概念設計在鋼框架中的應用

【摘要】隨著建筑造型和建筑功能要求日趨多樣化，無論是工業建筑還是民用建筑，在結構設計中遇到的各種難題也日益增多，建筑結構設計是建設工程設計的重要環節，是保障建筑結構安全、實現建筑使用功能的靈魂。文章針對框架結構設計中常見的幾個問題進行分析，并提出相應的解決措施。

【關鍵詞】鋼框架；抗震概念；設計；應用；問題

一、概念設計與抗震概念設計

概念設計的提法起源于英美等國，他們將設計工作分成“概念設計”、“基本設計”與“詳細設計”。它是以工程概念為依據，用符合工程規律和本質的方法，對設計對象作客觀的控制。具體而言就是制定方案，包括總體系和分體系布局及處理原則。其宗旨是在特定的建筑空間和環境條件下用整體概念考慮總體方案，有意識發揮和利用總體系與各基本分體系之間的力學特性關系。在建筑方案階段，應用概念性近似計算方法，能迅速有效對結構體系進行構思、比較和選擇。

抗震概念設計是概念設計的一個重要方面。我國《建筑抗震設計規范GB5011-2001》中指出建筑抗震概念設計是指根據地震災害及工程經驗等所形成基本設計思想。進行建筑和結構總體布置，并確定細部構造過程。即在建筑抗震設計之前，為了實現“小震不壞、中震可修、大震不倒”三水準抗震預防標準。本著以預防為主的方針，以工程實踐經驗為基礎，對建筑物造型、平立面布局、結構體系選取、建筑材料的使用等方面采取一系列有利于增強建筑物抗震性能的方法、措施和手段。

二、抗震概念設計在鋼筋混凝土框架中的應用

2.1 梁的抗震措施

為了保證梁有足夠的延性，提高塑性鉸區壓區混凝土的極限壓應變值，并防止在塑性鉸區內最終發生斜裂縫破壞，在梁端縱筋屈服范圍內加密封閉式箍筋，對提高梁的變形能力十分有效。同時，為了防止壓筋過早壓曲，應嚴格遵照《抗震規范》限制箍筋的間距。

梁內縱筋錨固在反復恒載作用下，在縱向鋼筋埋入梁柱節點的相當長度范圍內，混凝土與鋼筋之間的粘結力將發生嚴重破壞。因此，應注意在地震作用下框架梁中縱向鋼筋的錨固長度，一般應比《結構規范》中所規定的受拉鋼筋基本錨固長度大。

2.2 柱的抗震措施

柱的平均剪應力太大，會使柱產生脆性的剪切破壞。平均壓應力或軸壓比太大會使柱產生混凝土壓碎破壞。為了使柱有足夠的延性，柱截面尺寸應符合以下要求：柱截面的長邊應小于柱凈高的1/4，且柱截面的寬度不宜小于300mm；當剪壓比保持較低時，可獲得較好的延性，為此柱端截面的平均剪應力一般宜小于3N/mm。

柱縱向鋼筋的配置。柱中縱向鋼筋宜對稱配筋：為了保證柱有足夠的延性，柱的最小配筋率必須滿足《抗震規范》要求；縱向鋼筋的接頭，一級框架應采用焊接接頭；二級宜采用焊接接頭，而底層柱根應焊接；三級可采用搭接，而底層柱根宜焊接；直徑大于32mm的鋼筋必須采用焊接。在縱向鋼筋連接區段內宜加密箍筋，防止縱向鋼筋的壓曲，增加粘結度。

柱的箍筋。在地震力的反復作用下，柱端鋼筋保護層往往首先碎落。這時，如無足夠的箍筋約束，縱筋就會向外膨曲，柱端破壞。箍筋對柱的核心混凝土起著有效的約束作用，提高配箍率可以顯著提高受壓混凝土的極限壓應變，從而有效增加柱的延性。因此，設計人員應遵照《抗震規范》對框架柱的箍筋構造要求。

2.3 計算簡圖的處理

結構計算中，計算簡圖選取的正確與否，直接影響到計算結果的準確性，其中比較典型的是基礎梁的處理。一般情況下，基礎梁設置在基礎高度范圍內，作為基礎的一部分，此時結構的底層計算高度應取基礎頂面至一層樓板頂面的高度。基礎梁僅考慮承擔上部墻體荷載，構造滿足普通梁的要求即可。當按規范要求需設置基礎拉梁時，其斷面和配筋可按構造設計，截面高度取柱中心距的1/12～1/18，縱向受力鋼筋取所連接的柱子的最大軸力設計值的10%作為拉力來計算。但是，當基礎埋深過大時，為了減少底層的計算高度和底層的位移，設計者往往在±0.000以下的某個適當位置設置基礎拉梁。此時，基礎拉梁應作為一層輸入，底層計算高度應取基礎頂面至基礎拉梁頂面的高度，二層計算高度應取基礎拉梁頂面至一層樓板頂面的高度。拉梁層無樓板，應開洞處理，并采用總剛分析方法進行計算。基礎拉梁截面及配筋按實際計算結果采用。若因此造成底層框架柱形成短柱，應采取構造措施予以加強。另一個需要注意的是，當框架結構的電梯井道采用鋼筋混凝土井壁時（設計時應盡量避免），計算簡圖一定要按實際情況輸入，否則可能會造成頂部框架柱設計不安全。

注意重點。抗震驗算時不同的樓蓋及布置（整體性）決定了采用剛性、剛柔、柔性理論計算。抗震驗算時應特別注意場地土類別。8度超過5層有條件時，盡量加剪力墻，可大大改善結構的抗震性能。框架結構應設計成雙向梁柱剛接體系，但也允許部分的框架梁搭在另一框架梁上。應加強垂直地震作用的設計，從震害分析，規范給出的垂直地震作用尚存異議。雨篷不得從填充墻內出挑。大跨度雨篷、陽臺等處梁應考慮抗扭。框架梁、柱的混凝土等級宜相差一級。由于某些原因造成梁或過梁等截面較大時，應驗算構件的最小配筋率。出屋面的樓電梯間不得采用磚混結構。框架結構中的電梯井壁宜采用粘土磚砌筑，但不能采用磚墻承重。

三、從概念設計上著手注意幾個問題

3.1 關于強柱弱梁節點

這是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，而沒有屈服，但節點還處于彈性工作階段。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，而且不致形成側移機構，從而使柱不被壓潰的關鍵控制措施。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，使柱的線剛度與梁的線剛度的比值盡可能大于1，并控制柱的軸壓比滿足規范要求，以增加延性。驗算截面承載力時，人為地將柱的設計彎距按強柱弱梁原則調整放大，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或塑性鉸轉移到立柱上。注意節點構造，讓塑性鉸向梁跨內移。

3.2 關于“強剪弱彎”措施

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。對于框架結構中的框架梁應注意抗剪驗算和構造，使其滿足相關規范要求。

3.3 注意構造措施

對于大跨度柱網的框架結構，在樓梯間處的框架柱由于樓梯平臺梁與其相連，使得樓梯問處的柱可能成為短柱，應對柱箍筋全長加密。這一點，在設計中容易被忽視，應引起重視。對框架結構外立面為帶形窗時，因設置連續的窗過梁，使外框架柱可能成為短柱，應注意加強構造措施。對于框架結構長度略超過規范限值，建筑功能需要不允許留縫時，為減少有害裂縫（規范規定裂縫寬度小于0.3mm），建議采用補償混凝土澆筑。采用細而密的雙向配筋，構造間距宜小于150mm，對屋面宜設置后澆帶，后澆帶處按構造措施宜適當加強。其它構造措施限于篇幅，這里不再贅述，請詳見新規范。

參考文獻

[1] 虞瑩. 淺論鋼筋混凝土框架結構設計. 城市建設與商業網點.2009

[2] 陳敬文. 建筑框架結構設計原則及注意事項. 輕工設計.2011