框架結(jié)構(gòu)設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

康 樂 山西晉設(shè)拓凡建筑設(shè)計咨詢有限公司工程師

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)充分考慮現(xiàn)實情況，嚴(yán)格遵循國家相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求，確保建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。框架結(jié)構(gòu)是建筑工程目前常用的結(jié)構(gòu)形式之一，為提高框架結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量，應(yīng)在正確認(rèn)識框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，把握好框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的要點，尤其是要注意細(xì)節(jié)問題，從而充分發(fā)揮框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計水平。

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則

1.1 保障建筑物的穩(wěn)定性

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，建筑造型如果為規(guī)則形體，則可保證側(cè)面與豎向剖面受力的均勻。但在實際建筑設(shè)計中，為確保造型的新穎性，很多設(shè)計人員盲目增加結(jié)構(gòu)設(shè)計的復(fù)雜程度，不僅無法滿足受力要求，還會導(dǎo)致抗震性能降低[1]。因此在實際開展建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候，應(yīng)采取有效的措施確保水平荷載可以得到順利傳遞，確保剛度重心、結(jié)構(gòu)重心的重合，預(yù)防結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)、偏心現(xiàn)象的發(fā)生，保障建筑物建成后的穩(wěn)定性[2]。

1.2 確保使用功能滿足要求

建筑是關(guān)系到民生的重要基礎(chǔ)設(shè)施，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，不僅要確保其具備居住功能滿足人們的需求，還要具備一些其他功能，如安全、健康、綠色環(huán)保等。當(dāng)前，人們的經(jīng)濟(jì)條件得到了明顯提高，對物質(zhì)文化生活的要求不斷提高，因此對建筑物的要求也有所提高。為此在實際開展結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要充分考慮受力是否簡單、明確，并且對各結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行準(zhǔn)確評估，從而確保建筑物的使用功能。

1.3 充分考慮安全問題

無論是何種類型的工程項目，安全性均是應(yīng)當(dāng)首要考慮的問題。建筑物的安全性對人們的居住舒適性、人身財產(chǎn)安全等產(chǎn)有著直接影響。影響安全性的因素多種多樣，如果在設(shè)計階段考慮得不夠全面，則可能帶來安全隱患，無法為施工提供有效的指導(dǎo)，甚至威脅施工安全。因此建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，必須高度重視安全問題，加強(qiáng)安全管理，對設(shè)計師開展安全培訓(xùn)，提高設(shè)計師的安全意識，預(yù)防安全問題的發(fā)生。

2 框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢與框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點

隨著科技的迅速發(fā)展，建筑領(lǐng)域的研究與實踐不斷增多，涌現(xiàn)了一些新的建筑結(jié)構(gòu)形式。同時，為適應(yīng)市場需求的個性化、多樣化轉(zhuǎn)變，各種不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)形式越來越多。面對新的建筑結(jié)構(gòu)形式，如果依然采取傳統(tǒng)設(shè)計方法，便不可避免地會出現(xiàn)一些問題，造成大量的資源與資金浪費。在以往的建筑設(shè)計中，設(shè)計師將側(cè)重點放到了提高安全性方面，但在很多時候會提高建筑工程的成本，影響其經(jīng)濟(jì)效益，還會導(dǎo)致資源的不必要浪費，無法提高資源利用效率，不符合綠色建筑理念。

隨著生活水平的不斷提高，人們對建筑物提出了更高的要求，不僅要具有安全性，也要具備更好的使用功能。在建筑物中，框架結(jié)構(gòu)通常情況下是作為承重結(jié)構(gòu)使用，其是由梁、柱進(jìn)行剛性連接而構(gòu)成的，框架結(jié)構(gòu)的縱向荷載、水平荷載是由梁、柱共同抵抗的[3]。框架結(jié)構(gòu)具有材料用量小、重量輕、空間布置更加靈活的特征，可以更好地滿足人們對建筑物的多樣化、個性化需求。因此，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)高度重視框架結(jié)構(gòu)設(shè)計。

框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點主要體現(xiàn)在以下兩方面。

設(shè)計效率高。設(shè)計效率高是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要特點之一。具體來說，在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中，設(shè)計人員可以在復(fù)制單一設(shè)計內(nèi)容的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的有效完成。站在整體設(shè)計周期角度考慮，框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的設(shè)計周期相對較短，因此有利于促進(jìn)建筑工程項目建設(shè)周期的縮短、建設(shè)成本的降低。同時，開展連續(xù)性的設(shè)計，有利于降低設(shè)計中的誤差率，也可以有效提高后期的施工效率。

空間利用率高。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，空間利用率高也是框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個主要特點。具體來說，在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中，各區(qū)域的設(shè)計均屬于直線設(shè)計，或者是功能性區(qū)域設(shè)計、必要的建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計。框架結(jié)構(gòu)設(shè)計在增加建筑內(nèi)部有效使用面積、提高建筑內(nèi)部空間利用率方面發(fā)揮著良好的作用，同時解決了建筑內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容過于復(fù)雜而導(dǎo)致的空間利用率低、內(nèi)部有效使用面積浪費的問題。

3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中框架結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

3.1 基礎(chǔ)設(shè)計

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用框架結(jié)構(gòu)時，大多數(shù)是選擇條形基礎(chǔ)或者是獨立基礎(chǔ)，為確保建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量，應(yīng)做好基礎(chǔ)設(shè)計，充分考慮地基變形問題以及地基的承載性能，對地基大小進(jìn)行合理的規(guī)劃設(shè)計[4]。在對地基表面淺基層進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)充分考慮變形問題、承載性能，并要合理控制成本，以確保建筑工程的經(jīng)濟(jì)效益。在框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計過程中，可采取柱下條形基礎(chǔ)。

但在實踐過程中，必須要仔細(xì)觀察節(jié)點部位，明確基礎(chǔ)底部面積的實際情況，還要密切關(guān)注柱下擴(kuò)展基層的情況，確保其寬度以及均勻性符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求。如果發(fā)現(xiàn)問題，便可以采取加寬地基基礎(chǔ)的方法予以處理，但要對寬度進(jìn)行合理控制，確保地基埋深在3 m 以上即可。為確保地基承載力，應(yīng)做好防水工作，針對地下室，應(yīng)注意預(yù)防地下室外板延伸。同時，在開展框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，應(yīng)注意確保后澆帶的長度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。設(shè)置后澆帶的時候，應(yīng)間隔40 m，以保障基礎(chǔ)的穩(wěn)定性[5]。

3.2 梁柱中心線設(shè)計

框架結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量在一定程度上受到梁柱中心線設(shè)計水平的影響，因此必須高度重視梁柱中心線設(shè)計。應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求，對框架梁、框架柱中心線進(jìn)行合理設(shè)計，確保梁柱中心重合，如果梁柱中心線發(fā)生偏移，則需要仔細(xì)分析梁柱節(jié)點的實際受力情況，并深入研究受力與構(gòu)造間的關(guān)系。

3.3 短柱處理

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，針對大跨度柱網(wǎng)框架結(jié)構(gòu)，必須對框架梁、框架柱之間的關(guān)系進(jìn)行深入分析。在實際進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，應(yīng)有效處理短柱的構(gòu)造，采取短柱箍筋加密的方法，從而全面提升框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。對短柱進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，其具有抗震性能較差的缺陷，如果建筑框架結(jié)構(gòu)中存在短柱，則會影響建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及建筑物的安全性。

針對有連續(xù)窗的過梁，在實際設(shè)計的過程中，容易出現(xiàn)外部框架形成短柱的現(xiàn)象。樓梯間平臺梁也會引起短柱問題。在建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，必須充分考慮短柱問題，采取科學(xué)有效的手段解決短柱帶來的不利影響。在實際設(shè)計中，應(yīng)嚴(yán)格遵循我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，保證短柱抗震性能達(dá)標(biāo)。

3.4 抗震設(shè)計

抗震設(shè)計在建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中占據(jù)著重要的地位，直接影響著建筑物的安全性、穩(wěn)定性。

柱的抗震設(shè)計是一項非常重要的工作，在實際進(jìn)行設(shè)計的過程中，為提高柱的抗震設(shè)計水平，應(yīng)充分考慮剪力、作用力方面的影響，合理設(shè)計柱截面。在進(jìn)行抗震設(shè)計時，可以參考柱截面的標(biāo)準(zhǔn)高度與寬度，確保剪跨比大于2，并且根據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，如在確保剪壓比符合要求的前提下，則要對柱端截面剪應(yīng)力進(jìn)行合理控制，確保其剪應(yīng)力不超過3 N/mm2。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求，結(jié)合建筑工程實際情況，合理設(shè)計縱向鋼筋的配筋率，盡可能地在符合標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上實現(xiàn)配筋效力的提升，避免縱向鋼筋壓曲現(xiàn)象的發(fā)生，確保結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。但受到地震力的持續(xù)作用，柱端鋼筋混凝土層有可能發(fā)生損壞，若是箍筋量不足，則會降低其約束力，導(dǎo)致鋼筋膨曲問題的發(fā)生，降低建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。面對這樣的情況，應(yīng)科學(xué)設(shè)計箍筋。

為保障建筑物的安全性，應(yīng)進(jìn)行抗震優(yōu)化設(shè)計。可采取的措施包括外部加固設(shè)施，即在建筑外部安裝固定桿等來實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的提高；內(nèi)部安裝抗震裝置，如使用抗震阻尼器來實現(xiàn)框架結(jié)構(gòu)抗震能力的提高。

3.5 配筋設(shè)計

在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中，配筋設(shè)計也是一個重要組成部分。隨著建筑工程建設(shè)數(shù)量的增多、規(guī)模的擴(kuò)大，框架結(jié)構(gòu)這一結(jié)構(gòu)形式得到了越來越多的應(yīng)用。但在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)充分考慮頂層風(fēng)荷載因素，確保建筑高度與軸向力大小之間成正比，預(yù)防頂柱存在偏心力。究其原因在于，如果頂層存在軸向應(yīng)力則可能導(dǎo)致建筑截面重心偏離問題的出現(xiàn)。因此，在建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，對梁、柱配筋進(jìn)行合理設(shè)計。

框架外挑梁配筋設(shè)計。建筑結(jié)構(gòu)往往會受到多種因素的影響，挑梁設(shè)計便是一個重要的方面。在對框架外挑梁進(jìn)行設(shè)計時，建筑物的占地面積、使用功能均會在一定程度上影響設(shè)計質(zhì)量，其原因在于外挑梁、框架梁斷面之間存在著較大的差別。在對框架梁主筋進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)采取向外挑梁上擴(kuò)展的方法，這樣的方式可能會給結(jié)構(gòu)質(zhì)量帶來一定的影響，因此在計算的時候，應(yīng)充分考慮框架外挑梁承載情況，對配筋進(jìn)行合理設(shè)計，提高框架外挑梁的承載性能。

框架柱配筋設(shè)計。一般情況下，框架柱配筋比率并不高，發(fā)生地震的情況下，框架柱會承受較大的扭轉(zhuǎn)剪力。受到雙向偏心因素的影響，在地震發(fā)生時，內(nèi)柱有可能受到損傷，因此在配筋設(shè)計的時候，應(yīng)充分考慮各方受力情況。若是建筑物所在地區(qū)為松軟土質(zhì)，則要適當(dāng)將框架柱的配筋進(jìn)行增加，同時為了提高提升箍筋對混凝土的制約作用，實際設(shè)計中框架柱的扣筋方式通常情況下被設(shè)置為菱形或井字形。

3.6 優(yōu)化多道防線設(shè)計

站在應(yīng)力優(yōu)化、應(yīng)力控制角度考慮，在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)采取優(yōu)化多道放線設(shè)計，有利于提高建筑結(jié)構(gòu)的安全性，也可以保障后期施工安全。在實際開展框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，針對優(yōu)化多道放線設(shè)計，可以對梁、板、柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，如柱體構(gòu)件分布優(yōu)化、連續(xù)梁的設(shè)計等方面來促進(jìn)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計水平的提高，進(jìn)而實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計整體質(zhì)量的提高。對內(nèi)力應(yīng)力分布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，也有利于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力均衡性的提高，有利于增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.7 邊柱節(jié)點設(shè)計

隨著城市化建設(shè)進(jìn)程的加快，當(dāng)前高層建筑的數(shù)量越來越多，由于建筑高度的增加，導(dǎo)致建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)壓力也在不斷提高。在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中，邊柱節(jié)點設(shè)計一直以來便是一項繁雜的工作，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中更是如此，其原因主要是頂層風(fēng)荷載的影響。很多高層建筑頂端存在著房柱偏離中心的問題，導(dǎo)致高層建筑最頂層邊柱節(jié)點偏離中心只有柱截面高度的1/2。

面對這種情況，進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)對邊柱節(jié)點進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。在高層建筑頂層的框架中，梁柱不應(yīng)該少于兩根，且柱的寬度應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于梁的寬度。在這樣的要求下，實際開展框架結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)在建筑邊柱柱角中塞入主鋼筋，并結(jié)合建筑工程施工要求進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，確保邊柱節(jié)點符合建筑工程的實際情況。

3.8 支管接入設(shè)計

不同的建筑工程，框架結(jié)構(gòu)的支管接入的高度、角度也會存在一定的差異，這就給模具提出了更高的要求。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對諸多建筑參數(shù)有著嚴(yán)格的要求。在開展計算工作的過程中，所應(yīng)用的計算方法不同，計算結(jié)果也會出現(xiàn)一定的差異。應(yīng)對模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提升模塊應(yīng)用價值，節(jié)約建筑資源。

3.9 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

對于建筑工程來說，豎向荷載、水平作用力之間存在著明顯的差別。在計算豎向載荷時，可以采取彎矩二次分配、分層法等計算方法。在采用彎矩二次分配法時，需對各節(jié)點不均衡的彎矩進(jìn)行計算與分配，獲取相應(yīng)的數(shù)值；在采用分層法的時候，需使用固定端支護(hù)，取代上下兩層部分彈性支撐，然后將各樓層線剛度與0.9 相乘，得到的乘積便是內(nèi)力值。在對水平作用力進(jìn)行計算時，可以采用D 值法、反彎點法等計算方法。其中，D 值法的計算結(jié)果通常情況下更加準(zhǔn)確。但是，梁和柱線剛度較大時，反彎點法精度更好。

建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分析是一項比較煩瑣的工作，要求必須細(xì)致分析，相關(guān)人員必須全面考慮多方面的因素，才能獲得更加精準(zhǔn)的數(shù)值。

3.10 計算模型設(shè)計

在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中涉及一些計算問題。如在開展計算工作的過程中，往往會涉及一些力學(xué)公式。但由于受到各種因素的干擾，不可避免地會出現(xiàn)一定的誤差。應(yīng)提前設(shè)計好力學(xué)計算模型，仔細(xì)核算計算結(jié)果，確保各個配梁上的受力部分都被準(zhǔn)確分析，充分做好框架結(jié)構(gòu)空間預(yù)算，方可避免個別配梁的計算失誤，保障建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.11 荷載取值規(guī)劃

在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中，只有選擇最良的荷載組合，才能計算出最大的可承受外力，也就是荷載效應(yīng)。荷載包括兩種，即永久性荷載、可變性荷載，框架承重水平達(dá)到極限狀態(tài)的情況下，應(yīng)逐一對應(yīng)地計算對抗力與作用設(shè)計值。

4 結(jié)語

為確保建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計水平，應(yīng)嚴(yán)格遵循相應(yīng)的原則，包括保障建筑物的穩(wěn)定性、確保使用功能滿足要求、充分考慮安全問題等。框架結(jié)構(gòu)有著一定優(yōu)勢，在建筑工程中得到了越來越多的應(yīng)用，實際進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合實際把握好基礎(chǔ)設(shè)計、梁柱中心線設(shè)計、短柱處理、抗震設(shè)計、配筋設(shè)計以及荷載取值規(guī)劃等要點，從細(xì)節(jié)入手，確保框架結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量，充分發(fā)揮框架結(jié)構(gòu)的作用，為實現(xiàn)建筑工程建設(shè)質(zhì)量的提高奠定良好的基礎(chǔ)。