框架剪力墙结构设计的合理性及施工中具体问题的探讨

李鹏(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京市 102600)

结构设计本身是一个非常复杂的过程，既要考虑到结构的安全性和经济性，也要充分考虑到建造的难度等因素。现在设计和施工的关系也越来越密切，只有在设计当中充分考虑到施工建造的技术，以及可能遇到的问题才能最终实现合理设计目标。 同时，随着建筑行业的不断发展，也应该不断探索和尝试新的建筑材料及施工方案，推动整个行业的不断进步。

结合单位新建项目来看，本项目为框架剪力墙结构，主要结构是框架，由梁柱构成，小部分是剪力墙，可形成内部大空问，能进行灵活的建筑平面布置，因此，框架结构体系在结构设计中应用也比较广泛。框剪结构是框架结构和剪力墙结构两种体系的结合，吸取了各自的长处，既能为建筑平面布置提供较大的使用空间，又具有良好的抗侧力性能。因此，这种结构已被广泛地应用于各类房屋建筑。

框架结构的变形是剪切型，上部层间相对变形小，下部层间相对变形大。剪力墙结构的变形为弯曲型，上部层间相对变形大，下部层间相对变形小。对于框剪结构，由于两种结构协同工作变形协调，形成了弯剪变形，从而减小了层间相对位移比和顶点位移比，使结构的侧向刚度得到了提高。

一、设计阶段的合理性建议：

1.高强混凝土的使用

从结构材料的发展趋势来看，高强材料的使用将越来越多，根据我国已经修订，最新修订的混凝土结构设计规范中对普通钢筋的规格进行了较大的调整，这对设计和施工人员都有比较大的影响。从旧版规范规定钢筋主要有三个等级，分别是一级钢，二级钢和三级钢，新修订的混凝土规范钢筋品种取消了强度较低的235兆帕钢筋，把500兆帕的钢筋作为新型钢筋引入。现在400兆帕的钢筋在设计当中已经采用，500兆帕的钢筋需要有一个逐渐熟悉，使用的过程，从欧美的情况来看，更高强度的钢筋已经大量的采用，400-600兆帕的钢筋，叫做中强钢筋。采用高强度钢筋可以节约大量的能源、电力、运输和加工费用，减少粉尘和污染物的排放。通过一些设计实例的对比，采用500兆帕高强钢筋以后可以减少钢筋的用量12%左右(1)，可以说在经济性上有着很大的优势。

2.钢材的合理使用

钢材作为建筑结构的主要的材料，对造价成本有很大影响。钢材有很多性能，其中一个性能是冲击韧性，属于低温工作性质。常用的是BCD级，我们有的时候在设计里面选用的是C级钢材或者是D级钢材，这时候对冲击韧性比较高，但是往往订货时间比较长，其实每个等级的差别价格并不大，但是性能有明显的差距。应该提前多沟通，对设计元件多了解，应该把钢材等级确定准确，因为成本不高的情况下把成分进行控制，这方面多下一点功夫，可以获得很好的效果。因为冲击韧性不但是在低温下工作性能，而且对焊接性、抗震性能都有一定的影响。

对于设计人员一般情况下比较注重用钢量控制，有些工程业主规定一个最高用钢量指标，从技术角度看可以说不尽合理。我们希望能够提出一种综合考虑材料与能源消耗和劳动力成本新的指标体系，不是单一的指标。如果只单方面的压低用钢量，造成型钢型号很多，表面上看都充分发挥了各构件的作用，但与此同时，加工量也大大的增加了。综合来看无疑是适当的多采用轧制比较合理，这也是一个产业的导向。现在设计人员会面临着一个问题，总是怕指责用钢量大，千方百计来压，实际上材料的消耗，劳动力的消耗并不小。所以我们急需建立起一个明确的指标体系，来更准确地指导设计人进行设计。

3.施工中荷载的影响：

施工荷载，往往会引起一些问题，施工期间会有很大的荷载，特别是正负零位置，这也是楼板开裂或者工程事故引起的主要原因。这一次正在修订的建筑结构荷载规范对这个有明确规定，当有地方需要进行加强，换句话说我们作为设计人员来讲不但要考虑将来正常使用的功能，在施工阶段要考虑余量，不然对有超载情况还需加固，将造成很大的浪费。

施工过程模拟分析。今天讲到的设计问题都是和施工相关的，施工过程与结构内力，以前这个课题，这个话题不是很重视。实际上任何的建筑结构是在施工过程当中逐渐形成钢度和质量。换句话说施工的过程对结构和构件的作用会有非常大的影响，如果施工顺序与设计顺序存在差异，可能形成安全隐患。特别是超高层还有一些特殊的大跨度结构，结构在自重下所占内力比重比较大，这个顺序也是很明显的。

4.节点部位结构形式复杂

在进行结构设计时，有时候出于受力及美观原因，局部位置会设有较为复杂的角柱及节点，而在施工时这些位置由于构造复杂而造成钢筋绑扎、模板安装的不便，部分施工单位无法按照设计要求进行施工。这时便需要设计人员在进行结构设计时，尽量简化设计，少用结构复杂的节点，提前考虑施工中的难点，做好施工指导。

二、施工阶段问题的分析

1.混凝土强度等级达不到设计要求的处理方法

在实际施工中，混凝土施工过程既要满足控制柱截面的要求，又要满足柱子轴压比的要求。因此，柱子通常采用较高强度等级的混凝土。而对于以受弯为主的楼层梁板，混凝土强度等级却不宜太高，这样会造成结构设计矛盾(2)。

首先，如采用高强度等级混凝土对梁板抗弯承载力提高不明显；其次，高强度等级混凝土对构件承受非荷载应力不利，如混凝土收缩应力、温度应力等。因此，在结构设计中一般现浇框架的混凝土强度等级不宜高于C40。在实际工程设计中，比较合适的楼盖混凝土强度等级通常采用C25至C40之间。由此可见，高层建筑混凝土框架结构的柱混凝土设计强度高于梁板的设计强度必然存在，而且随着建筑物高度的增大，两者的设计强度差距会越大，特别是在高层建筑的下部。

目前施工中，混凝土的浇筑多采用商品混凝土泵送工艺，施工单位通常将竖向构件与水平构件分批集中浇筑，在梁柱节点区多采用强度等级较低的梁板混凝土浇筑。如要求施工时对其中的梁柱节点进行单独浇筑，因节点部位混凝土量、需要量较少且分批浇筑时间不易控制从而易导致质量事故，另外，节点区与梁板之间施工范围难以分割，因此，在施工中也难以推行。

对高层建筑框剪结构的竖向构件和水平构件的混凝土强度，要进行合理取值(3)。竖向构件混凝土强度等级种类不应过多，且与竖向构件截面的变化要错层同步；水平构件混凝土强度等级取值要符合规范要求，尽可能与竖向构件相匹配，使实际施工简单化，尽量减少梁柱节点单独浇筑混凝土。

当梁板混凝土强度等级比柱低的不多时，节点区可用与梁板混凝土同强度等级的混凝土浇筑，其节点核心区截面承载力仍能满足要求。 随着梁板混凝土强度等级与柱的差距加大，梁柱节点区浇筑前需采取措施，并增设竖向短筋。如梁板混凝土强度等级比柱低20兆帕以上时，必须采用与柱同等级混凝土浇筑，为防止出现冷缝，建议同时进行浇筑。

2.梁柱节点区的箍筋施工

在框剪结构中，主要结构是框架，由梁柱构成，由于受力要求，梁柱节点施工比较复杂，主要表现为钢筋过于密集，节点构造复杂，施工难度非常大，特别是中间跨的梁柱节点，由于中间柱子钢筋纵横交错，箍筋绑扎不便，采用整体沉梁施工时节点区下部箍筋难以绑扎，致使很多工程在梁柱节点部位箍筋数量严重不足，甚至无法布置，给结构安全留下严重隐患。

施工时，可调整施工工艺，梁柱节点区可提前在加工厂焊接完毕，焊接时注意留好接茬，在纵向短筋上形成整体骨架，再将整体骨架套入柱纵筋并搁置在楼板模板面上，穿梁钢筋并绑扎。为防止附加短筋位置与柱纵筋冲突而造成套箍困难，附加纵向短筋应偏离箍筋角部约5厘米左右。

3.混凝土保护层厚度过厚问题处理

梁柱受力钢筋保护层厚度允许偏差为5毫米。但是框剪结构施工中，当梁边与柱边平齐时，柱的纵筋必须包住梁的纵筋，即梁的纵筋要在柱纵筋的内侧。因此，平齐的梁侧往往容易因为保护层厚度不符合要求而开裂。在施工中，高层框剪结构的顶层角节点处，由于钢筋实际加工的原因，一般会出现角节点外侧钢筋保护层过厚，容易导致裂缝。

所以，当梁、柱中纵向受力钢筋的保护层厚度大于4厘米时，应对保护层采取有效的防裂构造措施。在粱纵筋弯折处加设附加钢筋，防止梁边与柱边平齐时梁侧的开裂。 在框剪结构的框架角节点处加设钢筋网片，以提高角节点处的抗裂性。

三、结论

随着现代建筑产业的发展，结构设计环节和施工环节的联系越来越紧密，很多新材料、新方法的运用越来越多，这些新材料、新方法应该都是充分考虑了设计和施工的合理性为前提的。结构设计阶段要充分考虑技术的合理性、安全性及经济性，并且充分考虑施工实际的可操作性；施工阶段也要不断总结经验，完善施工技术细节，结合现场情况对设计文件提出可行的优化方案。两方面项目促进，最终最大限度的保证了建设工程的整体质量。

[1]王来其刘文锋500MPa级钢筋混凝土结构的研究进展{J}《青岛理工大学学报》2012年02期.

[2]薛志峰市政工程论文发表框剪结构节点部位结构设计中与施工常见问题{D}.

[3]梁继民浅议高层框剪结构柱墙与梁板砼强度不同时的施工方法和技术措施{J}《科技视界》2012年29期.