探討大跨度框架結構設計問題

馬俊林

（云南省城鄉規劃設計研究院， 云南 昆明 650000）

0 引言

隨著我國現在經濟的快速發展，工業建筑對于設計的要求日益提高。現如今的工業類建筑因工藝的需求，大跨度框架較多，但大跨度框架建筑本身在施工過程中難度較大，框架節點復雜、樓板局部分布不均、不具有連續性等不利問題會影響到具體的建筑施工。因此需要設計者和施工方的高度重視大跨度框架的建筑設計。現階段部分設計者在保證大跨度框架結構安全的情況下，充分發揮材料建筑設計的材料，結合具體的結構構件的計算方式。在大跨度框架結構設計時，施加了預應力設計，形成預應力大跨度框架結構來增強大跨度框架結構的剛性和承載力。但是預應力大跨度框架結構設計中會存在壓彎構件彎曲變形問題以及應力對于強度穩定性影響的問題，都是需要在設計過程中亟待解決的。因此本文結合實際案例，以某工程廠房的大跨度框架結構設計案例入手，結合大跨度框架結構設計中出現的常見問題，從工地實地的條件、抗震等級、荷載取值等角度分析建筑大跨度結構設計的優化方案，對于設計中存在不合理的問題進行及時調整，從而推動我國建筑行業更好的發展。

1 大跨度框架結構設計分析

我國目前的建筑施工過程中，常見的大跨度框架結構需要具備一定的應用標準和要求，依據建筑物的使用功能，選擇不同的結構框架類型。現階段大跨度框架結構包括轉換梁結構和折梁結構。

1.1 轉化梁結構

所謂的轉化梁結構在實際應用過程中，通常都會在建筑的檐口高度設置一個全面系統的工作模式。在設計過程中會在量化結構，建立起有效的支撐力。這種結構通常是用斜板將應力傳遞給斜坡所展開的工作模式，通過斜坡傳遞給框架柱和結構柱。在工作過程中通過加大梁上柱荷載，可以做好對結構柱的框架設計。該方案在計算過程中通常計算簡單，且在實際工作中不用考慮截面問題。需要依據具體的力學模型在一定的數學模型基礎上進行計算，但轉化梁結構設計過程中存在的問題在于經濟性較差，需要耗費大量的成本。

1.2 折梁結構

針對建筑施工中常見的框架結構中的折梁結構，通常指的是在橫向布置一個跨度較大的折梁結構，可以將折梁結構的應力直接傳遞給上方的屋面。但由于實際設計過程中折梁的跨度應用較大的截面，這就導致設計中存在了荷載傳遞較差的一種工作模式。這種模式在設計過程中缺少對于空間整體作用的考量，需要依據框架具體的結構來進行設計，還要結合具體的框架結構受力考慮到除了彎距壓力之外，還有軸向壓力。所以在計算的過程中，要全面的對于受力問題進行考量。

2 大跨度框架結構設計問題

當前工業類建筑中為滿足生產工藝的需求，廣泛應用大跨度框架結構的設計。但大跨度框架結構設計中存在施工難度大、樓板局部不連續等問題，需要采取合理的設計方案，通過對設計中存在的弊端進行分析，找出大跨度框架結構設計存在的薄弱位置，加強構造措施來增加建筑對不可預見破壞因素的抵抗力。本次設計是結合實際項目案例出發，選擇某工廠的大跨度框架結構進行分析。如：某廠房是三層框架結構，擁有大型的工藝設備，部分數據之間的位置設置是 20米，屬于大跨度框架設計需求。基于《建筑抗震設計規范》相關文件規定的要求顯示，建筑抗震設計規范中大跨度框架指代的是跨度大于或等于18米為大跨度框架。該項目所在地的廠房建筑總高度21米，采取YJK軟件建模的設計模式，依據建筑抗震設計規范的相關要求。結合廠房具體參數輸入四級抗震模式，在一定參數模式下修改抗震等級為二級，該項目設計過程中存在部分結構設計的問題急需解決。

2.1 大跨度框架梁鋼筋擁擠

上述案例中大跨度框架結構廠房設計過程中，二樓是大型的設備，荷載力較大，需要框架承擔較大的荷載。該項目設計師的框架梁寬取為300毫米，在考慮到梁配筋需求尺寸大的情況下，設計師需要制作600毫米梁寬，具體的柱子截面尺寸為柱子截面尺寸為800mm×800mm，設計者在設計過程中，需要結合大跨度框架的需求，結合實際設計鋼筋節點進行鋼筋的擺布，在實際擺布過程中不能太密[1]。但該工程設計過程中制作的附件太密、近距太小，這就導致實際施工時會存在振搗問題。除此之外由于該廠房設計師對于大跨度框架設計采取的是用豎向加腋的方式，致使底部鋼筋太多，無法綁扎，需要設計者根據具體的規定按照一定的標準進行設計，解決鋼筋擺布太密的問題。

2.3 短柱問題

大跨度框架結構設計過程中，由于柱的凈高與平行水平方向的截面高度存在小于四差距，被稱為短柱。一般來說短柱在水平力的作用下會承擔較大的剪力，但是大跨度框架結構設計中會容易發現脆性的剪切破壞，使得短柱的延性降低，而且抗震性減弱。因此在設計過程中需要依據具體的設計短柱要求，沿柱高進行加密。畢竟短柱受到的承載力較低，延性差的問題很容易在地震時產生脆性破壞，進而引發整體結構。

2.4 荷載大

建筑結構設計過程中廠房地面的設備荷載較大，而且還會配備相應的管道吊掛荷載和噴淋荷載，樓面荷載是保證模型設計的關鍵。需要設計者結合大跨度框架結構的基礎設計和地基部分，充分考慮到設計的承受能力和影響承受能力等多種因素。但是往往在大跨度結構設計過程中，設計者缺少對于地基部分進行適當的加寬，同時缺少基礎底面積和承受能力影響因素的考量，沒有對于基礎地基進行加固處理。設計者缺少結合大跨度的框架結構鋼筋混凝土的。牢固性加固的考量，致使基地的附加應力較低，很難保證工廠大跨度結構設計的穩定性。

3 大跨度框架結構設計的相關建議

大跨度框架結構的樓板即使豎向的受力構件優勢水平的受力構件，在實際設計過程中需要充分考慮到樓面荷載力大的問題。采取加厚樓板、雙層雙向配筋和加大配筋等方式進行設計，同時在設計過程中要結合大跨度框架梁鋼筋擁擠、短柱和等效荷載問題進行解決。

3.1 依據工程規范合理分配大跨度框架梁鋼筋

結合上述某工廠的實踐案例，在大跨度框架結構的梁設計過程中需要全面掌握具體的設計文件和圖紙。設計師依據“強柱弱梁”的原則在設計過程中依據文件規范和審查施工等組織設計，依據《建筑抗震設計規范》6.3.3條規定,梁端頂面和底面鋼筋比值有限值要求[2]。同時要考慮到配筋問題，加強對于水平荷載的控制。因為水平荷載對于建筑結構傾覆力矩，以及豎向構件引起的軸力和建筑高度平方成正比。大跨度框架結構設計過程中風的作用力較大，屋面結構荷載會傳給軸向總力。因此設計者需要加大對于頂層邊柱的配筋量，同時要充分考慮到具體設計中梁配筋過密的問題。針對框架梁與外挑梁斷層尺寸之間存在的差距，將框架梁的主筋向外挑梁進行延伸。在實際施工過程中，通過對于鋼筋中密集問題進行區分，可以適當的進行箍筋，避免將次梁搭建在主梁支柱附近，使得大跨度框架梁鋼筋結構擁擠，導致施工質量不能保證，節點抗震性不強。實際施工過程中，施工者可以充分考慮到端梁豎向加腋的方式，使梁柱的接觸面積不斷增大，從大跨度框架結構整體的節點核心區域增強承載力，減少箍筋用量。同時在設計時需要充分考慮到受力鋼筋節點，利用塑形鉸使得大跨度框架各處之間的柱端距離加大。同時在框架結構設計時，主義頂層邊柱的配筋量，箍筋要盡量使用螺旋箍進行箍筋，地下方柱應使用井字箍，按照具體的設計需求進行加密，增強大跨度框架的抗震性能，實現強柱弱梁。

3.2 避免短柱問題

大跨度框架結構設計過程中由于跨度較大，所以設計時要充分考慮到聯系梁以及布置短柱連接高度較大的姑娘，同時要充分考慮到部分短柱的出現，解決設計過程中短柱問題。通常情況下，在大跨度框架結構設計中，短柱的出現會使延性很差、抗震能力不良。大跨度框架設計時可以采取部分特殊的措施，如需按照柱身箍筋、柱高加密的方式，通過柱身箍筋不僅可以抵抗剪力，還可以針對核心砼起到約束作用，以此來改善抗壓承載力和變形性能，能夠更大程度上防止短柱中的主筋壓屈。結合該工廠的大跨度框架結構設計過程中，設計人員需要嚴格按照規范進行箍筋的配置，增加耗能能力。在設計模型時，要充分考慮到剪力墻的荷載通常情況下設計模型不能對短柱形成的情況進行判斷，所以需要設計人員結合設計經驗和實際設計狀況進行認真判斷。同時要注重短柱的軸壓比限值需要滿足具體建筑工程設計的需求，在樓梯間以及墻面不砌至板底時時或有夾層的情況下，很容易形成短柱。在廠房設計過程中每層層高為7.5米，標高是4.2米就存在著短柱問題，原因在于部分夾層使得柱凈高與截面柱截面比值Hn/h小于4[3]。

3.3 等效荷載

本次項目廠房設計的地面樓面設備多，因此設計者在大跨度框架結構設計過程中，需要通過進行等效荷載計算。按照內力相等的原則將復雜的荷載進行簡化，在實際計算的過程中，需要結合具體的車間設備以及荷載量進行分析，選取一塊樓板，按照設備不利位置以及彎曲等效原則進行計算，結合具體計算要求，計算其等效活荷載為 6KN/m2,輸入相應的模型。以同樣的方式進行等效荷載的計算，設計者要充分考慮到框架節點，彎矩分配的系數[4]。合理的對于梁板進行分配，解決荷載問題。如廠房自動化設備每臺 1.5m×1.2m×2.0m,運行荷載3.0噸,通過計算等效荷載，減少框架梁的截面高度，同時設計過程中，需要根據樓面的荷載力進行分析和計算。

3.4 框架結構的防震設計問題

大跨度框架結構設計中最需要解決的就是防震問題，由于大跨度框架結構設計中廠房設備多荷載力大，所以防震效能較差，要做好防震準備。在結構框架設計時最好加入延性好的材料作為仿真材料的可選材料之一，可以使用鋼筋混凝土作為大跨度框架結構的支撐材料。借助鋁合金、玻璃材質設置為廠房樓面的墻體，同時對于樓面建筑可以采取鋼板和混凝土作為材料增強建筑結構的減震效能。同時在大跨度框架結構體系設計過程中，最常見的結構體系便是剪力墻能夠以此來減少承重墻之外，墻體數量。使大跨度框架結構中廠房所承受的壓力和負荷量減少，促使框架結構本身的設計更具有科學性。優化設計方案，設計工作者在設計過程中可以進一步使屋面的斜梁壓力降低，利用下弦拉練的方式對力進行傳播途徑的改變，減少配筋的應用量，使其減震效能可以更加提升。

4 結束語

綜上所述，本文的研究結合實際案例，針對現如今應用最廣泛的建筑結構—大跨度框架結構，實際應用中的優勢和應用過程中存在的結構設計時鋼筋擁擠、短柱、等效荷載等問題進行了分析。包括從建筑設計的計算和構造等方面進行了深入的調研，以實際案例為主，提出了構造控制的措施。希望借此可以使結構設計師具有清晰的概念，學會正確判斷結構設計中不利部分，并開展針對性地設計，促使設計計算結果可靠和構造措施合理，設計出符合規范的建筑。