混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程常見問題及細(xì)節(jié)處理

李海娟

（山西省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西 太原 030000）

1 混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

混凝土框架結(jié)構(gòu)目前主要應(yīng)用于高層建筑工程的施工建設(shè)之中，整體結(jié)構(gòu)主要由梁、柱兩部分構(gòu)成，剛性節(jié)點(diǎn)連接，屬于幾何不變體。就現(xiàn)有的應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分析，防震性以及抗風(fēng)性是其最為值得關(guān)注的重點(diǎn)，混凝土框架結(jié)構(gòu)因?yàn)槠渥陨淼奶攸c(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)對于建筑平面布置的優(yōu)化調(diào)整，使得規(guī)劃開發(fā)建設(shè)的建筑工程項(xiàng)目能夠滿足更加廣泛的使用需求，其應(yīng)用場景如圖1所示。著手開展混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作時，工作人員需要保持認(rèn)真、細(xì)致的工作態(tài)度，把控好具體涉及的各類細(xì)節(jié)問題，最終提升設(shè)計(jì)質(zhì)量[1]。進(jìn)一步分析可知，應(yīng)當(dāng)從以下環(huán)節(jié)著手把控好設(shè)計(jì)工作的要點(diǎn)，從而保障各環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)工作的有序推進(jìn)。

圖1 混凝土框架結(jié)構(gòu)應(yīng)用場景

（1）應(yīng)當(dāng)明確混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。混凝土框架主要由梁柱構(gòu)件組成，因此既能夠承受豎向的荷載，又能夠承受水平風(fēng)荷載以及地震作用。為了保證整體框架結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性，需要在設(shè)計(jì)過程中合理地考慮建筑場地條件、抗震設(shè)防類別、抗震等級等，合理地進(jìn)行平面和豎向布置，再通過內(nèi)力計(jì)算以及各種構(gòu)造措施的調(diào)整，將其設(shè)計(jì)成具有良好抗側(cè)力剛度的雙向梁柱鋼架體系，用以承受兩個方向的地震作用或風(fēng)荷載[2]。

（2）要通過合適的措施確保框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠達(dá)到延性要求。延性良好是框架結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能的保證，所謂延性是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在屈服后，在承載能力基本不降低的基礎(chǔ)上，具有足夠的塑性變形能力的一種性能。強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件是延性設(shè)計(jì)的基本原則，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)好梁的截面及配筋，以實(shí)現(xiàn)其混凝土和鋼筋的合理受力分配；控制好框架柱的剪跨比、軸壓比、剪壓比等延性指標(biāo)，使其符合和技術(shù)規(guī)范的措施要求，從而保證框架結(jié)構(gòu)具有良好的延性性能。

（3）重視結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的選用。基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是保證建筑結(jié)構(gòu)安全的根本。基礎(chǔ)的形式大體可分為淺基礎(chǔ)和深基礎(chǔ)兩類，淺基礎(chǔ)一般指天然地基上的獨(dú)立基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)、箱型基礎(chǔ)等，深基礎(chǔ)是指埋深較大，上部荷載通過樁集中傳給深層持力層，通過樁側(cè)阻力和樁端阻力來提供承載力的基礎(chǔ)。有關(guān)于框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)形式的選擇需要綜合考慮建筑物的上部結(jié)構(gòu)形式、抗震設(shè)防要求、所在場地的地質(zhì)水文條件、周邊建筑物以及環(huán)境條件等因素，還要配合滿足其他設(shè)備專業(yè)的設(shè)計(jì)要求，以及當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)預(yù)算、施工水平，最終的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)結(jié)果要能夠滿足地基承載力要求和地基容許變形的要求。為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的下一步工作打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[3]。

（4）應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注結(jié)構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計(jì)。構(gòu)造措施包括抗震構(gòu)造措施和非抗震構(gòu)造措施，構(gòu)造設(shè)計(jì)是貫穿于整個結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)重點(diǎn)。構(gòu)造設(shè)計(jì)要遵循相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，根據(jù)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)條件及各種參數(shù)采取正確的構(gòu)造措施，框架結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施包括梁柱的截面尺寸、梁柱縱筋及箍筋的配置、鋼筋的連接錨固以及梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)截面和鋼筋的要求等。合理的構(gòu)造設(shè)計(jì)措施能給結(jié)構(gòu)提供良好的延性，防止結(jié)構(gòu)倒塌，確保建筑結(jié)構(gòu)的安全。

2 混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的常見問題

2.1 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)問題

實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)人員很容易會忽略由于建筑體整體沉降量所造成的外力因素而對于整體混凝土框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成的影響。由此而造成的直接后果便是混凝土框架結(jié)構(gòu)的不規(guī)則形變或是非常規(guī)性沉降。參照實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)可知，混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作之中經(jīng)常會出現(xiàn)由于不同原因所造成的沉降或下陷等問題。由于建筑工程的地基結(jié)構(gòu)整體較為復(fù)雜，并且會在設(shè)計(jì)以及施工過程中涉及一定的坡度和角度值，所以要想做好這一環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)工作其實(shí)并不容易。基于上述現(xiàn)狀，建議設(shè)計(jì)人員以全面整合分析施工環(huán)境條件為前提針對實(shí)際設(shè)計(jì)工作中涉及的各類細(xì)節(jié)問題進(jìn)行統(tǒng)籌分析。以此為前提，設(shè)計(jì)人員還需要全方位考慮地基基礎(chǔ)負(fù)面應(yīng)力對于混凝土框架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的影響，并且可以根據(jù)實(shí)際情況酌情在地下室底板和受力層之間設(shè)置緩沖層，進(jìn)而從源頭著手避免混凝土框架結(jié)構(gòu)的不良形變問題[4]。

2.2 上部結(jié)構(gòu)缺陷問題

保證混凝土框架結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)的均勻性與規(guī)則性是保證混凝土框架結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)質(zhì)量的基本前提。實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，經(jīng)常會出現(xiàn)由于結(jié)構(gòu)均勻程度不足而造成的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)抗震薄弱環(huán)節(jié)的問題。因此設(shè)計(jì)時要考慮到沿建筑物的豎向，各種造型和結(jié)構(gòu)布置要均勻合理，結(jié)構(gòu)的平面要滿足規(guī)則性要求，質(zhì)量分布和結(jié)構(gòu)剛度要分布協(xié)調(diào)，控制質(zhì)量與剛度之間的偏心以滿足規(guī)范要求，避免因剛度、承載力和傳力途徑的突變，而使個別樓層出現(xiàn)敏感的薄弱部位，薄弱部位會產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中以及過大的變形，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過早地倒塌。建筑平面規(guī)則、結(jié)構(gòu)布置均勻，使地震作用實(shí)現(xiàn)重分布，增加結(jié)構(gòu)的贅余度數(shù)量，發(fā)揮整個結(jié)構(gòu)耗散地震能量的作用，保證結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。

3 優(yōu)化混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)舉措

3.1 控制混凝土框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸

對于框架結(jié)構(gòu)來說，整個結(jié)構(gòu)的抗側(cè)穩(wěn)定能力都是由框架梁柱來保證，因此梁柱截面尺寸的選定就尤為重要。對框架柱而言，尺寸的確定主要由軸壓比決定，但對于軸壓比的限值，設(shè)計(jì)過程中不宜太拘泥于接近限值，這樣不僅能減少配筋，也有利于實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁，同時軸壓比也不能太小，過小的軸壓比會增大柱的截面尺寸，從而增加了混凝土用量，為了滿足最小配筋率；而過大的截面尺寸會導(dǎo)致配筋量的增加[5]。

對于直接于框架柱相連的框架梁，跨高比一般取為1/10～1/12，實(shí)際設(shè)計(jì)中可以看到，當(dāng)梁的截面寬度較小而配筋量較大時，鋼筋配置往往需要放2～3排鋼筋，這樣就會減小梁的有效截面高度，因此在不影響建筑使用功能的前提下，盡量布置成單排主筋，特別是梁截面高度尺寸不大的情況下，避免三排鋼筋的布筋方式。另外從規(guī)范中梁的最小配筋率和最小配箍率公式可以看出，混凝土強(qiáng)度等級不宜太高，鋼筋宜選用高強(qiáng)度鋼筋，這樣不僅有利于降低最小配筋率和最小配箍率，從而減少用鋼量，更有利于提高梁作為受彎構(gòu)件的抗裂性能。

3.2 梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)

框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)主要指梁柱構(gòu)件重疊的區(qū)域，是梁柱交匯的節(jié)點(diǎn)區(qū)域。此處的設(shè)計(jì)是框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的又一重點(diǎn)。歷次震害都可以看出，這個區(qū)域是結(jié)構(gòu)破壞的主要部位，破壞后難以修復(fù)，甚至?xí)鸾Y(jié)構(gòu)倒塌。節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗震設(shè)計(jì)的原則是要求框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)不先于梁、柱破壞。由于梁柱交匯處鋼筋密布，受力狀態(tài)復(fù)雜，施工難度也大，因此在結(jié)構(gòu)規(guī)范中，對于節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的截面及抗剪承載力都有專門的規(guī)定與限值[6]。

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中的附錄D中明確了核心區(qū)截面的高度和有效驗(yàn)算寬度，其中截面高度可取驗(yàn)算方向的柱截面高度；有效驗(yàn)算寬度，當(dāng)驗(yàn)算方向的梁截面寬度不小于該側(cè)柱截面高度的1/2時，可采用該側(cè)柱截面寬度，當(dāng)小于柱截面寬度的1/2時可采用下列公式中后兩者的小值。在梁柱中心線無法重合的情況下，其核心區(qū)域的截面驗(yàn)算寬度主要參照的是下列3個公式計(jì)算結(jié)果中的較小值，其重點(diǎn)在于混凝土框架結(jié)構(gòu)中梁柱間的偏心距指標(biāo)。為了保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需要讓其偏心距指標(biāo)控制在柱寬的1/4之內(nèi)，即e≤1/4bc。

梁柱外側(cè)相平的節(jié)點(diǎn)是工程中普遍存在的梁柱偏心節(jié)點(diǎn)，偏心距為e=0.5（bc-bb），將其帶入上述公式得出結(jié)果如下。

由上述結(jié)果可知，有效寬度bj在實(shí)際計(jì)算過程中容易受到節(jié)點(diǎn)梁寬以及柱截面尺寸因素的影響，且尚未凸顯梁柱節(jié)點(diǎn)偏心距和梁端水平加液的實(shí)際影響程度，對于偏心距e＞bc1/4的現(xiàn)象未給出實(shí)際的計(jì)算公式，只有合理地確定了核心區(qū)的范圍，才能進(jìn)行后續(xù)核心區(qū)剪力設(shè)計(jì)值和截面抗震受剪承載力的計(jì)算。

3.3 梁端彎矩調(diào)幅優(yōu)化配筋

在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，考慮到梁端負(fù)彎矩較大會應(yīng)用到較多的配筋，增加了工程施工的難度。因此，在豎向荷載作用下，要綜合考慮塑性內(nèi)力重分布，降低梁端負(fù)彎矩以此來減少配筋的使用。工程施工規(guī)定，現(xiàn)澆框架支座的彎矩調(diào)幅系數(shù)應(yīng)該控制在0.8～0.9，采用裝配整體式框架結(jié)構(gòu)，調(diào)幅系數(shù)應(yīng)控制在0.7～0.8。同時要求只能對豎向荷載作用產(chǎn)生的梁端彎矩進(jìn)行調(diào)幅，不得調(diào)幅水平荷載作用產(chǎn)生的梁端彎矩，設(shè)計(jì)人員可在配筋計(jì)算過程中對內(nèi)力設(shè)計(jì)值進(jìn)行適當(dāng)調(diào)幅，具體操作過程應(yīng)先調(diào)幅豎向荷載產(chǎn)生的彎矩，之后再將其與水平荷載產(chǎn)生的彎矩進(jìn)行組合。

3.4 優(yōu)化細(xì)節(jié)處理措施

混凝土框架建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅要滿足地方的建設(shè)規(guī)定，其設(shè)計(jì)類型、功能特征還要滿足工程建筑的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，特別是在實(shí)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，嚴(yán)禁出現(xiàn)違反設(shè)計(jì)規(guī)定的相關(guān)設(shè)計(jì)。混凝土框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性直接影響著房屋的質(zhì)量和使用壽命。對于建筑物的防震能力來說，建筑物的布置和樓層一定程度上也會影響到建筑的防震作用，而混凝土施工建設(shè)的等級標(biāo)準(zhǔn)則能夠有效降低因震動而給建筑物帶來的損壞。因此設(shè)計(jì)人員要嚴(yán)格落實(shí)建筑抗震構(gòu)造的具體措施，明確結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的重難點(diǎn)工作和注意事項(xiàng)，以此來提高建筑結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性[7]。

針對框架梁截面等方面的問題，要從實(shí)際情況出發(fā)，采用相應(yīng)的對策做好設(shè)計(jì)調(diào)整。以構(gòu)件最小配筋率驗(yàn)算這一環(huán)節(jié)為例，其主要目的是防止構(gòu)建發(fā)生少筋破壞等問題，設(shè)計(jì)人員要基于影響最小配筋率的各類因素做好分析調(diào)整。此外，如果建筑結(jié)構(gòu)布局存在不合理現(xiàn)象時，設(shè)計(jì)人員要及時進(jìn)行干預(yù)和制止，針對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行科學(xué)化的調(diào)整和改變，并制定切實(shí)有效的措施重新進(jìn)行調(diào)整安排。

3.5 落實(shí)各項(xiàng)注意事項(xiàng)

社會在發(fā)展，人類對于自然資源的開發(fā)利用建設(shè)也已經(jīng)進(jìn)入了新階段，但有關(guān)自然災(zāi)害的發(fā)生概率卻大有逐漸升高的趨勢。對應(yīng)到建筑施工行業(yè)之中，需要重點(diǎn)關(guān)注對于地震或區(qū)域性大規(guī)模降水等自然災(zāi)害的研究預(yù)警工作。目前，有關(guān)機(jī)構(gòu)正在積極開展這方面的研究實(shí)踐，但由于涉及面較廣，因此各方面的細(xì)節(jié)工作仍舊處于需要進(jìn)一步完善的階段。對應(yīng)建筑混凝土框架的設(shè)計(jì)工作，需要注意通過設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)方法的優(yōu)化調(diào)整來提升其抗震性能，從而保障建筑工程的施工質(zhì)量以及使用性能。例如在條件允許的情況下，可以通過采用預(yù)應(yīng)力加固的方式提升混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而達(dá)到減小原有設(shè)計(jì)模式之下混凝土框架結(jié)構(gòu)存在的風(fēng)險(xiǎn)隱患的目的。以受拉區(qū)承載力不足而造成的框架結(jié)構(gòu)損壞問題為例，具體示意圖如圖2所示。主要表現(xiàn)為受拉區(qū)鋼筋承載力不足而導(dǎo)致的延性破壞、受拉區(qū)裂縫寬度過大或梁整體撓度過大。建議采用擴(kuò)大鋼筋截面、受拉區(qū)粘貼鋼板或是預(yù)應(yīng)力加固法。

圖2 受拉區(qū)承載力不足而造成的破壞問題

4 結(jié)語

混凝土框架結(jié)構(gòu)雖然并不復(fù)雜，但在實(shí)際施工過程中卻容易出現(xiàn)各種各樣的問題，不僅影響著建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，對建筑工程的后續(xù)施工和工程質(zhì)量都有著直接影響。因此，設(shè)計(jì)人員要嚴(yán)格對照國家建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)落實(shí)設(shè)計(jì)工作，從實(shí)際情況入手，采取有效手段規(guī)避上述問題的發(fā)生，以達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。