论框架结构设计中问题要点的分析

张　敏

摘要:对于一项工程设计来说,其质量的好坏,很大程度上取决于设计人员对工程状况的了解和处理具体问题所具备的素质是否到位。本文作者根据多年的相关工作经验,就高层建筑中框架设计这一模块,提出了自己的一些见解。

关键词:框架结构设计 后浇带 箍筋加密

1 框架梁柱截面尺寸的选取及其影响因素

1.1 框架梁截面尺寸的选取 近年来,我国很多设计人员根据大量的工程实践经验,设计框架梁时,在高度取值上已有了不同过去的规定,一般为跨度的1/18～1/15。在现行高层规程中已规定取跨度的1/18～I/10。譬如像8m左右柱网的一般民用建筑,框架主梁高度取500mm左右,宽度为350～400mm。

1.2 框架柱截面尺寸的选取及其影响因素 进行高层建筑的框架结构设计时,由于框架柱所受的轴向力较大,柱的截面尺寸要根据轴压比限值进行假定,因为框架柱的轴压比限制条件是要保证柱的延性。

新规程相对旧规程,在柱的最小截面尺寸规定上已有所降低。矩形截面柱的边长,非抗震设计时不宜小于250mm,抗震设计时不宜小于300mm。

影响高层框架柱截面尺寸的因素主要是结构的侧移限制条件。

高层建筑层数多、高度大,为保证高层建筑具有必要的刚度,应对其层位移加以控制。这个控制实际是对柱截面尺寸控制的一个相对指标。

在正常使用条件下,限制高层建筑结构层间位移的主要目的有两点:①保证主结构基本处于弹性受力状态,即避免混凝土柱出现裂缝;同时,将混凝土梁等楼面构件的裂缝数量、宽度和高度限制在规范允许范围之内。②保证填充墙、隔墙和幕墙等非结构构件的完好,避免产生明显损伤。

迄今,控制层间变形的参数有三种:即层问位移与层高之比(层间位移角)、有害层间位移角、区格广义剪切变形。考虑到层间位移控制是一个宏观的侧向刚度指标,为便于设计人员在工程中应用,高层规程采用了层间最大位移与层高之比。对框架结构,其限值为1/550。

因此,选择的柱截面尺寸既满足轴压比规定,又满足层间位移控制条件,是方案设计阶段需慎重处理的一个问题。

由于框架结构的抗侧移刚度较小,当层数较多时,框架柱的截面尺寸常常由侧移限制条件所控制,而框架柱的截面尺寸的增大对抗侧移刚度的贡献又较小,往往造成框架柱的截面尺寸较大,按内力计算的柱配筋常常是按构造配筋,并且过大的柱截面尺寸又影响建筑的合理使用,尤其是高层住宅,10层左右时取柱截面为800mm×

800mm,墙体厚一般为240mm,会严重影响住宅的内部布置,当然还有框架梁高的不利影响。

2 后浇带

结构由于过长、受力不均匀等原因,需要设置变形缝(三缝),由于设缝的处理有时比较困难,建筑专业对缝比

较反感。现在越来越多的建筑都以后浇带代替变形缝,即在施工时,先预留800～1000mm左右的缝,过若干时间后浇混凝土。

代替沉降缝的后浇带,一般后浇时间为主体结构完工后。如果基础置于压缩模量大的土层或砂土上,则在后浇混凝土前沉降已基本处于稳定,利用后浇带代替沉降缝基本是可取的。如果置于压缩模量较小的土层,则后期沉降量占有一定的比例,后浇带浇筑后还会继续存在较大的沉降差,不能光靠后浇带解决所有问题,需要在结构上采取其他构造措施加以解决。

对于代替伸缩缝的后浇带,一般后浇带预留的时间为几个月,此时,采用了后浇带,混凝土浇灌时收缩变形基本上不产生附加应力,能起到较好的作用。但后浇带浇灌后至建筑物正常使用阶段,由于自然温差引起的伸缩仍会产生附加应力,与不设后浇带基本一样,这点应引起足够的重视。

另外,后浇带处钢筋如果切断,则锚固长度较难以保证,特别是梁中钢筋较粗,而后浇带宽一般只有800mm左右,难以满足规范的锚固要求,而且所有钢筋在同一截面截断锚固有违规范要求。如果钢筋不断,则混凝土收缩时会引起钢筋产生预应力,如此力与正常受力方向一致,则降低了承载力。

因此,工程中不能一概用后浇带代替结构缝,应对后浇带的作用进行客观分析,对其带来的不利因素或不能解

决的问胚等应采取其他措施加以弥补。附带指出,利用各种膨胀剂同样有以上后浇带类似的问题。

3 结构的内力调整

《建筑抗震设计规范》继续采用“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点强锚固弱构件”的设计思想,依据结构类型、抗震设防烈度和房屋高度决定结构抗震等级;然后按抗震等级对结构构件设计内力进行调整。在该规范中,结构抗震等级分为四级(一、二、三和四级)。高层规程根据高层建筑的自身特点又做了一些补充规定,增加了特一级。各抗震等级的梁、柱均对组合内力设计值进行不同系数的调整,用来限制大震下塑性铰区出现部位,避免或减少脆性剪切破坏先于弯曲破坏加强柱根部推迟塑性铰形成,控制倒塌,做到“小震不坏,中震可修,大震不倒”。

3.1 内力调整的分类 高层建筑结构在荷载作用下,经过结构分析计算,求得各构件的内力标准值,再进行各种修正和调整得到设计值。内力修正和调整一般分为两类。第一类属于结构整体内力调整,主要包括:楼层最小地震力限值控制、薄弱层地震剪力放大、框剪结构中框架部分所受地震总剪力的调整及框支转换层中框支柱地震剪力的调整等。这类调整的特点是,在不满足规范的某些规定时才进行调整,而且调整的部位和调整系数的大小一般均需在计算后才能确定。第二类则是梁、柱的构件内力或组合内力的调整。此类调整的部位明确,调整系数的大小可根据抗震等级确定。

3.2 内力调整的方法 在《建筑抗震设计规范》中,给出了各种内力调整的表达式。这类调整又分以下3种情况:一是直接在柱端标准内力弯矩组合值上乘以增大系数。二是对内力组合中的个别工况内力进行调整,例如框支柱的轴力调整只对地震作用下的轴力进行。此时,在对各工况内力组合之前,先把地震轴力进行放大后再组合。三是框架梁的剪力调整,只是对梁两端的固端弯矩引起的剪力进行调整,而对后迭加的竖向荷载引起的简支梁剪力不加调整。

3.3 内力调整系数 按照《建筑抗震设计规范》,进行现浇钢筋混凝土房屋抗震等级的划分。根据结构类型、设防烈度和房屋高度,可以决定结构的抗震等级。

4 箍筋加密

抗震设计中,框架梁的粱端1.5h～2h(h为梁高)范围内箍筋需要加密。这是为了使梁端可能产生塑性铰的区域有较好的延性,这也是抗震设计的构造要求。显然,构件除了要满足抗震构造要求外,还需保证在受力状态下的安全,如梁还应满足竖向荷载作用(或与水平荷载组合作用)下抗剪承载能力的要求,以此确定抗剪箍筋的数量。不少设计人员用程序计算时在加密区1.5h～2h长度内满足梁端部受力和构造要求(如箍筋间距取为100mm),而在非加密区长度内的箍筋数量则按加密区箍筋数量的50%配置(如箍筋间距取为200mm),这是不能保证安全的。分析如下:

框架梁在竖向荷载作用下,剪力图反对称,若中间的箍筋数量按加密区箍筋数量的50%配置,则加密区的长度至少需要L/4(L为梁长)。在一般情况下,梁高h小于L/8,则L/4就大于2h,加密区长度取2h就满足不了抗剪的要求。在水平荷载为主要荷载的情况下,剪力图偏于一边,中间部位的剪力一般情况下只比端部最大剪力小20%～30%,有时甚至与端部剪力基本一致,此时梁全长都需要按端部剪力配置箍筋。

因此,设计人员应重视这一情况,最好按端部剪力和梁上荷载计算出中间部分的剪力进行计算配置;如果简化,为安全起见,应在梁全长范围内都按端部最大剪力配置箍筋,最大间距为100mm(一、二级抗震)或150mm(三、四级抗震)。

5 结语

纵观全文,笔者从粱柱截面尺寸选择、轴压比限制、侧移控制、箍筋加密及抗震设计内力的调整等方面的情况做了一些探讨,希望得到的相关结论能够得到同行的提点。

参考文献:

[1]方部华.高层建筑结构设计[M].北京:中国建工出版社.2003.

[2]葛楠,侯爱波,周锡元.矩形高层建筑结构扭转风振反应时程的分析计算[J].建筑科学.2007.

[3]木建强.高层建筑结构的振动控制[J].山西建筑.2007.