論建筑框架結構設計及計算

【摘 要】建筑框架結構設計是結構設計中較為基礎的設計．也是建筑結構設計中較為重要的一種形式。本文作者對框架結構設計及問題處理措施進行了分析。供同行參考與借鑒。

【關鍵詞】建筑框架構造；應用要素；平面布置設計；計算；判斷；問題處理措施

1 建筑框架結構體系的五大應用要素

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。

1.2 考慮建筑高度和高寬比、抗震設防類別、抗震設防烈度、場地條件等因素。

1.3 框架結構體系是介于砌體結構與框架-剪力墻結構之間的可選結構體系。框架結構設計應符合安全適用、技術先進、經濟合理、方便施工的原則（結構設計原則）。

1.4 非抗震設計時用于多層及高層建筑。抗震設計時一般情況下框架結構多用多層及小高層建筑（7度區以下）。

1.5 框架結構由于其抗側剛度較差，因此在地震區不宜設計較高的框架結構。在7度（0.15g）設防區，對于一般民用建筑，層數不宜超過7層，總高度不宜超過28米。在8度（0.3g）設防區，層數不宜超過5層，總高度不宜超過20米。超過以上數據時雖然計算指標均滿足規范要求，但是不經濟。

2 框架結構平面及豎向布置設計

2.1 為了保證框架結構的抗震安全，結構應具有必要的承載力、剛度、穩定性、延性及耗能等性能。設計中應合理地布置抗側力構件，減少地震作用下的扭轉效應；平面布置宜規則、對稱，并應具有良好的整體性；結構的側向剛度宜均勻變化，豎向抗側力構件的截面尺寸和材料強度宜自下而上逐漸減小（不應在同一層同時改變構件的截面尺寸和材料強度），避免抗側力結構的側向剛度和承載力突變。

2.2 框架結構宜設計成雙向梁柱剛架體系以承受縱橫兩個方向的地震作用或風荷載。特殊情況下也可以采用一向為剛架，另一向為鉸接排架的結構體系。但在鉸接排架方向應設置支撐或抗震墻，以保證結構的承載力、剛度和穩定。

2.3 抗震設計的框架結構，不宜采用單跨框架。如果不可避免的話，可設計為框架-剪力墻結構，多層建筑也可僅在單跨方向設置剪力墻。后者框架結構部分的抗震等級應按框架結構選用，而剪力墻部分的抗震等級應按框架-剪力墻結構選用。

2.4 框架結構按抗震設計時，不應采用部分由砌體墻承重之混合形式。框架結構中的樓、電梯間及局部出屋頂的電梯機房、樓梯間、水箱間等，應采用框架承重，不應采用砌體墻承重。

2.5 小高層結構體系采用框架結構，首先盡可能將過于狹長的結構用伸縮縫脫開。如果建筑專業不允許，可通過加大端部開間的抗側剛度達到限制結構扭轉效應的目的。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。這些方法可以顯著增加結構的抗扭剛度。

3 計算分析和判斷

3.1 合理性的判斷

3.1.1 自振周期：

正常情況下，非耦聯計算地震作用時，框架結構基本自振周期:T1=(0.12～0.15)N(N為結構計算層數)。如果計算周期偏離上述值太遠，應當考慮本工程剛度是否合適，必要時調整結構截面尺寸。如果結構截面尺寸和布置正常，無特殊情況而計算周期相差太遠，應檢查輸入數據有無錯誤，震動模型有無異常等。

自振周期應盡可能避開場地土卓越周期，否則會發生類共振。場地土卓越周期是根據覆蓋層厚度H和土層剪切波速νs按公式T0=4H/νs計算的周期。塘沽地區場地土的自振周期為0.8～1.0s。1976年唐山地震中7～10層框架結構（自振周期為0.6～1.0s）破壞非常嚴中，許多甚至一塌到底。而3～5層的混合結構住宅（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，由于共振作用會使震害更加嚴重。

研究表明，由于土在地震時的應力應變關系為非線性的，在同一地點，地震時場地的卓越周期并不是不變的，而將因震級大小、震源機制、震中距離的變化而不同。

抗規GB50011不要求結構自振周期避開場地卓越周期。事實上，多自由度結構體系具有多個自振周期，不可能完全避開場地卓越周期。

3.1.2 振型：

正常計算結果的振型曲線多為連續光滑曲線，當沿豎向有非常明顯的剛度和質量突變時振型曲線可能有不光滑的畸變點。框架結構的基本振型為剪切型。

3.1.3 位移：

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

3.2 漸變性的判斷

豎向剛度、質量變化較均勻的結構，在較均勻變化的外力作用下，其內力、位移等計算結果自上而下也應均勻變化，不應有較大的突變，否則應檢查結構截面尺寸或輸入數據是否正確、合理。

3.3 平衡性的判斷

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

4 產生問題的處理措施

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，扭轉效應對內力影響較大且受力復雜等，抗震設計中對其抗震措施和抗震構造措施有一些專門的要求。

4.2 梁的撓度、裂縫寬度較大

當梁的撓度不滿足規范要求時，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。

當梁的裂縫寬度不滿足規范要求時，首先在保證鋼筋面積不變的情況下鋼筋根數增加而直徑減小，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，有無抗震設計均不考慮延性，梁端箍筋不加密，其箍筋按內力計算確定，不要求135度彎鉤及10倍直徑直段。當利用程序自動形成施工圖時應選擇非抗震計算。

4.4 框架柱混凝土等級高而梁板混凝土等級低時的處理方法

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

在柱采用高強混凝土之后，梁柱節點區不宜如圖5 . 3 . 18 一1 所示，局部做高強混凝土，而宜與樓板（包括梁）采用同一強度，同時澆搗。此時樓板混凝土與柱混凝土之強度級差，可以放大，例如樓板用C30 ，柱子用C60 ，然后再對梁柱節點區之強度（包括抗剪與抗豎向荷載）進行核算，此時節點區之混凝土強度可以按提高后之“折算強度”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，有如下幾個問題：

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

（2）節點處所用之少量混凝土，理當隨攪拌隨澆注，但實際上工地常一次攪拌多量之混凝土，再逐個節點使用，在澆注到最后幾個節點時，混凝土的初凝時間可能已經超過。

4.5 關于梁柱中心線不重合時的處理方法

《抗規》第6.1.5條規定“框架結構和框架-抗震墻結構中，框架和抗震墻均應雙向設置，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》第6.1.3條“……非抗震設計和6～8度抗震設計時不宜大于柱截面在該方向寬度的1/4，如偏心距大于該方向柱寬的1/4時，可采取增設水平加腋等措施。……”。

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范基本要求，又要考慮其經濟性。例如框架梁混凝土，選用C20和C40都滿足規范要求。但是選用C20時比較經濟。異型柱結構的柱縱筋往往只是構造要求，選用HRB335已滿足要求。這種情況下如果選用HRB400則不經濟。