況，都按公式進行計算，有時會造成計算結果偏小，設計中若遇到有獨立梁存在的情況，應對梁箍筋的計算結果進行手算復核。
5.設計構造方面的問題
1.框架節點核芯區箍筋配置應滿足要求對于規范中規定的框架柱箍筋加密區的箍筋最小體積配箍率的要求，絕部分設計人員都能給予足夠的重視，但對于《建筑抗震設計規范》（GB50011-2001）中規定的“一、二、三級框架節點核芯區配箍特征值分別不宜小于0.12、0.10、0.08且體積配箍率分別不宜小于0.6％、0.5％，0.4％。”設計中經常被忽視，尤其是柱軸壓比不時，常常不滿足要求。這一規定是保證節點核芯區延性的重要構造措施，應嚴格遵守。
2.底層框架柱箍筋加密區范圍應滿足要求建筑抗震設計規范》（GB50011-2001）中規定：“底層柱，柱根處箍筋加密區范圍為不小于柱凈高的1/3”這是新增加的要求，設計中應重點說明
3.框架梁的縱向配筋率應注意
《建筑抗震設計規范》（GB50011一2001）中規定：“當框架梁梁端縱向受拉鋼筋配筋率于2%時，梁箍筋最小直徑的數值應比表6.3.3中規定的數值增2mm.”在目前設計中，這一規定常被忽視，造成梁端延性不足。
4.框架梁上部縱筋端部水平錨固長度應滿足要求
《混凝土結構設計規范》（GB50010-2002）中規定：“框架端節點處，當框架梁上都縱筋水平直線段錨固長度不足時，應伸至柱外邊并向下彎折，彎折前的水平投影長度不應小于0.4LaE.”當框架柱截面尺寸小于400×400mm時，應注意梁上部縱筋直徑的選擇，否則這一項要求不容易得到保證。
6.結束語
鋼筋混凝土框架結構雖然相對簡單，但設計中仍有很多需要注意的問題，只有熟練地掌握規范，并具有良好的結構概念，才能設計出既安全又經濟適用的優秀作品。
20世紀90年代以后，隨著我國鋼材量的不斷提高，鋼一混凝土組合結構在建筑行業得到了迅速發展，隨著建筑造型和建筑功能要求日趨多樣化，無論是工業建筑還是民用建筑，在結構設計中遇到的各種難題也日益增多，因而作為一個結構設計者需要在遵循各種規范下膽靈活的解決一些結構方案上的難點、重點。
2.框架結構方案構思時應考慮以下幾點
1.結構的傳力路線應簡捷明了。在荷載作用下，結構的傳力路線越短、越直接，結構的工作效能越高，‘所耗費的建材也就越少。
2.從力學觀點看，在民用和公共建筑的平面布局中，應當盡量使柱網按開間等跨和進深等距（或近似于等距）布置，這樣可以相應減少邊跨柱距，也可以充分利用連續梁的受力特點以減少結構中的彎距，可以使各跨梁截面趨于一致，而提高結構的整體剛度。
3.結構方案還應結合工程地質情況和建筑功能要求綜合考慮。
3.應從概念設計上著手注意幾個問題
1.關于強柱弱梁節點。這是為了實現在罕遇地震作用下，讓梁端形成塑形鉸，柱端處于非彈性工作狀態，而沒有屈服，但節點還處于彈性工作階段。強柱弱梁措施的強弱，也就是相對于梁端截面實際抗彎能力而言柱端截面抗彎能力增強幅度的小，是決定由強震引起柱端截面屈服后塑性轉動能否不超過其塑性轉動能力，而且不致形成“層側移機構”，從而使柱不被壓潰的關鍵控制措施。柱強于梁的幅度小取決于梁端縱筋不可避免的構造超配程度的小，以及結構在梁、柱端塑性鉸逐步形成過程中的塑性內力重分布和動力特征的相應變化。因此，當建筑許可時，盡可能將柱的截面尺寸做得些，使柱的線剛度與梁的線剛度的比值盡可能于1，并控制柱的軸壓比滿足規范要求，以增加延性。驗算截面承載力時，人為地將柱的設計彎距按強柱弱梁原則調整放，加強柱的配筋構造。梁端縱向受拉鋼筋的配筋不得過高，以免在罕遇地震中進入屈服階段不能形成塑性鉸或塑性鉸轉移到立柱上。注意節點構造，讓塑性鉸向梁跨內移。
2.關于“強剪弱彎”措施：強剪弱彎是保證構件延性，防止脆性破壞的重要原則，它要求人為加各承重構件相對于其抗彎能力的抗剪承載力，使這些部位在結構經歷罕遇地震的過程中以足夠的保證率不出現脆性剪切失效。對于框架結構中的框架梁應注意抗剪驗算和構造，使其滿足相關規范要求。
3.注意構造措施。①對于跨度柱網的框架結構，在樓梯間處的框架柱由于樓梯平臺梁與其相連，使得樓梯問處的柱可能成為短柱，應對柱箍筋全長加密。這一點，在設計中容易被忽視，應引起重視。②對框架結構外立面為帶形窗時，因設置連續的窗過梁，使外框架柱可能成為短柱，應注意加強構造措施。③對于框架結構長度略超過規范限值，建筑功能需要不允許留縫時，為減少有害裂縫（規范規定裂縫寬度小于0.3mm），建議采用補償混凝土澆筑。采用細而密的雙向配筋，構造間距宜小于150mm，對屋面宜設置后澆帶，后澆帶處按構造措施宜適當加強。④其它構造措施限于篇幅，這里不再贅述，請詳見新規范。
4.結構計算方面的問題
4.1計算簡圖的處理
結構計算中，計算簡圖選取的正確與否，直接影響到計算結果的準確性，其中比較典型的是基礎梁的處理。一般情況下，基礎梁設置在基礎高度范圍內，作為基礎的一部分，此時結構的底層計算高度應取基礎頂面至一層樓板頂面的高度。基礎梁僅考慮承擔上部墻體荷載，構造滿足普通梁的要求即可。當按規范要求需設置基礎拉梁時，其斷面和配筋可按構造設計，截面高度取柱中心距的1/12～1/18，縱向受力鋼筋取所連接的柱子的最軸力設計值的10％作為拉力來計算。但是，當基礎埋深過時，為了減少底層的計算高度和底層的位移，設計者往往在±0.000以下的某個適當位置設置基礎拉梁。此時，基礎拉梁應作為一層輸入，底層計算高度應取基礎頂面至基礎拉梁頂面的高度，二層計算高度應取基礎拉梁頂面至一層樓板頂面的高度。拉梁層無樓板，應開洞處理，并采用總剛分析方法進行計算。基礎拉梁截面及配筋按實際計算結果采用。若因此造成底層框架柱形成短柱，應采取構造措施予以加強。另一個需要注意的是，當框架結構的電梯井道采用鋼筋混凝土井壁時（設計時應盡量避免），計算簡圖一定要按實際情況輸入，否則可能會造成頂部框架柱設計不安全。
4.2結構計算參數的選取
（1）設計基本地震加速度值
《建筑抗震設計規范》（GB50011一2001）中規定：抗震設防烈度為7度時，設計基本地震加速度值分別為0.1g和0.15g兩種，抗震設防烈度為8度時，設計基本地震加速度值分別為O.2g和0.3g兩種，這與89規范差別較。計算中應嚴格注意地震區的劃分，選取正確的設計基本地震加速度值，這一項對地震作用效應的影響極。
（2）結構周期折減系數
框架結構由于填充墻的存在，使結構的實際剛度于計算剛度，計算周期于實際周期，因此，算出的地震作用效應偏小，使結構偏于不安全，因而對結構的計算周期進行折減是必要的。折減系數可根據填充墻的材料及數量選取0.7～0.9.
（3）梁剛度放系數
SATWE或TAT等計算軟件的梁輸入模型均為矩形截面，未考慮因存在樓板形成T型截面而引起的剛度增，造成結構的實際剛度于計算剛度，算出的地震剪力偏小，使結構偏于不安全。因此計算時應將梁剛度進行放，放系數中梁取2.0、邊梁取1.5為宜。
（4）活荷載的最不利布置
多層框架，尤其是活荷載較時，是否進行活荷的最不利布置對計算結果影響較。即使選用程序中給定的梁設計彎矩放系數，也不一定能反映出工程的實際受力情況，有可能造成結構不安全或過于保守。考慮目前的計算機計算速度都比較快，作者建議所有工程都應進行活荷載的最不利布置計算。
4.3獨立梁箍筋計算結果需復核
《混凝土結構設計規范》（GB50010-2002）中規定：對集中荷載作用下的獨立梁，應按公式進行計算，且集中荷載作用點至支座間的箍筋，應均勻配置。但SATWE軟件計算梁箍筋時，未考慮獨立梁這一情況，都按公式進行計算，有時會造成計算結果偏小，設計中若遇到有獨立梁存在的情況，應對梁箍筋的計算結果進行手算復核。
5.設計構造方面的問題
1.框架節點核芯區箍筋配置應滿足要求對于規范中規定的框架柱箍筋加密區的箍筋最小體積配箍率的要求，絕部分設計人員都能給予足夠的重視，但對于《建筑抗震設計規范》（GB50011-2001）中規定的“一、二、三級框架節點核芯區配箍特征值分別不宜小于0.12、0.10、0.08且體積配箍率分別不宜小于0.6％、0.5％，0.4％。”設計中經常被忽視，尤其是柱軸壓比不時，常常不滿足要求。這一規定是保證節點核芯區延性的重要構造措施，應嚴格遵守。
2.底層框架柱箍筋加密區范圍應滿足要求建筑抗震設計規范》（GB50011-2001）中規定：“底層柱，柱根處箍筋加密區范圍為不小于柱凈高的1/3”這是新增加的要求，設計中應重點說明
3.框架梁的縱向配筋率應注意
《建筑抗震設計規范》（GB50011一2001）中規定：“當框架梁梁端縱向受拉鋼筋配筋率于2%時，梁箍筋最小直徑的數值應比表6.3.3中規定的數值增2mm.”在目前設計中，這一規定常被忽視，造成梁端延性不足。
4.框架梁上部縱筋端部水平錨固長度應滿足要求
《混凝土結構設計規范》（GB50010-2002）中規定：“框架端節點處，當框架梁上都縱筋水平直線段錨固長度不足時，應伸至柱外邊并向下彎折，彎折前的水平投影長度不應小于0.4LaE.”當框架柱截面尺寸小于400×400mm時，應注意梁上部縱筋直徑的選擇，否則這一項要求不容易得到保證。
6.結束語
鋼筋混凝土框架結構雖然相對簡單，但設計中仍有很多需要注意的問題，只有熟練地掌握規范，并具有良好的結構概念，才能設計出既安全又經濟適用的優秀作品。
