簡(jiǎn)述PKPM 框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張迎春

(中鐵二十局集團(tuán)第六工程公司，陜西西安 710016)

1 框架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

一般用于多層結(jié)構(gòu)及小高層結(jié)構(gòu)，適用高度范圍一般為60.0 m以下(6 度設(shè)防)，高寬比6 ～2，見《高規(guī)》4.2.2 條、4.2.3 條。

2 工程概況

本工程為鋼筋混凝土框架辦公樓，地上12層＞10層、檐口標(biāo)高29.700 m＞28 m為高層建筑，包括兩層裝飾層，無地下室，抗震設(shè)防烈度7度(0.1g)，A級(jí)高度鋼筋混凝土高層建筑。檐口標(biāo)高29.700 m ＜55 m，高寬比 =29.7/11.9=2.5 ＜4，符合設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)年限50年，建筑物重要性類別為二類，安全等級(jí)二級(jí)，框架抗震等級(jí)三級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)為四級(jí)，基礎(chǔ)類別為柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，樓梯為雙跑鋼筋混凝土樓梯，采用鋼筋混凝土剪力墻電梯井井下獨(dú)立筏板。修正后的基本風(fēng)壓0.45 kN/m2，地面粗糙度類別B類。

3 建立全樓結(jié)構(gòu)模型并校核

根據(jù)以上信息采用PKPM進(jìn)行計(jì)算。用PMCAD建立全樓結(jié)構(gòu)模型，完成各層樓板樓面的詳細(xì)布置，生成荷載信息。步驟:1)軸線輸入。2)網(wǎng)格生成。3)構(gòu)件定義。4)樓層定義。坡屋面設(shè)屋脊為上節(jié)點(diǎn)標(biāo)高。5)本層信息。6)荷載定義，恒載是考慮板自重的恒荷載的標(biāo)準(zhǔn)值，不做結(jié)構(gòu)計(jì)算用的填充墻，應(yīng)折算成梁間均布線載輸入直接加到所作用的結(jié)構(gòu)構(gòu)件上。樓梯間開大洞，人工把荷載導(dǎo)算后加到周圍的梁、墻上去或者樓梯間板厚設(shè)為0，再設(shè)定倒荷方式與平均面荷載。7)樓層組裝。8)設(shè)計(jì)參數(shù)。9)保存文件。10)平面荷載顯示校核。11)生成板圖。

4 計(jì)算及參數(shù)說明

1)接PMCAD補(bǔ)充輸入、生成SATWE數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)檢查及計(jì)算。2)結(jié)構(gòu)內(nèi)力，配筋計(jì)算。3)選擇總剛分析方法。4)鋼筋混凝土構(gòu)件表面抹灰時(shí)，容重取28 kN/m3。5)修正后的基本風(fēng)壓選50年一遇的風(fēng)壓采用，但應(yīng)不小于0.3 kN/m2。6)地震信息中高層建筑應(yīng)選考慮偶然偏心和考慮雙向地震作用。7)周期折減系數(shù)取0.7。8)調(diào)整信息中梁端負(fù)彎矩調(diào)幅系數(shù)取0.85，見《高規(guī)》5.2.3 條。9)剪力墻加強(qiáng)區(qū)的高度見《高規(guī)》7.1.9 條、10.2.4 條。10)0.2Q0見《高規(guī)》10.2.7條。11)梁柱重疊部分不簡(jiǎn)化為剛域，這樣就不降低梁的內(nèi)力。

5 程序計(jì)算結(jié)果

1)軸壓比限值為0.6＜0.80。2)由于框架柱作為唯一的抗水平力構(gòu)件，此結(jié)構(gòu)在水平荷載(風(fēng)荷載及地震荷載)的作用下，水平位移及層間位移為最大，層間位移角為1/1 329＜Δμ/h=1/550。

6 框架結(jié)構(gòu)布置的原則

框架結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)成雙向梁柱抗側(cè)力體系，主體結(jié)構(gòu)除個(gè)別部位外，不應(yīng)采用鉸接。框架結(jié)構(gòu)平面布置的平面形狀簡(jiǎn)單、規(guī)則，剛度和承載力分布均勻。框架梁柱中心易重合，柱網(wǎng)的開間與進(jìn)深，應(yīng)根據(jù)建筑使用功能要求，結(jié)合受力的合理性、方便施工、經(jīng)濟(jì)等因素確定。框架豎向布置規(guī)則、均勻，柱子布置應(yīng)均勻、對(duì)稱、連續(xù)，同層各柱截面尺寸宜相同，避免短柱，應(yīng)使各柱抗側(cè)力剛度大致相同。上下柱截面中心對(duì)齊。

7 框架梁截面尺寸

1)應(yīng)根據(jù)承受的豎向荷載大小、跨度、抗震設(shè)防烈度、混凝土強(qiáng)度等級(jí)等因素綜合考慮確定。2)在一般荷載情況下，框架梁截面高度h可按計(jì)算跨度的1/18～1/10，且不小于400 mm，也不大于1/4的凈跨。3)梁寬b不宜小于1/4h，且不小于200 mm。4)當(dāng)梁高度較小時(shí)，除驗(yàn)算承載力外，尚應(yīng)注意滿足剛度及剪壓比的要求。5)在計(jì)算梁的撓度時(shí)，可扣除施工的合理起拱值。6)對(duì)現(xiàn)澆梁板宜考慮梁受壓翼緣的有利影響。

8 框架柱截面尺寸

1)可根據(jù)柱間支撐的樓層面積計(jì)算由豎向荷載產(chǎn)生的軸力設(shè)計(jì)值Nv(荷載分項(xiàng)系數(shù)可取1.25)。

2)可按以下公式估算柱截面面積Ac，然后再確定柱邊長(zhǎng)。a.非抗震設(shè)計(jì)時(shí):N=(1.25 ～1.2)Nv，Ac≥(N/fc)。b.抗震設(shè)計(jì)時(shí):N= ζNv，Ac≥(N/μN(yùn)fc)，增大系數(shù) ζ，框架結(jié)構(gòu)外柱取 1.3，不等跨內(nèi)柱取1.25，等跨內(nèi)柱取1.2，軸壓比限值 μN(yùn)見《高規(guī)》6.4.2 條。c.柱截面尺寸非抗震時(shí)不宜小于250 mm，抗震設(shè)計(jì)時(shí)不宜小于300 mm，圓形柱子直徑不宜小于350 mm。d.柱子高寬比不宜大于3。e.柱子剪跨比不宜小于2，并且受剪截面滿足見《高規(guī)》6.2.6條。f.當(dāng)框架柱所受彎矩較大時(shí)，還應(yīng)根據(jù)彎矩確定柱截面尺寸。g.現(xiàn)澆框架柱混凝土的等級(jí)，見《高規(guī)》6.1.8 條，6.1.9 條。

9 框架的水平荷載

1)風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式為:WK= βzμsμZW0，見《高規(guī)》3.2.1 條，框架結(jié)構(gòu) T=(0.08～1.00)N，其中，N為結(jié)構(gòu)層數(shù)，見《高規(guī)》3.2.6 條。

2)地震作用:a.各抗震設(shè)防類別的高層建筑地震作用的計(jì)算，甲類、乙類、丙類建筑抗震設(shè)防烈度計(jì)算見《高規(guī)》3.3.1條、4.8.1條，《抗規(guī)》3.1.3 條。b.計(jì)算方法采用振型分解反應(yīng)譜法、底部剪力法、彈性時(shí)程分析法，見《高規(guī)》3.3.4條。c.豎向地震作用:按公式《高規(guī)》(3.3.14-1～4)計(jì)算，并宜乘以 1.5的放大系數(shù)。對(duì)于豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)的薄弱層，尚應(yīng)乘以1.15的增大系數(shù)。d.0.2Q0調(diào)整:《抗規(guī)》6.2.13 條，《高規(guī)》8.1.4 條。e.邊榀地震作用效應(yīng)調(diào)整:《抗規(guī)》5.2.3 條。f.《高規(guī)》5.1.14 條規(guī)定薄弱層的措施。g.豎向不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu):《抗規(guī)》3.4.3條。h.轉(zhuǎn)換梁地震作用下的內(nèi)力調(diào)整見《高規(guī)》10.2.6條規(guī)定。

10 作用效應(yīng)組合

基本公式非抗震設(shè)計(jì)時(shí)由可變荷載控制的組合:S=γGSGK+γQ1SQ1K+∑γQiΨQiSQiK，非抗震設(shè)計(jì)時(shí)由永久荷載控制的組合S= γGSGK+ ∑γQiΨQiSQiK，抗震設(shè)計(jì)時(shí)的組合 S = γGSGE+γEhSEhK+ γEVSEVK+ ΨWγWSWK，系數(shù):見《荷載規(guī)范》3.2.5條，《高規(guī)》5.6.2，5.6.4 條，《抗規(guī)》5.1.3 條。

11 設(shè)計(jì)內(nèi)力調(diào)整

梁設(shè)計(jì)剪力調(diào)整:《抗規(guī)》第 6.2.4 條和《高規(guī)》第 6.2.5，7.2.22條規(guī)定，抗震設(shè)計(jì)時(shí)，特一，一，二，三級(jí)的框架梁和抗震墻中跨高比大于2.5的連梁，其梁端截面組合的設(shè)計(jì)剪力值應(yīng)調(diào)整。柱設(shè)計(jì)內(nèi)力調(diào)整:為了體現(xiàn)抗震設(shè)計(jì)中強(qiáng)柱弱梁概念設(shè)計(jì)的要求，《抗規(guī)》第6.2.2，6.2.3，6.2.6，6.2.10 條和《高規(guī)》第4.9.2，6.2.1，6.2.4，6.2.6 條規(guī)定抗震設(shè)計(jì)時(shí)，特一，一，二，三級(jí)的框架柱、框架結(jié)構(gòu)的底層柱下端截面、角柱、框支柱的組合設(shè)計(jì)內(nèi)力值應(yīng)調(diào)整。

12 結(jié)構(gòu)整體性能控制合理性指標(biāo)

1)柱軸壓比計(jì)算。

柱軸壓比指柱考慮地震作用組合的軸壓力設(shè)計(jì)值與柱的全截面面積和混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘積之比。非抗震計(jì)算的結(jié)構(gòu)，取無地震作用組合的軸壓力設(shè)計(jì)值，主要控制豎向構(gòu)件的延性。見《抗規(guī)》6.3.7條、《高規(guī)》6.4.2條和《混凝土規(guī)范》11.4.16 條，《高規(guī)》8.1.3 條。

2)剪重比控制。

剪重比指結(jié)構(gòu)任意樓層的水平地震剪力與該層及其上各層總重力荷載代表值的比，一般是指底層水平剪力與結(jié)構(gòu)總重力荷載代表值的比，是最小地震剪力調(diào)整。它反映結(jié)構(gòu)的剛?cè)岢潭龋姟陡咭?guī)》3.3.13 條。

3)位移控制。

位移比是反映結(jié)構(gòu)平面規(guī)則與否的重要依據(jù)，同時(shí)也反映了結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件布置的合理性和有效性。它側(cè)重控制結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度之間的一種相對(duì)關(guān)系。在考慮偶然偏心影響的地震作用下，層間位移限值見《高規(guī)》4.6.3條。

4)周期比。

它反映結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度與側(cè)向剛度之間的一種相對(duì)關(guān)系，同時(shí)也反映了結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件布置的合理性和有效性。主要控制結(jié)構(gòu)在地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。《高規(guī)》第4.3.5條規(guī)定周期比不應(yīng)大于 0.9。

5)剛度比。

剛度比主要控制結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，防止結(jié)構(gòu)產(chǎn)生滑移和傾覆，也是重力二階效應(yīng)的主要參數(shù)。為了保證結(jié)構(gòu)豎向剛度變化的均勻性，防止出現(xiàn)剛度突變的情況。它是衡量結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則與否的重要標(biāo)志，見《高規(guī)》第5.4.1，5.4.4 條。

13 梁、柱、墻配筋計(jì)算

框架梁抗震設(shè)計(jì)時(shí)梁端縱向受拉鋼筋的配筋見《高規(guī)》6.3.2，6.3.3，6.3.4，6.3.5 條。

中柱、邊柱縱向鋼筋最小配筋率二級(jí)為0.8%，見《高規(guī)》6.4.3 條，柱箍筋加密區(qū)見《高規(guī)》6.4.6 條，柱箍筋加密區(qū)箍筋的體積配箍率 ρv=0.17fc/fyv≥0.6%，見《高規(guī)》6.4.7 條。鋼筋錨固見《高規(guī)》6.5.3 條。

14 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

1)地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)包括基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和地基設(shè)計(jì)兩部分。基礎(chǔ)設(shè)計(jì):基礎(chǔ)的形式選擇、基礎(chǔ)埋深、基礎(chǔ)底面大小的確定、基礎(chǔ)內(nèi)力和斷面計(jì)算等。地基設(shè)計(jì):地基土承載力的確定、地基變形計(jì)算、地基穩(wěn)定性計(jì)算等。如果承載力不足和壓縮性很大而不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)要進(jìn)行地基處理。

2)基礎(chǔ)分類包括天然地基上的淺基礎(chǔ)、人工處理后的淺基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、深基礎(chǔ)。

3)淺基礎(chǔ)設(shè)計(jì):a.選擇基礎(chǔ)的材料、類型和平面布置。b.確定地基持力層和基礎(chǔ)埋深。c.確定地基承載力。d.確定基礎(chǔ)尺寸。e.必要時(shí)進(jìn)行地基變形和穩(wěn)定性驗(yàn)算。f.繪制基礎(chǔ)施工圖和施工說明。

4)本工程基礎(chǔ)落在粉質(zhì)粘土層上fk=160 kPa。混凝土墊層C15，基礎(chǔ)及連梁C25;環(huán)境類別為Ⅱb。基礎(chǔ)施工圖見圖1。

圖1 基礎(chǔ)平面圖

15 結(jié)語

框架結(jié)構(gòu)布置靈活，具有較大的空間，使用較為方便。本篇設(shè)計(jì)的A級(jí)高度框架結(jié)構(gòu)。PMCAD建立全樓結(jié)構(gòu)模型、生成SATWE數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)檢查及計(jì)算、繪制施工圖。強(qiáng)調(diào)了“強(qiáng)柱弱梁”“強(qiáng)剪弱彎”“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”“強(qiáng)錨固”。混凝土柱要求設(shè)計(jì)成大偏壓。主要介紹框架的風(fēng)壓、地震作用等水平荷載和結(jié)構(gòu)整體性能控制合理性指標(biāo)。

［1］建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)實(shí)例［Z］.

［2］框架結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)實(shí)例［Z］.