框架結構概念設計及措施

薛晨曦

河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

0 引言

改革開放以來,隨著我國經濟的迅猛發展，我國的多層建筑也發展迅速,設計思想也在不斷更新。鋼筋混凝土框架結構是目前應用最廣泛的結構形式之一。鋼筋混凝土框架結構是由樓板、梁、柱及基礎4種承重構件組成,由主梁、柱與基礎構成平面框架,各平面框架再由連續梁連接起來而形成空間結構體系。在合理的高度和層數的情況下，框架結構柱網布置靈活，能獲得較大的使用空間，可適合多種工藝與使用功能的要求。在辦公樓、教學樓、住宅樓、公寓以及商業建筑中常常采用。合理的利用概念設計，可使框架結構設計更加靈活、經濟，這里從概念設計理念出發，簡要的介紹了框架結構概念設計的注意事項，以期望引起業內人士的重視，起到拋磚引玉的目的。

1 結構概念設計

所謂概念設計，是一種創造性思維的體現。建筑結構中概念設計是體現工程先進設計理念和思想的關鍵，一個優秀的結構設計人員應該清楚地認識到框架結構設計中，概念設計與結構措施的至關重要性。概念設計中，結構設計師們通過以往的實際工程情況和自己豐富的經驗，基于設計的基本原則和思想，依據整體結構體系與分體系之間的相互關系、并有意識地處理工程施工中結構和構件、結構和結構之間的關系，分析結構的破壞機理和實際震害情況，從整體角度確定結構的總體布置和結構抗震具體措施，從而達到一種宏觀的、全面而完整的設計目標[1-2]。

概念設計改變了計算機設計中的不足之處。雖然目前計算機技術得到了廣泛的應用，但是計算機設計容易給設計師一種錯覺，會使設計師感覺計算機程序的應用簡單,從而過分的依賴計算機軟件，減少了結構概念的學習,自身的設計能力逐漸下降。有些設計師就習慣將分析程序用到設計過程中，卻不知計算機設計是把雙刃劍，一旦選擇了錯誤的軟件就會導致結構設計出現問題，這種潛在的問題會隨著時間的增加而突顯出來[3]。為了彌補計算機設計的不足之處，就需要應用到概念設計，設計師需要加強結構概念的學習，做到清楚的掌握有關結構概念,并且根據所學的內容去選擇最佳結構方案。在現行的《建筑結構設計統一標準》中，就提到了概念理論,制定了以它為基礎的結構極限狀態設計準則，相對比以往的設計方法,這種方法更具先進性，使結構設計方案更加科學、合理。總之，將概念設計應用到建筑結構設計中,提高了設計方案的可靠性，使設計成果更具創造性，結構設計方案更加完美。

2 框架結構概念設計措施

工程設計中概念設計強調協同工作，協同工作通常是指結構在服役過程中每一個構件都能充分發揮其自身作用，并與其他結構構件相互配合。這不僅要求工程結構構件具有一定長的使用壽命，同時還需要構件所承受的荷載力保持一致，不能出現長期受力不均的現象。簡單的講，框架結構概念設計主要從以下幾個方面入手：

2.1 建筑方案的合理選擇

首先,我們要控制房屋適用高度和結構高寬比，結構的高寬比大，則傾覆力矩也大。為了幫助設計者在初步設計階段根據結構高度和結構體系確定比較合理而經濟的平面尺寸,宏觀控制結構的剛度、穩定和承載力，JGJ3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》規定了框架結構的高寬比限值。

其次，結構布置應簡單規則均勻。結構簡單包含有三層意思：

1）結構的類別劃分，計算模型清楚；

2）各結構構件力學功能分工,在荷載和作用下，傳力路線直接、明確；

3）其受力、薄弱環節及抗震性能估計把握，精細分析程序可靠。這就要求工程師在熟練運用計算機設計程序的同時，更要掌握必要的框架結構簡化估算方法。

結構規則均勻要求含平面和立面兩部分，包括剛度、承載力和傳力途徑三個方面。要求框架結構在可能的情況下，在豎向建筑造型和結構布置上均勻，剛度、承載力和傳力途徑均無突變，從而限制應力集中、過大變形和敏感薄弱部位的出現；在建筑平面上規則，結構布置均勻，盡量減少里出外進、凹凸不平，盡量避免部分結構超強造成結構的相對薄弱部位，該強的強，該弱的弱；盡量使荷載和作用能用短而直接的途徑傳播，盡量使質量中心和剛度中心重合或接近。

最后，是剛柔適度。事實表明，結構的變形越小，地震的危害就越小。但是不能得出剛度越大越好的結論，因為剛度愈大，地震作用愈大，材料用量會增加。此外，結構振動和變形的大小不僅和結構剛度有關，還與場地土有關，當結構自振周期與場地土的卓越周期接近時,建筑物的地震反應會加大，無論振動變形還是地震力都會加大。因此，對于框架結構設計，不能做出“剛一些好”還是“柔一些好”的簡單結論，應該結合結構的具體高度、場地條件等進行綜合判斷[4]。

2.2 強剪弱彎設計

為了提高抗震墻的變形能力,避免發生破壞，對于一道截面較長的抗震墻，應該利用洞口設置弱連梁，使墻體分為小開口墻、多肢墻或單肢墻，并使每個墻段的高寬比不小于 2。弱連梁，是指在地震作用下各層連梁的總約束彎矩不大于該墻段總地震彎矩的20%。目前有許多設計人員將結構中門洞連梁、窗洞連梁都改為截面高度極小的二力桿件，這對結構抗震是很不好的。在實際設計中，對連梁的剛度都要進行折減,因為剪力墻的剛度一般都很大，在水平力作用下，剪力墻中的連梁會因為很大的內力而超過截面允許值，可靠的辦法是讓這些連梁先屈服，使連梁形成塑性鉸而不發生脆性破壞，連梁首先就必須滿足強剪弱彎的要求，對連梁的剛度進行折減實際上就是降低其抗彎能力。

強剪弱彎是保證構件延性，防止脆性破壞的重要原則，它要求人為加大各承重構件相對于其抗彎能力的抗剪承載力，使這些部位在結構經歷罕遇地震的過程中以足夠的保證率不出現脆性剪切失效。對于多層鋼筋混凝土框架結構中的多層鋼筋混凝土框架結構梁應注意抗剪驗算和構造，使其滿足相關規范要求。

2.3 強柱弱梁節點設計

為了實現在罕遇地震作用下，讓梁端形成塑形鉸，柱端處于非彈性工作狀態，但節點還處于彈性工作階段[5]。強柱弱梁措施的強弱，也就是相對于梁端截面實際抗彎能力而言柱端截面抗彎能力增強幅度的大小，是決定由強震引起柱端截面屈服后塑性轉動能否不超過其塑性轉動能力，從而使柱不被壓壞的關鍵控制措施。柱強于梁的幅度大小取決于梁端縱筋不可避免的構造超配程度的大小，以及結構在梁、柱端塑性鉸逐步形成過程中的塑性內力重分布和動力特征的相應變化。因此，當建筑許可時盡可能將柱的截面尺寸做得大些，并控制柱的軸壓比滿足規范要求，以增加延性。原則調整放大，加強柱的配筋構造。梁端縱向受拉鋼筋的配筋不得過高，以免在罕遇地震中進入屈服階段不能形成塑性鉸。

3 小結

通過論述，鋼筋混凝土框架結構雖然相對比較簡單,但設計中仍有很多需要注意的問題,只有熟練地掌握規范，從結構概念設計出發，并結合長期的設計經驗總結積累，才能設計出既安全又經濟適用的優秀作品。

[1]謝寶.淺談概念設計在建筑結構設計中的應用[J].建筑與規劃設計,2013,(3)(總126).

[2]林佳偉,曹士偉.概念設計在結構設計中的應用[J].工程科技.

[3]郭峰,梁利生.探討建筑結構設計中的概念設計[J].能源環境.

[4]葉菁.鋼筋混凝土框架結構設計要點及注意事項[J].甘肅科技縱橫,2010,39(5).

[5]孫素英,張震.概念設計在建筑結構設計中重要性探討[J].建筑結構，2008(4)：34～35.