淺談鋼筋混凝土框架結構設計

趙永亮

【摘 要】鋼筋混凝土框架結構是當今建筑結構主要結構形式之一，框架結構因其具有較大的空間，較方便的空間布置，可滿足空間多種功能需要，因而受到越來越多建筑工程采用。

【關鍵詞】鋼筋混凝土；框架結構；設計

框架結構主要有梁和柱構成，主要優點是受力體系清晰、構造簡單、強度和延展性高。在鋼筋混凝土框架結構設計過程中，雖然商用軟件越來越多，但是框架結構設計的基本原理應引起重視。根據承載力約束條件，以框架結構造價最低為優化目標， 用正多面體優化方法對框架結構進行設計，并對其建立數學模型，從而使鋼筋混凝土框架結構設計既安全又經濟

一、框架結構應注意的問題

（一）框架結構方案的構思

1）在民用和公共建筑的柱網平面布局中，柱網應盡量按等距（縱、橫） 布置，盡量減少邊跨柱距，并充分利用連續梁的受力特點減少結構中的彎距。

2）簡明的結構受力和傳力。框架結構關系越簡單，傳力結構越清晰。在荷載作用下，結構通過板→梁→柱流程傳力，傳力結構清晰有利于經濟利用建筑材料。

3）結構方案應結合建筑功能、工程地質情況等要求綜合考慮。

（二）概念設計上著重注意的問題

1）強剪弱彎措施：框架結構中的框架梁應注意抗剪驗算和構造，使其滿足相關規范要求。強剪弱彎是保證構件延性，防止脆性破壞的重要原則，加大各承重構件的抗剪承載力，使這些部位在結構經歷罕遇地震的過程中保證不出現脆性剪切失效。

2）強柱弱梁措施。強柱即使框架柱的抗彎和抗剪能力比梁的抗彎和抗剪能力強。柱子的破壞，大多是因剪壓復合受力所致，多發生脆性破壞，脆性破壞大多是突然發生的，而強柱弱梁，可以延緩破壞時間，給人們以躲避和加固的時間。

3）注意構造措施。a.外立面為帶形窗框架結構，因設置連續窗過梁，使外框架柱成為短柱，應加強構造措施。b.對于框架結構長度略超過規范限值，建筑功能需要不允許留縫時，為減少有害裂縫，采用雙向配筋補償混凝土后澆帶。

二、框架結構設計與計算

（一）框架結構的特點

框架結構有以下的特點：1）框架結構的梁、柱間為剛性連接；2）梁端、邊柱端多存在負彎矩，梁端僅考慮彎曲和剪切；柱端只考慮彎曲和壓縮；3）框架結構選用超靜定框架結構而不能采用“幾何可變體系”的框架。框架結構計算時，首先要進行荷載組合，在豎向和水平荷載共同作用下，設計的控制因素是梁、柱變形所引起的側向位移。框架結構的特點、結構受力使得結構方案的選擇十分重要。

（二）計算簡圖的確定

計算簡圖是計算模型及作用在結構上的荷載共同構成的。計算簡圖直接影響到計算結果的準確性。如果完全按照實際結構進行計算，必然會帶來相當大的計算量，而且實踐證明也沒有必要。因此，就應進行計算模型簡化。計算簡圖要反映實際結構的主要力學性能，盡可能與實際結構相吻合；根據計算手段不同，采用相應的計算簡圖。

（三）結構計算中幾個重要參數的選取

《抗震規范》第3.6.6.4條指出，所有的計算機計算結果，都應經分析判斷，確認其合理、有效后方可用于工程設計。通常情況下，計算機的計算結果主要是結構的自振周期，樓層地震剪力系數，樓層彈性層間位移（包括最大位移與平均位移比）和彈塑性變形驗算時樓層的彈塑性層間位移，樓層的側向剛度比，振型參與質量系數等。現以空間有限元分析與設計程序SATWE 為例，結合施工圖審查中發現的問題，來說明有關參數如何合理選取。為得到合適的結果，除有合理的結構方案、正確的結構計算簡圖外還應正確確定抗震設防烈度和場地類別、地震力的振型組合數和結構周期折減。

1.結構的抗震等級

一般工業、民用建筑，可根據烈度、結構類型和房屋高度按《建筑抗震設計規范》表6.1.2確定抗震等級；而電訊、能源、消防和醫療等類建筑以及大型體育場館、大型零售商場等公共建筑，應當首先確定其屬于哪類建筑。乙、丙類建筑，地震作用均按本地區抗震設防烈度計算。對于乙類建筑，一般情況下，當抗震設防烈度為6～8度時，抗震措施應符合本地區抗震設防烈度提高一度的要求。

2.地震力的振型組合數

對于多層建筑，當不考慮扭轉耦聯計算時，地震力的振型組合數至少應取3；當振型數多于3時，宜取3的倍數，但不應多于層數；當房屋層數≤2層，振型數可取層數；對于不規則的高層建筑結構，當考慮扭轉耦聯時，振型數應≥9；結構層數較多或結構剛度突變較大時，振型數應多取，如結構有轉換層頂部有小塔樓、屬多塔結構等，振型數應≥12或更多。但不能多于房屋層數的3倍，只有當定義彈性樓板，采用總剛分析，且必要時，振型數才可以取得更多。《抗震規范》中指出，合適的振型個數一般可以取振型參與質量達到總質量的90%所需的振型數。SATWE等電算程序已有這種功能，可以很方便地輸出這種參與質量的比值。有些設計人員不大重視電算程序使用手冊的應用，選取振型數時比較隨意，這是應當改進的。

3.結構周期折減系數

鋼筋混凝土框架結構中，由于填充墻的存在使結構的實際剛度大于計算剛度，計算周期大于實際周期。因此，計算地震剪力偏小，結構顯得不安全。對結構的計算周期進行折減是必要的，對于框架結構來說采用砌體填充墻時，周期折減系數可取0.6～0.7；砌體填充墻較少或采用輕質砌塊時，可取0.7～0.8；完全采用輕質墻體板材時，可取0.9；只有無墻的純框架計算周期才可以不折減。

（四）設計構造方面

設計中經常忽視《建筑抗震設計規范》中“一、二、三級框架節點核芯區配箍特征值分別不宜小于0.12、0.10、0.08且體積配箍率分別不宜小于0.6%、0.5%、0.4%”規定，尤其是柱軸壓比不大時。這一規定是保證節點核芯區延性的重要構造措施，應嚴格遵守。框架梁上部縱筋端部水平錨固長度應滿足要求。《混凝土結構設計規范》中規定“框架端節點處，當框架梁上部縱筋水平直線段錨固長度不足時，應伸至柱外邊并向下彎折，彎折前的水平投影長度不應小于0.4LaE”，當框架柱截面尺寸小于400mm×400mm時，應注意梁上部縱筋直徑的選擇。

（五）框架梁、柱箍筋間距

《抗震規范》第6.3.3條及6.3.8條對不同抗震等級的框架梁、柱箍筋加密區的最小箍筋直徑和最大箍筋間距都作了明確規定。在程序內定的條件下，當框架梁的跨中部位有次梁或有較大的其他集中荷載作用卻僅配兩肢箍筋時，多數情況下，非加密區箍筋間距若仍是200mm，會使梁的非加密區配箍不足。當框架梁中由于種種原因縱向鋼筋超筋時，梁端適當加大抗剪承載力對結構抗震非常有利。這也是當梁端縱向受拉鋼筋配筋率大于2%時，規范規定梁的箍筋直徑應比最小構造直徑增大2mm 的原因。對于框架柱，當框架內定柱加密區箍筋間距為100mm時，在某些情況下，亦可能因非加密區箍筋間距采用200mm引起配箍不足。

三、結語

鋼筋混凝土框架結構在受力、傳力上雖然相對簡單，但在設計中需關注問題依然很多，決不可馬虎大意，應在充分理解規范的基礎上，形成良好的結構概念，再合理的地利用商用軟件，只有這樣才能設計出安全、經濟、適用、美觀的作品。

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