民用建筑框架結構設計要點與應用

楊遠杯

（廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

0 引言

隨著我國社會建設的快速發(fā)展，城市化的進程也在不斷的推進。為了滿足人們的生活需要，提高人們的生活質量，越來越多的民用建筑投入建設。在民用建筑設計中，得到最廣泛應用的結構體系是框架結構。雖然在吸取以往設計及工程經驗教訓的情況下，我們對框架結構的設計有長足的進步，但設計的不當還是會影響工程的施工質量，給工程質量留下安全隱患。因此把握框架設計的要點，提升設計質量有利于建筑能夠安全建設使用。

1 框架結構的特點

框架結構是由梁和柱共同組成的框架來承受房屋全部荷載的結構[1]。框架結構的優(yōu)點體現在以下3 個方面：①框架結構建筑的墻體不作為承重構件，僅發(fā)揮分隔及圍護的作用，因此可以采用輕質材料或新型材料作為墻體，降低結構自重。②因為墻體不承重，墻體能夠較靈活地布置，可以配合建筑要求圍合出適用的空間，也可以形成較大的空間滿足建筑使用功能。③采用現澆的混凝土框架，能夠使結構有較好的整體性，并且在滿足要求的情況下可以根據建筑立面需求，把梁柱澆注成所需的截面形狀。主要缺點為：側向剛度小，不適合在超高層建筑中采用。因此提高抗側剛度和側向位移是框架結構設計時需要重點考慮的因素。

2 框架結構的設計要點

2.1 合理進行平面布置

“規(guī)則、對稱、均勻”是結構平面布置遵循的基本原則，合理的結構平面布局能夠加強建筑結構的穩(wěn)定性，從而增強建筑的抗震性能。結構的平面布置主要包括柱網的布置以及梁板的布置。柱網的布置要盡量均勻分布，滿足建筑使用功能的同時要考慮梁的跨度，在民用建筑中，一般采用的柱跨為6～10m。梁截面的尺寸不僅取決于它的跨度，也取決于建筑的立面效果，在考量框架梁截面時要清楚建筑是否對梁截面有限制要求。板的厚度一般取決于板塊的跨度，因此在梁板布置時也要注重次梁的布置。在布置次梁時，傳力路徑要明確且直接，盡量減短荷載從次梁到框架梁的傳遞路徑，保證傳力路徑簡潔且有效。在民用建筑，特別是公用建筑之中，建筑功能或許會因使用要求有所改變，因此墻體下設梁的原則不一定適用，因此在保證荷載滿足的情況下可采取十字或者井字的次梁布置方式。

2.2 合理設置變形縫

在結構設計中，結構布置的基本原則是規(guī)則、對稱、均勻。但是隨著建筑設計需求的提升以及建筑理念的創(chuàng)新，為了達到理想的效果，如今的建筑設計往往會采取不規(guī)則的平面布置，這讓結構平面不規(guī)則的問題尤為突出，主要表現為：樓面大開洞，樓板不連續(xù)，平面大凹進、平面超長以及豎向體型收進。對于此類問題，合理的設置變形縫顯得尤為重要，它可以將復雜的結構體型劃分為若干個型體規(guī)則的單體，有效地減少應力集中、地震扭轉效應等導致的局部損壞發(fā)生。設置變形縫的原則如下：①設縫前應根據建筑平面布置進行整體分析。②變形縫宜設置在豎向體型收進引起兩側層數或層高明顯不一致的部位。③室外連廊以及類似的細腰部位宜設變形縫，若連廊為單跨結構，設縫后宜附屬在相鄰主體結構上。④應綜合考慮建筑使用功能，合理設置變形縫的位置。

2.3 基礎設計

基礎設計是結構設計的重要環(huán)節(jié)，為了保證建筑結構的安全質量，要做好基礎的設計。基礎設計前應仔細閱讀地質勘查報告，設計時要結合地質狀況與上部結構荷載，并且需要考慮經濟性的原則，選擇合適的基礎類型。多層民用框架結構在考慮經濟效益的情況下，一般采用柱下獨立基礎或者條形基礎。設計時應該結合地質資料確定持力層以及基礎埋深，充分考慮地基的承載能力以及地基的變形問題。樁基礎的承載力高，沉降量小，更適合在高層框架結構中使用。樁基礎設計時應結合鉆孔資料，認真核算樁基的有效樁長以及承載力，保證設計的合理性，并且需要考慮施工偶遇問題的解決方案。

2.4 柱結構設計

框架柱作為框架結構的豎向受力構件，將上部結構所受的荷載傳遞到基礎，是框架結構中最重要的構件。框架柱設計中要注意以下3 個方面。

（1）控制框架柱軸壓比。軸壓比反映的是框架柱的受壓狀況，控制軸壓比能夠保證框架柱有更好的塑性變形能力，保證框架結構有更好的延性，保證框架結構有較好的抗震能力。抗震等級越高，對軸壓比的限制也越嚴格，當軸壓比不滿足規(guī)范限值時，主要調整方式有增大框架柱截面以及提高框架柱混凝土強度。在民用建筑特別是公用建筑中，設計人員要考慮到房間使用功能變化導致的荷載變化，使框架柱軸壓比在滿足要求的同時具有一定的富余度。

（2）角柱構造加強。角柱是位于建筑平面的凸角部、與柱的正交兩個方向各只有一根框架梁與之相連接的框架柱[2]。在地震作用下，角柱在框架柱中會受到更大的扭轉剪力，在兩側框架梁的雙向彎矩作用下，扭轉效應的影響進一步加大。對此，為保證角柱的穩(wěn)定性，需要對角柱進行對稱配筋設計，在滿足計算配筋的同時還應該對角柱配筋適當加大，放大系數一般采用1.3～1.4。在抗震等級為一級以及二級的建筑結構設計中，角柱箍筋需要全高加密。

（3）短柱構造加強。當柱凈高與截面高度≤4 或剪跨度≤2 時，這種柱就稱為短柱[3]。短柱的剪跨比小，側向剛度大，在地震作用下吸收的地震力大，更容易受到破壞，影響結構的穩(wěn)定性與建筑的安全性。為了避免短柱脆性破壞的問題，筆者認為，首先需要正確判定短柱。因建筑功能所需設立的夾層或錯層、樓梯間的層間平臺梯梁等使柱子有效長度減小的情況都會形成短柱。對于結構中出現的短柱，要加強其構造措施，對其進行全高加密處理，提高短柱的抗剪承載力和延性，增強短柱的抗震性能。

2.5 梁結構設計

結構設計時應確保結構受地震作用時梁端斜截面受剪承載力不低于正截面的受彎承載力[4]，通過放大梁端剪力設計值與加強梁端加密區(qū)箍筋，合理設計和配筋，滿足強剪弱彎的設計原則。

框架結構設計中，梁端允許出現塑性鉸，設計人員可考慮塑性內力重分布對框架梁端負彎矩進行調幅，調整梁跨中與支座的彎矩，充分發(fā)揮材料的能力，調幅系數一般取值為0.8～0.9。

民用框架結構中常出現懸挑結構。懸挑梁屬于靜定結構，其根部一旦達到抗彎強度極限、出現塑性鉸，就會直接破壞，所以懸挑梁支座部位縱筋錨固至關重要[5]。在結構計算時應充分考慮懸挑梁的載荷情況，對懸挑梁進行合理的配筋設計：①梁面縱向受力鋼筋應該按照計算確定，鋼筋伸入支座的長度滿足錨固需求，對于連續(xù)梁邊跨外伸的懸挑梁還應不小于縱筋外伸長度。②懸挑梁受壓縱筋一般為受壓構造筋，但在考慮時豎向地震作用時，下部鋼筋可能受拉，需要按照計算結果配置足夠的鋼筋。

2.6 重視結構計算

目前的結構設計多會借助于結構計算軟件，根據軟件的電算結果驗證結構布置的合理性并進行截面確定、配筋等結構設計。結構計算軟件的正確運用，要求結構工程師有清晰的結構概念，能建立反映工程實際的計算模型[6]。在結構模型計算前，要嚴格把控計算參數。框架結構模型中，由于框架結構墻體不承重，在模型里以線荷載的形式表達，而墻體實際會給建筑提供一定剛度，因此在整體計算時模型的剛度會偏小，周期偏大，地震作用效應也會相應偏小，結構的安全儲備會降低。為了更貼合工程實際，需要根據填充墻的數量對模型進行周期折減，折減的參數一般為0.7～0.9。電算結果需要結合相應規(guī)范及行業(yè)標準，判斷其合理有效后才能應用于工程結構設計。合理的計算模型與電算結果不僅可以保證結構安全可靠，還能節(jié)約施工建設成本。

3 工程實例

3.1 工程概況

本工程為廣州某高校教學樓。地上9 層，無地下室，首層層高為5.5m，標準層層高為4.2m，結構高度為39.1m。本工程設計結構安全等級為二級，所在地區(qū)設防烈度為Ⅶ度，設計基本加速度為0.10g，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.35s，基本風壓為0.5kN/m2。考慮教學樓需要較大開間以及本工程的結構高度，采用框架結構，框架抗震等級為Ⅱ級。

3.2 結構分縫

建筑主體呈U 字形，西北側有單層的報告展廳，通過花架與主體相連接，層高為6m。根據設縫原則，同時為減少錯層引起的短柱，避免豎向剛度突變，減小地震力作用，將報告展廳與主體教學樓進行分縫處理，將建筑分為兩棟單體分別進行結構設計，主體結構模型如圖1 所示。

圖1 主體結構YJK 模型

3.3 結構布置

本建筑的主要柱跨為10m，框架柱按照房間布局及功能要求均勻分布。在保證結構安全下，考慮工程經濟性，柱截面和柱混凝土強度隨樓層逐漸減小。同時需要注意避免結構剛度的突變，截面與混凝土等級不可在同一層同時降低。

根據柱跨，框架梁的截面普遍采用300×800。由于建筑立面有所要求，通過與建筑設計師溝通確定，外側框架梁梁高提高至900mm 或1000mm，在滿足建筑要求的同時，能夠提高框架的側向剛度，減小整體建筑的扭轉效應。

次梁布置時要主次分明，傳力路徑清晰。本工程在板塊內通過布置平行次梁，將板塊分為面積均勻的單向板，滿足設計要求的同時能減小板厚，降低結構自重。

3.4 結構模型

本工程樓梯沒有設置彈性支座，采用現澆混凝土板式樓梯，因此需要考慮樓梯剛度對整體計算的影響，把樓梯建入結構模型。通過計算模型對比發(fā)現，樓梯的剛度會顯著提高樓層的剪力，減小結構的層間位移，樓梯周邊的梁柱配筋有所增加，若設計時不考慮樓梯剛度會為工程帶來安全隱患。

3.5 基礎設計

根據工程地質勘查資料，本工程地下局部存在淤泥質土，同時結構荷載較大，不適宜采用淺基礎。為減小不均勻沉降的影響，經過對比分析最終采用高強預應力混凝土管樁。本工程主體結構存在電梯基坑與集水井，首層局部存在設備間有降板需求，需要降低承臺標高予以避讓。

3.6 構造加強措施

本工大部分樁承臺面標高為-1m，承臺面至首層梁間柱為短柱，需要進行構造加強。設計時采用了兩種構造加強措施，具體如下：①該部分短柱除了全高加密外，還將箍筋的直徑提高一級。②首層梁底與承臺面較為貼近，在兩者的間隙填充混凝土，以增強短柱的抗剪能力。

由于南側建筑長度達到了66m，屬于平面超長，為了減低溫度作用帶來的不理影響，在結構中的超長向設置后澆帶，超長方向的板面筋不采用分離式配筋，板面筋沿超長方向通長拉通。

對于內凹部位，結構的連接較為薄弱，整體計算時將該處樓板定義為彈性膜，復核此處樓板在地震工況下的應力狀態(tài)；設計時將連接部位的板厚加厚，此處板筋適當放大配筋面積并采用雙層雙向拉通。

3.7 計算結果

從電算結果來看，結構的周期比、位移比、剛重比、剪重比、軸壓比等各項指標均滿足規(guī)范需要，能夠較好的滿足建筑安全性需求。

4 結語

隨著社會進步和科學發(fā)展，框架結構在工程中得到越來越多的應用。在實際進行框架結構設計時，設計人員要把握框架設計的各項要點，遵守相關規(guī)范標準的要求，綜合考慮各方面的因素，讓設計更安全、經濟、適用。對于工程中出現的問題，要結合工程實際，采取有效的應對措施和解決辦法，以此提高結構設計的整體質量，促進工程順利完成。同時要學會總結歸納設計施工經驗，為日后設計工作提供幫助。