談對建筑框架結(jié)構(gòu)設計的認識

趙雅梅

(陽泉市建筑設計院，山西陽泉 045000)

1 案例建筑工程框架結(jié)構(gòu)設計依據(jù)與原則

建筑工程框架結(jié)構(gòu)設計，要求在明確結(jié)構(gòu)安全等級、抗震標準、耐火等級等的基礎上，根據(jù)國家相關規(guī)范，確定框架設計的標準。

1.1 工程基本概況

案例工程為4層的框架結(jié)構(gòu)住宅樓，工程擬設計的抗震設防烈度為6度，其中框架梁和框架柱以Q235鋼作為主材料，樓屋面則以鋼板和現(xiàn)澆混凝土形成層高3 m、平均跨度6.4 m的組織框架結(jié)構(gòu)。據(jù)設計圖紙資料顯示，該建筑框架結(jié)構(gòu)至少能夠承受0.5 kN/m2的風壓和雪壓，樓層結(jié)構(gòu)的活荷載標準設計值為2.0 kN/m2。工程借助結(jié)構(gòu)設計軟件，在平面建模基礎上，計算出框架結(jié)構(gòu)的強度計算應力、平面內(nèi)外穩(wěn)定應力、上翼緣受拉時截面最大應力、下翼緣受拉時截面最大應力、剪應力等。

1.2 工程設計依據(jù)

基于案例工程基本概況，工程根據(jù)實際確定了框架結(jié)構(gòu)設計的依據(jù)內(nèi)容，大致為:1)規(guī)范文件。框架結(jié)構(gòu)設計以國家規(guī)范、現(xiàn)場勘察資料、業(yè)主提供設計意向書為規(guī)范文件，設計單位不得脫離這些規(guī)范文件基本要求范圍，并綜合工程現(xiàn)場的實際條件，結(jié)合現(xiàn)場情況展開設計工作。2)抗震條件。框架結(jié)構(gòu)的設計，抗震等級、抗震設防烈度、場地情況等，將結(jié)構(gòu)劃分為四級抗震等級的結(jié)構(gòu)類型，其中一級抗震等級要求最為嚴格，是框架結(jié)構(gòu)設計的核心內(nèi)容。3)場地條件。其中包括施工現(xiàn)場土體的類型和等級，以及是否存在地下水和地基土凍結(jié)深度等。案例工程以此在地基處理方案中明確了持力層和地耐力特征值，并對結(jié)構(gòu)混凝土的材料等級、強度等級和耐久性等做出了一系列的標準性規(guī)定。4)其他注意事項。影響框架結(jié)構(gòu)設計的因素，除了以上幾方面的設計依據(jù)內(nèi)容，材料性能水平高低、施工流程順暢與否、專業(yè)配合默契程度、施工質(zhì)量驗收等，都是設計時需要兼顧的注意事項，在設計工作開展時候，都需要加以考慮。

1.3 工程設計原則

案例工程框架結(jié)構(gòu)設計，基本原則可概括為計算性、全面性、預防性幾方面的基本原則，具體內(nèi)容為:

1)計算性原則。由于框架結(jié)構(gòu)設計涉及到抗震設防各種數(shù)據(jù)，無論是樓蓋的布置，還是場地土的改善，都需要對框架結(jié)構(gòu)相關的剛性數(shù)據(jù)、柔性數(shù)據(jù)等進行計算，譬如在設計抗震設防烈度8度剪力墻的時候，雙向梁柱剛接體系需要重點考慮垂直地震作用，因此從震害的視角分析，要通過縝密計算得出垂直作用力相關的數(shù)據(jù)，方可保證剪力墻滿足既定的抗震設防要求。

2)全面性原則。框架結(jié)構(gòu)設計具有復雜性的特征，涉及到框架梁、框架柱等設計內(nèi)容，因此在設計時需要對相對獨立的設計項進行統(tǒng)籌兼顧，譬如在設置大跨度雨棚時候，要根據(jù)梁中心線位置的負彎矩和跨度，考慮如何提高抗扭的水平，另外在設置框架梁和框架柱的時候，要根據(jù)梁截面的大小，對相應構(gòu)建的配筋率進行計算。

3)預防性原則。框架結(jié)構(gòu)設計的最終目的是提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，預防地震等對結(jié)構(gòu)的破壞，為此在設計框架結(jié)構(gòu)的時候，要考慮各種可能影響結(jié)構(gòu)剛度的因素，譬如電梯梯井設置剛度較大的混凝土墻，但其他位置不設置剪力墻，為滿足伸縮縫的要求，需要通過配筋率加大、架空層鋪設等方式，做出結(jié)構(gòu)預防性的合理布局。

2 案例建筑工程框架結(jié)構(gòu)設計的建議措施

基于對案例工程框架結(jié)構(gòu)設計依據(jù)和原則的了解，筆者認為該工程框架結(jié)構(gòu)設計，需要在進行縝密計算的基礎上，掌握結(jié)構(gòu)設計的基本數(shù)據(jù)，然后基于計算結(jié)果設計鋼筋混凝土的框架結(jié)構(gòu)，并利用復形狀法對框架結(jié)構(gòu)設計的結(jié)果進行優(yōu)化，具體建議措施如下。

2.1 結(jié)構(gòu)設計計算

工程框架結(jié)構(gòu)設計的計算，借助PKPM，TAM，SATWE軟件，計算框架結(jié)構(gòu)梁和結(jié)構(gòu)柱的強度、穩(wěn)定性、剛度等，計算內(nèi)容如下:

1)框架結(jié)構(gòu)抗彎強度計算。在明確同個截面位置兩軸彎矩的基礎上，根據(jù)軸線凈截面的模量、截面塑性發(fā)展系數(shù)、結(jié)構(gòu)抗彎強度設計值，計算出結(jié)構(gòu)的抗彎強度。

2)框架結(jié)構(gòu)抗剪強度計算。根據(jù)截面沿腹板平面作用的剪力、中和軸面積矩、毛截面慣性矩、腹板厚度、抗剪強度設計值，計算出結(jié)構(gòu)的抗剪強度。

3)框架結(jié)構(gòu)局部承壓力計算。根據(jù)局部集中荷載、集中荷載增大系數(shù)、集中荷載假定分布長度，計算出局部承壓力。

4)框架結(jié)構(gòu)折算應力計算。根據(jù)腹板同時產(chǎn)生的正應力、壓應力、剪應力，以及折算應力強度設計值的增大系數(shù)等，計算出結(jié)構(gòu)的折算應力。

5)框架結(jié)構(gòu)局部穩(wěn)定計算。一方面根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件翼緣板自由外伸寬度、厚度、屈服強度，計算出翼緣板的寬厚比，另一方面在配置加勁肋情況下，為維持腹板的穩(wěn)定性，可在不設置約束條件的前提下，對局部穩(wěn)定計算的結(jié)果進行優(yōu)化。

6)框架結(jié)構(gòu)剛度計算。在不兼顧荷載分項與動力系數(shù)的情況下，根據(jù)結(jié)構(gòu)荷載的標準值和框架結(jié)構(gòu)梁的容許撓度值，計算出框架結(jié)構(gòu)的剛度，但在計算過程中，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)力學的方法，以及借助力學軟件。

2.2 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設計

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是框架結(jié)構(gòu)的主要模式之一，以剛接方式，將框架結(jié)構(gòu)梁連接在一起，形成具有相當承重能力的建筑結(jié)構(gòu)體系。關于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的設計，具體方法為:

1)為保證結(jié)構(gòu)設計的效果符合預期需求，在設計之前，需要對設計圖紙文件進行全面了解，以規(guī)范設計工作流程的細節(jié)性內(nèi)容，形成具有較強可行性的設計方案。在了解設計方案意圖的時候，除了需要掌握圖紙每項設計內(nèi)容的細節(jié)，還要根據(jù)圖紙的要求，以會審的方式解決相關的設計問題，避免這些問題對結(jié)構(gòu)設計效果的影響。

2)由于承重體系是直接連接每一層的樓蓋和屋蓋，從而形成具有整體性功能的結(jié)構(gòu)體系，因此水平承重體系和豎向承重體系的形成，必須根據(jù)施工組織設計規(guī)程，根據(jù)樓蓋和屋蓋所傳遞的各種方向荷載，并掌握荷載對地基基礎的影響狀態(tài)。期間在對框架結(jié)構(gòu)設計交底的時候，一方面需要對施工工藝流程進行熟悉，尤其是新技術、新工藝和新材料，另一方面是結(jié)合各種施工工藝的技術指標，在設計方案當中融入工藝技術的質(zhì)量標準和檢驗方法，以便作為后期施工的參考依據(jù)。

3)案例工程的框架梁和框架柱采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)模式，在設計結(jié)構(gòu)體系的時候，要以整體性和抗震性作為結(jié)構(gòu)的功能目標，但出于對現(xiàn)澆鋼筋混凝土工程量因素的考慮，框架結(jié)構(gòu)所需的梁柱和樓板，均在施工現(xiàn)場進行預制裝配，即在施工現(xiàn)場對鋼筋混凝土的框架結(jié)構(gòu)進行焊接和拼裝，而某些特殊構(gòu)件可按照相關的標準委托工廠生產(chǎn)，以此作為框架結(jié)構(gòu)設計的主要方式，不僅能夠提高框架結(jié)構(gòu)的整體性能和抗震性能，而且能提高施工效率。

2.3 利用復形法優(yōu)化框架結(jié)構(gòu)設計結(jié)果

復形法主要針對無約束優(yōu)化問題的求解，具有適用范圍廣、簡單直接、出錯率低等優(yōu)點，在建筑框架結(jié)構(gòu)設計中，可利用復形法對設計的結(jié)果進行優(yōu)化，主要分為主體優(yōu)化設計和分部優(yōu)化設計兩級:

1)框架結(jié)構(gòu)主體設計優(yōu)化。首先是框架結(jié)構(gòu)梁截面和結(jié)構(gòu)柱截面特性關系的建立，利用統(tǒng)計歸納的方法，在確定截面慣性矩、抵抗矩、截面面積的基礎上，根據(jù)截面慣性矩分析框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應力分布情況，以及根據(jù)抵抗矩和截面面積確定框架結(jié)構(gòu)的應力大小，因此在設計框架主體結(jié)構(gòu)的時候，可通過對截面慣性矩、抵抗矩、截面面積的調(diào)整，合理控制框架結(jié)構(gòu)梁和結(jié)構(gòu)柱的應力。其次是鋼架結(jié)構(gòu)模式的優(yōu)化，涉及到的因素包括設計變量、目標函數(shù)、約束條件、計算模型，其中設計變量與框架結(jié)構(gòu)梁和結(jié)構(gòu)柱的慣性矩有關，由框架結(jié)構(gòu)梁和結(jié)構(gòu)柱的數(shù)量決定，而目標函數(shù)則根據(jù)梁跨度、柱高度等已知的定值，用于表示框架結(jié)構(gòu)的重量函數(shù)，但同時需要考慮強度、剛度、界限、水平位移等因素，以此構(gòu)建的框架結(jié)構(gòu)計算模型。最后是結(jié)構(gòu)梁柱截面慣性矩的優(yōu)化設計，可借助之前構(gòu)建的計算模型，利用復形法編制的分析程序，確定最優(yōu)的截面慣性矩。

2)框架結(jié)構(gòu)分部設計優(yōu)化。框架結(jié)構(gòu)分部設計的優(yōu)化，相關參數(shù)為待優(yōu)化截面組成的慣性矩、主體結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的結(jié)果、慣性矩正常浮動范圍內(nèi)的內(nèi)力重新分布容許值，以此構(gòu)建優(yōu)化計算模型。首先是結(jié)構(gòu)梁優(yōu)化計算模型，即根據(jù)翼緣截面、寬度、厚度和腹板高度、厚度，對截面形式進行描述，然后根據(jù)梁的抗剪強度條件、穩(wěn)定性條件、界限約束等約束條件，設置目標函數(shù)。其次是結(jié)構(gòu)柱優(yōu)化計算模型，即根據(jù)截面翼緣寬度、厚度和腹板高度、厚度，確定需要優(yōu)化的設計變量，以及根據(jù)結(jié)構(gòu)柱的局部穩(wěn)定性、界限約束等約束條件，設置優(yōu)化的目標函數(shù)。通過以上的優(yōu)化設計，就能夠得出分部框架結(jié)構(gòu)梁和結(jié)構(gòu)柱的數(shù)字模型，并合理編制出優(yōu)化的分析程序，是目前建筑框架結(jié)構(gòu)設計的常見方式之一，值得進一步推廣應用。

3 結(jié)語

出于對建筑框架結(jié)構(gòu)安全等級、抗震設防等級、耐火等級等的考慮，需要根據(jù)國家相關規(guī)范、工程抗震條件、場地條件和其他注意事項等，秉著計算性原則、全面性原則、預防性原則，對待優(yōu)化框架結(jié)構(gòu)的抗彎強度、抗剪強度、局部承壓力、折算應力、局部穩(wěn)定性、剛度等進行縝密計算，然后制定結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的方案，控制整個框架結(jié)構(gòu)設計的流程，與此同時，框架結(jié)構(gòu)還可利用復形法對框架結(jié)構(gòu)主體和主體設計的結(jié)果進行優(yōu)化，以此對框架結(jié)構(gòu)做出預防性的合理布局。

［1］潘長俊.淺談建筑框架結(jié)構(gòu)設計中存在的問題及對策［J］.建材與裝飾(下旬)，2013(7):28-29.

［2］問 錦.基于建筑框架結(jié)構(gòu)設計存在問題的研究［J］.建材與裝飾(上旬)，2013(6):29-30.

［3］黃興旺.淺析建筑框架結(jié)構(gòu)設計的技術措施與技巧［J］.建材與裝飾(上旬)，2013(4):27-28.

［4］楊月圓.建筑框架結(jié)構(gòu)設計原則及注意事項探究［J］.科技風，2013(2):170.