多層建筑鋼筋混凝土結構設計相關問題的分析

劉化冰

摘 要：在房屋建筑設計中，鋼筋混凝土結構的應用非常廣泛，但是在實際設計中，設計者在計算等過程中會出現各種各樣的問題。本文筆者結合實際工作經驗，針對多層建筑鋼筋混凝土結構設計相關問題進行分析，為同行朋友們提供借鑒。

關鍵詞：多層建筑；鋼筋混凝土結構設計；相關問題

當前，隨著建筑高度的不斷增加，城市以及農村部分地區出現了越來越多的高層建筑，而且建筑的類型更加復雜，結構體系也更加多樣化，所以，多層建筑結構設計成為工程師設計的難點以及重點。在多層建筑中，鋼筋混凝土框架結構的使用非常廣泛，但是其中存在較多的問題，只有正視這些問題，改善不足之處，才能增加建筑的安全和質量。

1 獨立基礎載荷取值不當以及框架計算簡圖不合理的問題

首先，當建筑在六層以下時，鋼筋混凝土結構的房屋一般都采用柱下獨立基礎。依據《建筑抗震設計規范》中的規定，如果地基受力層中沒有軟弱粘性土層，而且房屋建筑在8層以下，高度不超過25m時，一般的民用框架房屋以及基礎負荷相當的多層框架建筑可以不進行天然地基以及基礎抗震承載力驗算，但是風載荷的影響必須在基礎設計中充分考慮。所以，在多層鋼筋混凝土建筑的整體計算分析中，應當輸入風載荷，不能因為是一般的建筑而忽略了風載荷的輸入。另外，在對獨立基礎進行設計時，作用在基礎頂面上的外荷載通常只考慮了彎矩設計值以及軸力設計值，沒有考慮剪力設計值，有時甚至只考慮了軸力設計值。這兩種情況都會造成基礎設計尺寸過小，配筋過少，對基礎本身以及上部結構的安全造成影響。其次，當多層鋼筋混凝土結構的房屋建筑無地下室時，其獨立基礎埋設深度較大，在地下0.05m處設有基礎拉梁時，基礎拉梁則應當按照層1輸入。我們以某單位宿舍樓建筑為例進行說明，該項目建筑為3層鋼筋混凝土框架結構，建筑類型為丙類，建筑場地為Ⅱ類；建筑單層高度為3.3m，基礎埋深為4m，基礎高度為0.8m，建筑內外高度差為0.45m。依據相關規定，該工程項目在8度抗震地區，建筑框架結構的抗震等級為二級。在設計時，設計師在計算式按照3層框架房進行，首層高度取值3.35m，也就是假設房屋嵌固在位于地下0.05m處的基礎拉梁頂面上。按照構造對基礎拉梁斷面以及配筋進行設計，基礎在根據中心受壓進行計算。這種計算簡圖是非常常見的，其中也存在一定的問題。首先，拉梁按照構造進行設計，其無法與柱腳彎矩進行平衡。其次，依據《混凝土結構設計規范》中的有關要求和規定，框架結構底柱高度應當是基礎頂面與首層樓頂面之間的高度，所以本案例中的框架結構應當按照4層進行計算分析，基礎拉梁按照層1輸入，如果有載荷作用于拉梁，則應當在計算時考慮該載荷。這樣計算出的首層高度應當為3.15m，第二層高度應當為3.35m，第三層以及第四層的高度均為3.3m。按照《建筑抗震設計規范》中的相關規定，計算框架柱底層柱腳彎矩設計值時，必須與增大系數1.25相乘。在設拉梁層時，通常會由基礎拉梁頂面處的截面或者基礎頂面出的截面控制底層柱的配筋，所以必須明確究竟是哪種控制方式。

2 基礎拉梁層設計模型脫離實際，基礎拉梁設計不當的問題分析

采用SATWE或者TAT等程序對框架整體進行計算式，基礎拉梁層無樓板，則應當將樓板厚度取值為零，同時要定義彈性節點，在分析計算時要采用總剛分析的方法。但是在實際操作中，雖然已經定義彈性節點，樓板厚度取值為零，但是沒有采用總剛分析計算，程序則會默認按照剛性樓面進行計算，出現與實際不符合的情況。所以在選擇設計模型時，必須注意這一問題。一般情況下，由于多層鋼筋混凝土框架結構的基礎埋深值較大，可以采用在±0.000以下合適位置增設基礎拉梁，進而減小底層的位移以及底層柱的計算長度，但是在設置基礎拉梁時，應當按照框架梁來設計，不能按照構造要求，同時還要設置箍筋加密區。針對抗震問題，應當采取短柱基礎方案。通常情況下，當獨立基礎埋設較深但是采用短柱基礎，或者埋設不深時，因為柱子荷載差別較大或者地基不良，應當根據要求，沿兩個主軸方向設置構造基礎拉梁。基礎拉梁截面寬度以及高度的取值范圍分別為柱中心距的1/20-1/30，1/12-1/18。基礎拉梁的截面可以在該范圍內取最小值。對于縱向受力鋼筋，其取值大小為所連柱子軸力設計值最大值的1/10，當作壓力或者拉力進行計算。在構造配筋時，在符合最小配筋率的要求下，還必須滿足上下不小于一定的數值范圍。當框架底層高度不大或者基礎面深較小時，為了與柱底彎矩進行平衡，可以采取將基礎拉梁設計得比較強大的方法。此時，拉梁正彎矩鋼筋必須全跨拉筒，負彎矩鋼筋則有一半以上拉通。

3 多層建筑結構設計中樓梯以及電梯的小井筒的設計問題

對于多層框架結構建筑而言，應當不設置鋼筋混凝土樓梯以及電梯小井筒，一方面是由于井筒下的基礎設計相對復雜，另一方面是由于鋼筋混凝土井筒會將框架結構所承擔的地震剪力吸收。所以在設計井筒時，通常采用構造柱夾砌體材料作為填充墻，形成隔墻。如果建筑必須采用鋼筋混凝土作為井筒的材料時，則應當適當減小墻壁厚度，同時采取開結構洞、開豎縫等措施弱化剛度，為了減小井筒作用，配筋應當配置少量單排鋼筋。在進行設計計算時，除了要根據框架確定抗震等級計算之外，還必須依據帶井筒的框架進行復算。另外，還需要強調的是，框架結構出屋頂的水箱間以及樓電梯間等，不能采用砌體墻承重，應當采取框架承重的方法，同時考慮到鞭梢效應，還應該乘以增大系數。在設計雨棚等構件時，不得從填充墻上挑出，應當從承重梁上挑出。夾層梁以及樓梯梁不得在填充墻上承重，應當承重在柱上。

4 結構計算中部分重要參數的選取問題

（1）結構抗震等級的確定。在實際中，根據抗震級別，大部分多層建筑都屬于丙類建筑，比如辦公樓、民用住宅等，可以根據結構類型、房屋高度以及烈度，按照《建筑抗震設防分類標準》確定建筑的建筑的抗震等級。對于能源、交通、消防以及醫療類建筑等公共建筑而言，要參考《建筑抗震設防分類標準》判斷哪些建筑屬于乙類建筑（甲類建筑本文不討論）。對于乙類建筑，通常情況下，如果抗震設防烈度為6度到8度時，應當采取符合本地區抗震設防烈度提高一度要求的有關措施。

（2）要確定地震力的振型組合數。如果不考慮扭轉耦聯計算時，對于多層建筑而言，其地震力的振型組合數應當取3，如果振型數大于3，也應當取3的倍數，但是不能大于層數。如果建筑層數在三層之下時，可以用層數作為振型數。但是對于結構不規則的多層建筑，如果考慮扭轉耦聯時，振型數取值應當不小于9，如果結構剛度突變較大或者結構層數較多時，振型數應當多取。如果在建筑的頂部存在多塔以及小塔樓時，振型數則應當不小于12，但是不能大于房屋層數的3倍。

（3）結構周期折減系數的確定。對于框架結構以及框架抗震墻等結構，由于存在填充墻，所以計算剛度要小于實際剛度，而實際周期則小于計算周期，由此造成地震剪力偏小，影響結構的安全。所以必須對結構的計算周期進行折減。當框架結構采用砌體填充墻時，周期折減系數取值范圍為0.6到0.7，采用輕質砌塊或者砌體填充墻較少時，系數取值范圍為0.7到0.8，如果砌體完全采用輕質墻體板材，周期這件系數可以取值0.9，只有不存在填充墻時，計算周期可以不折減。

總而言之，多層建筑鋼筋混凝土結構設計是一個復雜、長期的過程，在此過程中，任何錯誤或者疏忽都會對整個設計造成影響，產生安全隱患。所以，在結構設計中，必須對可能存在的問題進行慎重考慮，嚴格遵守一定的要求和規范，提高設計的質量，保證建筑的安全。

參考文獻

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