多層建筑結構設計中框架結構的問題與處理

許智豪

摘要：近年來，多層建筑結構設計中的框架結構得到了業內的廣泛關注，研究其過程中的問題與處理有著重要意義。本文首先介紹了框架結構在多層建筑結構中的優越性，并結合相關實踐經驗，分別從基礎系梁的設置、對框架結構薄弱層的判定和處理，以及樓板開大洞結構的計算等多方面，研究了多層建筑框架結構設計常見問題和相應措施、

關鍵詞：多層建筑；結構設計；框架結構；問題；處理

前言

作為多層建筑結構設計中的重要模式，框架結構的優勢特點不言而喻。該項課題的研究，將會更好地提升對框架結構設計問題的分析與掌控力度，從而通過合理化的措施與方法，進一步優化其在實際應用中的整體效果。

一、框架結構在多層建筑結構中的優越性

一般來說，框架結構的優點是設計較為簡便、科學，同時由于不再是傳統的磚墻承載樓板等的荷載力，使得墻體的布置有了空前的靈活性和可變性，這對于一些大空間需求的建筑來說是大有裨益的，空間不再受限于傳統的墻體，功能也不再需要去滿足于結構，而是反過來結構去服務于空間、滿足于空間。構架結構不僅僅只是以上提出的優點，其中還存在很多的缺點，例如：框架節點的應力比較集中、框架結構屬于柔性的、框架結構的側向剛度較小等缺點，在地震發生的時候，框架結構就會發生水平位移的移動，移動的幅度較大就會造成結構上的破壞，鋼材和水泥用量較大，構件的節點和桿件總數量多，接頭工作量大，工序多，浪費人力，施工受季節、環境影響較大；框架是由梁柱構成的桿系結構，其承載力和剛度都較低，特別是水平方向的（即使可以考慮現澆樓面與梁共同工作以提高樓面水平剛度，但也是有限的），它的受力特點類似于豎向懸臂剪切梁，其總體水平位移上大下小，但相對于各樓層而言，層間變形上小下大，設計時如何提高框架的抗側剛度及控制好結構側移為重要因素，目前來看，鋼筋混凝土框架中，由于其高度較大、層數又較多，其底部各層的柱的軸力很大，而且梁和柱由水平荷載所產生的彎矩和整體的側移亦顯著增加，從而造成了截面尺寸和配筋的不斷增大，在建筑平面的空間處理與布置方面就會造成嚴重的影響，在一定程度上造成建筑空間的不合理性以及材料浪費、造價不合理等問題。

二、多層建筑框架結構設計常見問題和相應措施

1.基礎系梁的設置問題

當基礎埋置深度較深時，可用基礎系梁減少底層柱的計算長度。系梁宜按一層框架梁進行設計，同時系梁以下的柱應當按短柱處理。如果工程條件符合相關規定，應當設基礎系梁。為滿足抗震要求，可以沿著兩個主軸方向設構造基礎系梁。對于構造基礎系梁縱向受力鋼筋，可以按照連接柱的最大軸力設定值的10%，按拉力或者壓力進行計算。如果是構造配筋，應當滿足最小配筋率。

如果基礎系梁上作用有來自填充墻或樓梯柱等的荷載，應該和所連接柱子的最大軸力設定值的10%進行疊加計算。基礎系梁截面也應當適當地增加，計算出來的配筋，應當充分滿足受力要求以及構造配筋要求。對于構造基礎系梁頂標高，它一般都和基礎頂標高保持一致。為了使基礎系梁計算跨度減少，可以采取把基礎梁下和獨立基礎臺階或者錐形斜坡間的那些空隙部分，用素混凝土澆筑，直到和基礎頂面保持平齊，然后再進行基礎系梁的澆筑。

當用基礎系梁平衡柱底彎矩時，其截面尺寸和配筋，需要按照框架梁來設計。拉梁正彎矩鋼筋，應當全部都拉通，而負彎矩鋼筋則至少應該在二分之一跨拉通，基礎系梁的縱筋在框架柱內的錨固、箍筋的加密及其余抗震構造要求，應當和上部框架梁保持一致，而且此時拉梁應當設在基礎頂部。

2.對框架結構薄弱層的判定和處理

所謂薄弱層，就是強烈地震作用下，結構發生較大的彈塑性位移的那些部位，它們承載力需要滿足抗震承載力要求，在地震烈度不小于7度的地區才會發生。

有三種方式可判斷薄弱層，分別是個人指定、計算判定以及強制認定。在PKPM的SATWE軟件里，可以根據相關規范規定或是技術人員的個人經驗，直接指定薄弱層，此為個人指定。軟件計算時，當結構的抗側移剛度出現不規則現象，某層的抗側移剛度比相鄰上一層的70%小，或比其上相鄰三個樓層側向剛度平均值的80%小，或是樓層承載力發生突變，軟件將自動指定該層為薄弱層，此為計算判定。當結構存在轉換層，也就是豎向抗側力構件不連續，不管該層剛度或樓層承載力如何，該層都將被強制認為薄弱層，此為強制認定。

薄弱層，大大不利于抗震，建筑中原則上應當避免薄弱層的存在，最基本的辦法是加大該層的抗側移剛度，也就是加大這層的柱截面或者梁截面。在條件允許下，可通過改變該層的層高或是減少基礎埋置的深度，來實現。

3.樓板開大洞結構計算時應注意的問題

樓板開洞的結構比較普通，如果開洞面積大于該層樓面面積的30%，就屬于平面不規則，計算時必須進行處理。以PKPM軟件為例，TAT和SATWE分別采用了兩種方式處理。TAT軟件中，無樓板的節點被定義為彈性節點，該節點。即梁柱交點，不受剛性樓板假定的限制，其平動自由度獨立。SATWE軟件中，所有樓板被定義為彈性膜，軟件真實計算樓板的平面內剛度，對樓板的片面外剛度則忽略處理。當某層洞口面積為樓層面積的30%以上時，應當把全樓所有樓板都定義為彈性膜，或者也可以不考慮樓板的剛度，把該層洞口邊緣節點定義為彈性節點，當屋面是鋼結構網架時，應當輸入板厚，將其定義為彈性膜，真實計算樓板的平面內剛度，這樣和實際比較相符。

4.短柱問題

框架結構中，所謂短柱，其柱凈高與柱截面高度比不大于4，或者剪跨比不大于2。地震作用容易導致短柱的脆性破壞。短柱的受剪承載力和變形能力，嚴重不足，容易引發建筑物嚴重破壞，設計時需要盡可能避免短柱。

短柱的形成成因主要有兩個：一是，樓梯間的半休息平臺或者結構局部錯層，導致兩個框架梁間的框架柱凈高比較小；二是，填充墻的設置不正確，造成某層的框架柱的兩側中一部分沒有填充墻，另部分有填充墻，而沒有填充墻的那側，柱凈高與柱截面之比通常不大于4，從而形成短柱。

5.使用平法圖集時應當注意的問題

一是框架柱，若用剖面列表法來表示配筋，應當注意每一層的樓面標高以下的箍筋加密區的長度，必須是框架梁高和規范要求的箍筋加密區長度之和，規范要求的加密區長度在1/6柱凈高、柱截面高度、500mm三個數值中取較大值。由于PKPM軟件出圖的時候，加密區長度并沒有把梁高包含在內，容易造成施工錯誤，導致箍筋加密區的高度不夠。

二是一層建筑地面，在澆筑主體結構澆筑結束之后才開始施工，若一層地面是剛性地面，根據相關規定，柱箍筋應當在剛性地面上下各500mm范圍內進行加密，而這一點容易被忽視，設計圖紙中最好對此有明確交待。

三是當梁截面過于小，或者承載力比較大的時候，框架梁如果需要設置三排縱筋的話，建議可以對梁截面或是縱筋直徑進行調整，改為兩排。如果沒有采取此種措施，那么對于第三排縱筋的外伸長度，應當做出明確交待。

三、結束語

綜上所述，加強對多層建筑結構設計中框架結構問題的研究分析，對于其良好設計效果的取得有著十分重要的意義，因此在今后的多層建筑結構設計過程中，應該加強對框架結構問題的重視程度，并注重其具體處理措施的科學性。

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