多層框架房屋建筑結構設計問題探討

徐興培

摘要：隨著我國建筑行業的不斷發展，對多層框架房屋建筑結構的設計提出了更高的要求，在鋼筋混凝土建筑中，框架結構是一種常用的結構形式，具有傳力明確、結構布置靈活、抗震性和整體性好的優點，目前己被廣泛地應用于各類多層的工業與民用建筑中。本文主要分析了多層框架房屋建筑結構設計的研究現狀和計算方法，然后結合工程實例探討了多層框架房屋建筑結構的設計。

關鍵詞：多層框架；房屋建筑；結構設計

中圖分類號：TU318

文獻標識碼：B

文章編號：1674-3954（2013）21-0146-02

引言

由于框架結構具有空間大、平面布局靈活多樣的特點，滿足了人們不斷追求使用個性化的要求。因此，隨著社會的不斷發展和人們物質生活水平的提高，框架結構（住宅、公共建筑）將會得到較大發展。

1 多層框架房屋建筑結構設計研究現狀和優缺點分析

1.1 多層框架房屋建筑結構設計研究現狀

對于框架結構，在結構建筑特點方面：它是由鋼筋混凝土梁、柱、節點及基礎為主框，加上樓板、填充墻、屋蓋所組成的結構形式，樓板和橫梁連在一起，橫梁和柱通過節點連為一體，形成承重結構，將荷載傳至基礎，力的傳遞路線比較明確。對于整個房屋全部采用這種結構形式的稱為框架結構或純框架結構。框架可以是等跨或不等跨的，也可以是層高相同或不完全相同的，有時因房屋布局和空間使用要求等原因，也可能要在某層抽柱或某跨抽梁，形成缺梁、缺柱的框架。墻體是填充墻，僅起圍護和分隔作用，所以框架結構的最大特點是承重構件與圍護構件有明確分工，建筑物的內外墻處理十分靈活，應用范圍很廣，因此能為建筑提供靈活的使用空間。在結構受力性能方面：框架結構構件截面較小，因此框架結構的承載力和剛度都較低，它的受力特點類似于豎向懸臂剪切梁，樓層越高，水平位移越慢，高層框架在縱橫兩個方向都承受很大的水平力，所以框架結構屬于柔性結構，自振周期較長，地震反應較小，經過合理的結構設計可以具有較好的延性性能。

1.2 多層框架房屋建筑結構設計優缺點分析

1.2.1 鋼筋混凝土框架結構的主要優點

空間分隔靈活，自重輕，節省材料；具有可以較靈活地配合建筑平面布置的優點，利于安排需要較大空間的建筑結構；框架結構的梁、柱構件易于標準化、定型化，便于采用裝配整體式結構，以縮短施工工期；采用現澆混凝土框架時，結構的整體性、剛度較好，設計處理好也能達到較好的抗震效果，而且可以把梁或柱澆注成各種需要的截面形狀。

1.2.2 鋼筋混凝土框架結構的缺點

框架節點應力集中顯著，框架結構的側向剛度小，屬柔性結構框架，在強烈地震作用下，結構所產生水平位移較大，易造成嚴重的非結構性破壞，適用于非抗震設計；鋼材和水泥用量較大，構件的總數量多，吊裝次數多，接頭工作量大，工序多，浪費人力，施工受季節、環境影響較大；不適宜建造高層建筑。

2 多層框架房屋建筑計算方法

2.1 豎向荷載作用下內力計算

在內力計算中，在豎向荷載作用下框架結構的內力可用分層法、彎矩二次分配法等近似方法計算。分層法在分層計算時，將上、下柱遠端的彈性支承改為固定端，同時將除底層外的其他各層柱的線剛度乘以系數0.9，相應地柱的彎矩傳遞系數由1/2改為1/3，底層柱和各層梁的線剛度不變且其彎矩傳遞系數仍為1/2。彎矩二次分配法是先對各節點的不平衡彎矩都進行分配（其問不傳遞），然后對各桿件的遠端進行傳遞。分層法和彎矩二次分配法的計算精度較高，可用于工程設計。

2.2 水平荷載作用下內力計算

水平荷載作用下框架結構內力可用D值法、反彎點法等簡化方法計算。其中D值法的計算精度較高，當梁、柱線剛度比大于3時，反彎點法也有較好的計算精度。D值是框架結構層問柱產生單位相對側移所需施加的水平剪力（如圖1為某工程剪力示意圖），可用于框架結構的側移計算和各柱問的剪力分配。D值是在考慮框架梁為有限剛度、梁柱節點有轉動的前提下得到的，故比較接近實際情況。影響柱反彎點高度的主要因素是柱上、下端的約束條件。柱兩端的約束剛度不同，相應的柱端轉角也不相等，反彎點向轉角較大的一端移動，即向約束剛度較小的一端移動。D值法中柱的反彎點位置就是根據這種規律確定的。

在水平荷載作用下，框架結構各層產生層問剪力和傾覆力矩。層問剪力使梁、柱產生彎曲變形，引起的框架結構側移曲線具有整體剪切型變形特點；傾覆力矩使框架柱（尤其是邊柱）產生軸向拉、壓變形，引起的框架結構側移曲線具有整體彎曲型變形特點。當框架結構房屋較高或其高寬比較大時，宜考慮柱軸向變形對框架結構側移的影響。

2.3 軟件輔助計算

在手算前，用PKPM對初選方案進行結構剛度、效應分析、桿件內力標準值的計算，基本掌握模型建立、荷載輸入、參數確定、整體計算、結果分析等各重要環節。如若電算通過，則繼續進行手算；若不通過，則應變換截面尺寸，直至電算通過。此外，還可利用SAP2000等數值分析軟件，對設計方案進行建模模擬，驗算內力、變形等。

3 多層框架房屋建筑結構設計實例分析

3.1 多層框架房屋建設結構設計原始資料

某辦公樓建筑，室外氣溫：年平均氣溫最冷月份-20℃，年平均氣溫最高月份25℃凍土深度：最大凍土深度為1.2m基本雪壓：0.40kN/m²；基本風壓：0.25kN/m²；地質資料：20m以上為輕亞粘土，f=210kPa，地下水位深18m。抗震設防烈度為Ⅶ度，設計基本地震加速度值為0.10g，場地設計分組為第三組，場地土類型為Ⅱ類。地面粗糙度類別C類。建筑場地：70m×40m。

提供的建筑材料：鋼筋：HPB300級，HRB335級，HRB400-HRB500級。混凝土：C30～C40。砌體（填充墻）：加氣砌塊、空心砌塊，強度等級≥MU7.5（加氣砌塊、空心砌塊容重不大于8kN/m³），采用M7.5混合砂漿砌筑。焊條：HPB300級（φ）級鋼筋用E43××焊條，HRB335級（φ）級鋼筋用E50××焊條。

3.2 多層框架房屋建筑物組成及功能要求

辦公大樓擬建6層總建筑面積3000～5000m²左右。其中辦公室：35～45m²左右，50個左右；會議室：80～90m²左右，2個，分布在上部。設電梯一部，入口門庭兩層通高。要求采用框架結構，建筑設計要求有標志性并體現時代氣息。建筑物防火等級為二級。

3.3 多層框架房屋建筑結構設計步驟

3.3.1 建筑設計部分

平面設計：合理確定平面柱網尺寸；布置房間；確定樓（電）梯數量、位置及形式；滿足室內采光、通風要求。剖面設計：確定合理層高；給出樓（地）面、屋面、墻身工程做法。立面設計：建筑風格、造型應富有創意，有時代感。要求完成的建筑施工圖有：首層平面圖（1：100）；標準層平面圖（1：100）；建筑詳圖（1：50或1：25）；立面圖（1：100或1：50）：正立面、側立面；剖面圖（1：100或1：50，剖切位置必須在樓梯部位）；建筑設計說明書（在建筑設計說明中，應說明自己所選取的方案的設計意圖，注意從平、立、剖等方面分別說明）。

3.3.2 結構設計部分

結構選型：根據建筑設計方案及設計原始資料，選擇適當的結構體系。結構布置：確定柱在平面上的排列方式，一般柱網有內廊式和等跨式兩種，選擇承重方案，框架結構的平面布置形式非常的靈活，框架結構按照承重方式的不同分為三類：橫向框架承重方案；縱向框架承重方案；縱橫向框架混合承重方案。合理布置結構構件，初步確定材料強度等級及構件截面尺寸。要確定構件的截面尺寸，只能先估算，等構件的內力和結構的變形計算好后，如果估算的截面尺寸符合要求，便以估算的截面尺寸作為框架的最終截面尺寸。如果所需的截面尺寸與估算的截面尺寸相差很大，則要重新估算和重新進行計算。結構內力分析及構件設計：根據現行國家設計規范，計算結構荷載及地震作用；手算完成結構一個主軸方向的內力分析，進行框架梁、柱、的內力組合，完成構件截面設計；同時，可采用工程設計軟件PKPM計算結構內力及配筋（如圖2為某工程衛生問處錯誤配筋圖和衛生問處正確配筋圖），并與手算結果進行對比分析。完成樓梯的計算和配筋，完成板的配筋計算。繪制結構施工圖。

4 結束語

總之，結構設計中經常會遇到一些規范或規程未論及的問題，這就需要設計人員積累經驗，利用正確的概念進行設計。鑒于多層框架房屋建設對于我國建筑行業發展的重要性，因此，本文研究這個課題具有非常重要的現實意義。

參考文獻

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