多層建筑裝備結(jié)構設計中框架結(jié)構的問題分析與處理方法研究

劉艷軍，李光耀

（濰坊市建筑設計研究院有限責任公司，山東 濰坊 261205）

良好的框架結(jié)構需要具備較強的靈活性和抗震性能，采用框架結(jié)構體系能夠在多層建筑內(nèi)部形成較大的內(nèi)部空間，有利于設計人員更靈活的布置建筑平面。目前，鋼筋混凝土框架結(jié)構在現(xiàn)代建筑中應用范圍最廣，在具備較多優(yōu)勢的同時，若設計把握度沒有控制好也會出現(xiàn)一些問題，因此本文主要圍繞建筑框架結(jié)構存在的問題及處理方法展開全面的分析研究。

1 多層建筑框架結(jié)構設計

多層建筑主要是指建筑高度介于10～24m之間且建筑層數(shù)介于3～7層間的建筑，除住宅以外的民用建筑不大于24m的多為單層或多層建筑。多層建筑采用鋼筋混凝土結(jié)構設計時通常需要考慮豎向抗側(cè)力結(jié)構體系和水平樓蓋承重體系，其框架結(jié)構是指以梁和柱為基礎用剛接或鉸接的方式連接而成，從而構成抗側(cè)力、承重體系結(jié)構，即由梁和柱共同構成結(jié)構框架來分散建筑水平荷載和承重力。多層框架結(jié)構設計按照所用的材料可分為混凝土框架、鋼框架以及組合框架，按照節(jié)點的連接方式可分為鉸接和剛接。目前多采用混凝土框架結(jié)構，主要施工方法有現(xiàn)澆、裝配式以及裝配整體式施工。多層建筑框架結(jié)構在布置方面主要包括柱網(wǎng)布置和承重框架布置，柱網(wǎng)布置需要充分考慮建筑多功能需求，在保證建筑受力合理的基礎上進行施工；而承重式框架布置需要特別注重考慮建筑如何承受豎向荷載和重力荷載的傳遞路徑，對于多層建筑而言豎向荷載是主要荷載，整體框架結(jié)構主要分為橫向、縱向和混合式框架，不同框架承重與建筑樓蓋布置有著密切的聯(lián)系。例如橫向承重框架的縱向布置與梁緊密連接，橫向抗側(cè)剛度較大，有利于采光和通風；而縱向承重框架的橫向布置與梁緊密連接，橫向抗側(cè)剛度較小，有利于設備管線的穿行；對于混合承重框架而言則是綜合了兩者的優(yōu)勢，縱橫兩個方向均具有良好的抗側(cè)剛度，如下圖為縱橫向框架承重的具體分布。

圖1 混合承重框架

此外，對于多層框架結(jié)構內(nèi)力與側(cè)移需要經(jīng)過嚴格計算得出通過構建縱橫兩個方向正交的多層框架結(jié)構分析模型來獲取縱橫向框架計算單元，在保證框架結(jié)構均勻、荷載均勻的狀態(tài)下選擇合適的面積作為縱橫向框架計算單元。

2 多層建筑框架結(jié)構設計存在的問題

2.1 框架結(jié)構計算簡圖不夠規(guī)范

多層建筑框架結(jié)構設計必然要經(jīng)過準確的計算來確定具體的施工工序和結(jié)構承重框架圖，關于建筑框架結(jié)構計算簡圖需要注重從結(jié)構形式、軸線尺寸以及截面特征等方面重點把握，軸線跨度、層高以及鋼柱、砼柱剛度等參數(shù)都需要經(jīng)過計算得出。同時，多層建筑計算工序貫穿于建筑工程施工的全過程，從施工之前到工程驗收環(huán)節(jié)的計算工序不可避免，因而計算工序與施工內(nèi)容有著密切的聯(lián)系，且十分復雜，框架結(jié)構計算簡圖設計的不規(guī)范會對施工過程的任何一道工序構成質(zhì)量和安全威脅。實際施工過程中，施工圖紙的設計是最容易出現(xiàn)大量計算問題的環(huán)節(jié)，同時在框架結(jié)構施工過程中需要結(jié)合建筑實際情況考慮建筑的長度、寬度以及具體面積，由于涉及的計算專業(yè)知識范圍較廣，因而對于計算的精確度非常高，計算簡圖本身的計算難度是重要的問題。例如采用混凝土多層結(jié)構框架建設房屋時需要考慮基礎梁的設置深度，結(jié)合建筑層高、建筑場地、基礎埋深、高度以及室內(nèi)外相差數(shù)值、建筑的抗震等級來設計計算簡圖，在基礎梁需要按照層1來埋深輸入時卻按照三層框架來設計框架結(jié)構，必然會直接影響基礎梁中心受壓情況，導致計算簡圖與實際受壓情況存在差異，進而影響建筑框架結(jié)構施工質(zhì)量。

2.2 多層建筑抗震設計存在問題

抗震性能是多層建筑框架結(jié)構設計中需要重點考慮的問題，建筑結(jié)構施工需要結(jié)合不同地區(qū)的實際地質(zhì)情況，對于部分屬于地震頻發(fā)地帶的地區(qū)需要重點考慮框架結(jié)構設計的抗震性能。經(jīng)過研究實踐表明，未經(jīng)過抗震設計的框架結(jié)構明顯存在薄弱環(huán)節(jié)，較容易出現(xiàn)震害、房屋倒塌等問題。在考慮抗震設計的狀態(tài)下，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構容易發(fā)生震害的關鍵節(jié)點在于建筑梁端、柱端以及梁柱間的關鍵連接點，從梁、柱的震害程度來看，柱的震害程度要高于梁，同時柱頂?shù)恼鸷σ哂谥住慕ㄖ蚣芙Y(jié)構設計層面來看，柱的兩端由于彎矩過大而容易出現(xiàn)裂紋的問題，梁柱兩端在經(jīng)過反復受力之后更容易發(fā)生破壞問題，主要原因可能由于框架結(jié)構配筋設計不足或者鋼筋關鍵點固定不足等問題，由于鋼筋配置的不足而直接影響鋼筋配置密度和混凝土澆筑質(zhì)量。因此，框架結(jié)構配筋的不合理也是框架結(jié)構施工需要注意的核心問題，框架結(jié)構施工過程中，配筋環(huán)節(jié)最容易出現(xiàn)失誤。關于框架配筋需要考慮建筑面積的限制、結(jié)構施工要求以及建筑內(nèi)外框架梁的尺寸，一些細節(jié)問題更容易暴露在框架施工過程。關于柱的配筋與建筑層高產(chǎn)生的水平荷載、結(jié)構受壓情況有較大的關系，水平荷載與結(jié)構產(chǎn)生的受力力矩應當形成正比關系，注意框架結(jié)構荷載與柱總受力的協(xié)調(diào)問題，避免出現(xiàn)柱頂受壓偏心的現(xiàn)象。

2.3 短柱問題

從抗震震害角度來看，短柱的震害程度要高于一般柱，通常認定柱高與截面高度≤4或者柱跨度比≤2的情況下為短柱，短柱發(fā)生震害的主要問題在于脆性破壞，若短柱的受剪力與變形能力欠缺則會嚴重影響建筑框架結(jié)構性能，因而在框架結(jié)構設計時需要著重考慮短柱設計問題，分析短柱形成的原因。一方面由建筑結(jié)構布局或者平臺錯層導致框架梁之間柱的凈高較小；另一方面由于建筑填充墻的設置不足，出現(xiàn)建筑一側(cè)無填充墻或者部分有填充墻的情況，無填充墻的部分柱高與截面高度顯然≤4，因而會形成短柱。同時考慮到短柱受剪力和變形能力的不足，在框架設計中需要著重從短柱出現(xiàn)的問題入手，合理配置鋼筋，保證縱橫向鋼筋分布對稱且密度合格，以此來改善短柱受剪力或變形能力不足的問題。

3 多層建筑框架結(jié)構設計問題的處理方法

3.1 合理設計計算簡圖

關于計算簡圖的分析設計需要明確完整的計算數(shù)據(jù)，對現(xiàn)場施工環(huán)境進行勘察之后分析相關數(shù)據(jù)，例如不同施工點框架結(jié)構受力狀態(tài)、鋼筋配置密度等，由于涉及的數(shù)據(jù)信息較為復雜，為保證數(shù)據(jù)分析的精確性和簡圖計算的準確性，可靈活借用一些輔助分析工具來完成數(shù)據(jù)分析計算，如三維立體空間分析軟件。計算簡圖需要全面考慮建筑框架結(jié)構形式、軸線尺寸以及截面特征，關于結(jié)構形式需要保證柱與基礎頂面實現(xiàn)固接，把握梁柱的鉸接、剛接兩種節(jié)點連接方式；關于軸線尺寸跨度可考慮使用等截面柱、截面形心線或不等截面柱，層高可選用橫梁形心線；關于截面特征需要考慮型鋼和砼柱抗彎鋼度之和。

3.2 抗震設計問題處理

（1）需要嚴格遵循框架結(jié)構設計原則來把握框架結(jié)構抗震性能和設計靈活性，一方面要注重框架結(jié)構的剛?cè)釁f(xié)調(diào)性，過柔的框架無法抵御結(jié)構變形能力的增強，也無法消減結(jié)構外力，隨著外力作用的持續(xù)加強而導致結(jié)構變形嚴重；同時過鋼的框架結(jié)構會導致結(jié)構變形能力不斷降低，在遇到突然的沖擊力時很容易導致結(jié)構發(fā)生脆裂，建筑物從局部受損逐漸上升到全部受損，因而對于多層建筑框架結(jié)構設計要注意結(jié)構剛度與柔度的協(xié)調(diào)合理，從而能夠增強結(jié)構抗震性能。另一方面要善于抓取重點，多層建筑框架結(jié)構設計只能將結(jié)構安全性不斷提高，將風險控制在合理范圍內(nèi)，但絕對的結(jié)構安全是不存在的，不同構件承擔的角色和任務有所不同，通過對框架結(jié)構進行合理設計要盡可能保證結(jié)構的協(xié)調(diào)維穩(wěn)，面對突然襲來的外界沖擊力量能夠同步調(diào)動各個構件的抵抗力來分散沖擊風險，保證多層建筑安全穩(wěn)定，構件免遭破壞，為此需要明確不同構件承擔的責任，例如框架結(jié)構中柱的承載責任要高于梁，為此需要保證柱的穩(wěn)固性，在產(chǎn)生破壞問題時也要確保薄弱環(huán)節(jié)構件先行被破壞，而柱作為支撐核心要盡可能避免產(chǎn)生較大的破壞和損失。下圖為建筑框架結(jié)構設計基礎平面圖，直觀顯示了多層建筑結(jié)構設計的協(xié)調(diào)性。

圖2 多層建筑結(jié)構設計平面圖

（2）可考慮對建筑框架結(jié)構進行層層設防，布置多層安全防護體系，增強框架結(jié)構抵抗外力來達到共同抵御外力沖擊的目的。抵御外力的增強必然要寄托在多層次結(jié)構上才能實現(xiàn)，僅憑借單一的結(jié)構所承擔的抵御外力有限，通過設置層層結(jié)構安全體系的方式在增強地域外力的同時還能加固多層建筑局部結(jié)構與建筑整體剛度，從而更好地抵御抗震危害。

3.3 短柱問題的處理

上文中提到短柱形成的問題及原因，在對多層建筑進行框架結(jié)構設計時要盡量避免出現(xiàn)短柱，由于短柱的抗震性能更加薄弱，為此需要通過合理的設計來避免更多短柱的形成。針對建筑樓梯間平臺梁或者其他原因不可避免產(chǎn)生短柱時要采取相應的措施，遵循結(jié)構設計原則和抗震性能設計要求進行處理，目的在于盡可能提高短柱的抗震性能。對于短柱的處理可采用外包鋼板或者配置x形鋼筋的方式來增強短柱穩(wěn)固性和抗震性，也可利用復合箍筋對短柱進行加密，以此來增強短柱的受剪力和變形能力，在結(jié)構設計施工過程中要保證短柱縱向布局對稱，且不同位置鋼筋設置密度需要保證配筋的合理性。

3.4 薄弱層問題及處理

關于薄弱層的判定通常由個人經(jīng)驗、分析計算或者強制指定等方式來確定框架結(jié)構中的薄弱層。通常利用軟件對薄弱層進行計算，以結(jié)構的抗側(cè)移剛度、樓層承載力數(shù)值以及樓層側(cè)向剛度平均值來自動指定結(jié)構薄弱層。多層建筑整體框架結(jié)構中，薄弱層是對抗震構成最大威脅的結(jié)構層，為此可通過加強樓層的抗側(cè)移剛度或者拓寬結(jié)構層柱、梁截面面積來改善薄弱層問題。目前在多層建筑框架結(jié)構設計時若遇到無可避免的薄弱層，需要經(jīng)過結(jié)構計算和設計圖紙額度方式來對薄弱層的受剪力、變形能力和抗震性能進行分析計算，按照建筑抗震設計規(guī)范相關規(guī)定來放大薄弱層地震受剪力系數(shù)，從而準確計算出薄弱層樓層強度系數(shù)。

4 結(jié)語

多層建筑框架結(jié)構的設計事關建筑施工質(zhì)量和居住安全，在框架結(jié)構設計及施工中都需要嚴格遵循正確的設計原則和設計理念，針對框架結(jié)構設計出現(xiàn)的問題及原因進行有效處理，從而確保建筑框架結(jié)構布局的合理性，在保證建筑結(jié)構設計科學合理，施工安全的基礎上還能不斷提高多層建筑工程經(jīng)濟效益。