框架剪力墻結構設計的合理性及施工中具體問題的探討

李鵬(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京市 102600)

結構設計本身是一個非常復雜的過程，既要考慮到結構的安全性和經濟性，也要充分考慮到建造的難度等因素。現在設計和施工的關系也越來越密切，只有在設計當中充分考慮到施工建造的技術，以及可能遇到的問題才能最終實現合理設計目標。 同時，隨著建筑行業的不斷發展，也應該不斷探索和嘗試新的建筑材料及施工方案，推動整個行業的不斷進步。

結合單位新建項目來看，本項目為框架剪力墻結構，主要結構是框架，由梁柱構成，小部分是剪力墻，可形成內部大空問，能進行靈活的建筑平面布置，因此，框架結構體系在結構設計中應用也比較廣泛。框剪結構是框架結構和剪力墻結構兩種體系的結合，吸取了各自的長處，既能為建筑平面布置提供較大的使用空間，又具有良好的抗側力性能。因此，這種結構已被廣泛地應用于各類房屋建筑。

框架結構的變形是剪切型，上部層間相對變形小，下部層間相對變形大。剪力墻結構的變形為彎曲型，上部層間相對變形大，下部層間相對變形小。對于框剪結構，由于兩種結構協同工作變形協調，形成了彎剪變形，從而減小了層間相對位移比和頂點位移比，使結構的側向剛度得到了提高。

一、設計階段的合理性建議：

1.高強混凝土的使用

從結構材料的發展趨勢來看，高強材料的使用將越來越多，根據我國已經修訂，最新修訂的混凝土結構設計規范中對普通鋼筋的規格進行了較大的調整，這對設計和施工人員都有比較大的影響。從舊版規范規定鋼筋主要有三個等級，分別是一級鋼，二級鋼和三級鋼，新修訂的混凝土規范鋼筋品種取消了強度較低的235兆帕鋼筋，把500兆帕的鋼筋作為新型鋼筋引入。現在400兆帕的鋼筋在設計當中已經采用，500兆帕的鋼筋需要有一個逐漸熟悉，使用的過程，從歐美的情況來看，更高強度的鋼筋已經大量的采用，400-600兆帕的鋼筋，叫做中強鋼筋。采用高強度鋼筋可以節約大量的能源、電力、運輸和加工費用，減少粉塵和污染物的排放。通過一些設計實例的對比，采用500兆帕高強鋼筋以后可以減少鋼筋的用量12%左右(1)，可以說在經濟性上有著很大的優勢。

2.鋼材的合理使用

鋼材作為建筑結構的主要的材料，對造價成本有很大影響。鋼材有很多性能，其中一個性能是沖擊韌性，屬于低溫工作性質。常用的是BCD級，我們有的時候在設計里面選用的是C級鋼材或者是D級鋼材，這時候對沖擊韌性比較高，但是往往訂貨時間比較長，其實每個等級的差別價格并不大，但是性能有明顯的差距。應該提前多溝通，對設計元件多了解，應該把鋼材等級確定準確，因為成本不高的情況下把成分進行控制，這方面多下一點功夫，可以獲得很好的效果。因為沖擊韌性不但是在低溫下工作性能，而且對焊接性、抗震性能都有一定的影響。

對于設計人員一般情況下比較注重用鋼量控制，有些工程業主規定一個最高用鋼量指標，從技術角度看可以說不盡合理。我們希望能夠提出一種綜合考慮材料與能源消耗和勞動力成本新的指標體系，不是單一的指標。如果只單方面的壓低用鋼量，造成型鋼型號很多，表面上看都充分發揮了各構件的作用，但與此同時，加工量也大大的增加了。綜合來看無疑是適當的多采用軋制比較合理，這也是一個產業的導向。現在設計人員會面臨著一個問題，總是怕指責用鋼量大，千方百計來壓，實際上材料的消耗，勞動力的消耗并不小。所以我們急需建立起一個明確的指標體系，來更準確地指導設計人進行設計。

3.施工中荷載的影響：

施工荷載，往往會引起一些問題，施工期間會有很大的荷載，特別是正負零位置，這也是樓板開裂或者工程事故引起的主要原因。這一次正在修訂的建筑結構荷載規范對這個有明確規定，當有地方需要進行加強，換句話說我們作為設計人員來講不但要考慮將來正常使用的功能，在施工階段要考慮余量，不然對有超載情況還需加固，將造成很大的浪費。

施工過程模擬分析。今天講到的設計問題都是和施工相關的，施工過程與結構內力，以前這個課題，這個話題不是很重視。實際上任何的建筑結構是在施工過程當中逐漸形成鋼度和質量。換句話說施工的過程對結構和構件的作用會有非常大的影響，如果施工順序與設計順序存在差異，可能形成安全隱患。特別是超高層還有一些特殊的大跨度結構，結構在自重下所占內力比重比較大，這個順序也是很明顯的。

4.節點部位結構形式復雜

在進行結構設計時，有時候出于受力及美觀原因，局部位置會設有較為復雜的角柱及節點，而在施工時這些位置由于構造復雜而造成鋼筋綁扎、模板安裝的不便，部分施工單位無法按照設計要求進行施工。這時便需要設計人員在進行結構設計時，盡量簡化設計，少用結構復雜的節點，提前考慮施工中的難點，做好施工指導。

二、施工階段問題的分析

1.混凝土強度等級達不到設計要求的處理方法

在實際施工中，混凝土施工過程既要滿足控制柱截面的要求，又要滿足柱子軸壓比的要求。因此，柱子通常采用較高強度等級的混凝土。而對于以受彎為主的樓層梁板，混凝土強度等級卻不宜太高，這樣會造成結構設計矛盾(2)。

首先，如采用高強度等級混凝土對梁板抗彎承載力提高不明顯；其次，高強度等級混凝土對構件承受非荷載應力不利，如混凝土收縮應力、溫度應力等。因此，在結構設計中一般現澆框架的混凝土強度等級不宜高于C40。在實際工程設計中，比較合適的樓蓋混凝土強度等級通常采用C25至C40之間。由此可見，高層建筑混凝土框架結構的柱混凝土設計強度高于梁板的設計強度必然存在，而且隨著建筑物高度的增大，兩者的設計強度差距會越大，特別是在高層建筑的下部。

目前施工中，混凝土的澆筑多采用商品混凝土泵送工藝，施工單位通常將豎向構件與水平構件分批集中澆筑，在梁柱節點區多采用強度等級較低的梁板混凝土澆筑。如要求施工時對其中的梁柱節點進行單獨澆筑，因節點部位混凝土量、需要量較少且分批澆筑時間不易控制從而易導致質量事故，另外，節點區與梁板之間施工范圍難以分割，因此，在施工中也難以推行。

對高層建筑框剪結構的豎向構件和水平構件的混凝土強度，要進行合理取值(3)。豎向構件混凝土強度等級種類不應過多，且與豎向構件截面的變化要錯層同步；水平構件混凝土強度等級取值要符合規范要求，盡可能與豎向構件相匹配，使實際施工簡單化，盡量減少梁柱節點單獨澆筑混凝土。

當梁板混凝土強度等級比柱低的不多時，節點區可用與梁板混凝土同強度等級的混凝土澆筑，其節點核心區截面承載力仍能滿足要求。 隨著梁板混凝土強度等級與柱的差距加大，梁柱節點區澆筑前需采取措施，并增設豎向短筋。如梁板混凝土強度等級比柱低20兆帕以上時，必須采用與柱同等級混凝土澆筑，為防止出現冷縫，建議同時進行澆筑。

2.梁柱節點區的箍筋施工

在框剪結構中，主要結構是框架，由梁柱構成，由于受力要求，梁柱節點施工比較復雜，主要表現為鋼筋過于密集，節點構造復雜，施工難度非常大，特別是中間跨的梁柱節點，由于中間柱子鋼筋縱橫交錯，箍筋綁扎不便，采用整體沉梁施工時節點區下部箍筋難以綁扎，致使很多工程在梁柱節點部位箍筋數量嚴重不足，甚至無法布置，給結構安全留下嚴重隱患。

施工時，可調整施工工藝，梁柱節點區可提前在加工廠焊接完畢，焊接時注意留好接茬，在縱向短筋上形成整體骨架，再將整體骨架套入柱縱筋并擱置在樓板模板面上，穿梁鋼筋并綁扎。為防止附加短筋位置與柱縱筋沖突而造成套箍困難，附加縱向短筋應偏離箍筋角部約5厘米左右。

3.混凝土保護層厚度過厚問題處理

梁柱受力鋼筋保護層厚度允許偏差為5毫米。但是框剪結構施工中，當梁邊與柱邊平齊時，柱的縱筋必須包住梁的縱筋，即梁的縱筋要在柱縱筋的內側。因此，平齊的梁側往往容易因為保護層厚度不符合要求而開裂。在施工中，高層框剪結構的頂層角節點處，由于鋼筋實際加工的原因，一般會出現角節點外側鋼筋保護層過厚，容易導致裂縫。

所以，當梁、柱中縱向受力鋼筋的保護層厚度大于4厘米時，應對保護層采取有效的防裂構造措施。在粱縱筋彎折處加設附加鋼筋，防止梁邊與柱邊平齊時梁側的開裂。 在框剪結構的框架角節點處加設鋼筋網片，以提高角節點處的抗裂性。

三、結論

隨著現代建筑產業的發展，結構設計環節和施工環節的聯系越來越緊密，很多新材料、新方法的運用越來越多，這些新材料、新方法應該都是充分考慮了設計和施工的合理性為前提的。結構設計階段要充分考慮技術的合理性、安全性及經濟性，并且充分考慮施工實際的可操作性；施工階段也要不斷總結經驗，完善施工技術細節，結合現場情況對設計文件提出可行的優化方案。兩方面項目促進，最終最大限度的保證了建設工程的整體質量。

[1]王來其劉文鋒500MPa級鋼筋混凝土結構的研究進展{J}《青島理工大學學報》2012年02期.

[2]薛志峰市政工程論文發表框剪結構節點部位結構設計中與施工常見問題{D}.

[3]梁繼民淺議高層框剪結構柱墻與梁板砼強度不同時的施工方法和技術措施{J}《科技視界》2012年29期.