單跨混凝土框架結構設計要點

代崇陽 王俊峰 李方

中國核電工程有限公司鄭州分公司（450052）

單跨混凝土框架結構設計要點

代崇陽 王俊峰 李方

中國核電工程有限公司鄭州分公司（450052）

根據規范總結了單跨混凝土框架的判定原則，建議優先采用變通的形式。討論了必須采用單跨框架時加強措施的設置原則，柱網布置原則，樓、屋蓋布置原則，梁柱截面尺寸確定原則，梁、柱配筋注意事項，正常用極限狀態不滿足時的處理方法等，可供工程設計人員參考。

單跨框架；冗余度；內柱；加強措施

1 單跨框架結構的判定

《建筑抗震設計規范》6.1.5條規定，甲、乙類建筑以及高度大于24m的丙類建筑，不應采用單跨框架結構；高度不大于24m的丙類建筑不宜采用單跨框結構[1]。《高層建筑混凝土技術規程》第6.1.2條規定，抗震設計的框架結構不應采用單跨框架結構，第8.1.34條第1、2款規定的框架剪力墻結構可局部采用單跨框架結構；其他情況應根據具體情況進行分析、判斷[2]。《建筑抗震設計規范應用與分析》提供了單跨框架結構的判定標準。首先應區分單跨框架和單跨框架結構，有單跨框架不一定就是單跨框架結構。只有在框架結構中，某個主軸方向均為單跨框架，或兩個多跨框架之間的最大距離超過表1時，才可認定為單跨框架結構[3]（注意:不包括框架-抗震墻結構中的單跨框架）。

總之，單跨框架由于缺少必要的冗余度，地震破壞嚴重，實際工程中應盡量避免采用。故有必要關注單跨混凝土框架結構設計要點,有條件使用,以趨利避害。

表1 多跨框架之間的最大間距（單位m，取最小值）

2 優先采用變通的結構形式

當一棟建筑物完全不允許設置內柱而必須設計成單跨結構時，應采用變通的結構形式。單層結構優先考慮采用輕型屋面的排架結構或門式剛架。排架橫向可采用混凝土柱-鋼梁體系或者混凝土柱-鋼屋架體系。排架縱向和門式剛架縱向均可采用柱間支撐體系或者框架體系。輕型屋面配合鋼梁或鋼屋架，可減小集中在屋蓋處的重量，對抗震有利。單層結構布置有內隔墻的，可通過調整房間布置。在山墻和內隔墻中增設內柱。多層結構布置有內隔墻的，盡量調整房間布置。當某榀（包括端榀）橫向框架平面內各層均布置填充墻時，各層均增設內柱。當某榀橫向框架平面內下層設置填充墻、上層無填充墻時，下層增設內柱。多層單跨框架結構還應將樓梯間布置在建筑物中部，結合樓梯平臺增設框架內柱。總之，盡可能增設內柱使多跨框架之間的間距滿足表1的要求，控制單跨框架的數量不超過框架總榀數的30%，可按普通框架結構設計。

當結構形式無法變通而必須采用單跨框架結構時，應考慮采取加強措施。

3 加強措施

常用的單跨框架結構加強措施主要有3種:設置支撐、框架柱設置翼墻、增設鋼筋混凝土剪力墻成為框剪結構。應根據單跨框架結構內部空間所允許增設加強措施的位置,選擇合理的加強措施。加強措施通常位于樓梯間周邊、建筑物端部以及建筑物中部允許的位置。需要特別說明的是:增設剪力墻時，避免布置短肢墻；增設翼墻時，柱一側的翼墻長度不應小于3倍翼墻厚度;縱向也采取加強措施時，一般不設置在端開間內,避免引起較大的溫度應力。

采取加強措施要將結構加強到何種程度，目前規范中尚無明確的規定。從概念上來理解，加強措施所承擔地震傾覆力矩的比例可參考《高層建筑混凝土技術規程》第8.1.3條。筆者認為，承擔傾覆力矩的比例大于50%已足夠，此加強措施為結構的第一道抗震防線,框架為第二道抗震防線，且兩者都具有必要的承載能力。單跨框架中允許設置的加強措施位置不是很靈活,繼續提高其比例，可能會影響使用。采取加強措施后，結構的層間位移角、框架的軸壓比限值均可按框架剪力墻結構中的框架來確定。加強措施的具設計，可參考相關資料。

4 柱網布置

當只能采用單跨框架結構并采取加強措施時，應首先關注其柱網布置。縱橫向盡量采用符合模數規整柱網，縱向跨度不宜變化過大。應特別注意，《高層建筑混凝土結構設計規程》第3.4.3條要求平面不宜太過狹長在此也是適用的。平面狹長目前尚無明確的規定，有學者認為長寬即為平面狹長[4]，其中L、B分別為建筑物長度、建筑物寬度。若超過3太多，不易滿足剛性樓板假定,導致地震時結構兩端振動不同步。即使此時尚小于鋼筋混凝土結構伸縮縫的最大間距，也宜設置防震縫將結構分成兩個計算單元,或采取措施加強端部的剛度，直至兩端振動不同步得到抑制。

5 樓、屋蓋布置

單跨框架樓、屋蓋布置應盡量減輕結構重量,以減小地震作用，節省材料。

單跨框架橫向跨度小于縱向跨度時，次梁的布置方向沿橫向或縱向均有可能，需根據具體工程的需要確定。

單跨框架橫向跨度大于縱向跨度時，宜將結構比擬成排架結構來進行樓蓋布置。橫向框架梁相當于屋架,一級次梁相當于應沿縱向布置的連續檁條，必要時可布置截面更小的二級次梁。這種樓蓋布置方式較規整而輕巧，豎向荷載主要由承載力較高的橫向框架承擔。

需要特別說明的是，《高層建筑混凝土結構設計規程應用與分析》中所主張的主梁沿短跨布置、次梁沿長跨布置的原則，在橫向跨度大于縱向跨度的單跨框架中是不適用的[4]。可按如下思路來理解：若一級次梁沿橫向布置，作為簡支梁，其截面高度至少應與橫向框架梁相等。縱向小跨度的框架梁需為一級次梁提供彈性支座,有類似托梁的作用，截面高度還要再大些。為使梁內縱筋能夠順利配置，縱、橫向框架梁和一級次梁的寬度均不能太小。這種布置方式會使整個樓蓋顯得笨重，對抗震不利。

6 梁、柱截面尺寸的確定

7 控制配筋

抗震設計的框架計算結果按《建筑抗震設計規范》第6.2.2～6.2.5條進行調整后，按6.3.3、6.3.4條進行梁鋼筋配置，按6.3.7～6.3.10條進行柱鋼筋配置，可使結構在強震下具有較好的延性，消耗更多的地震能量。需要說明的是，根據6.2.2～6.2.5條進行調整時，橫向單跨框架梁配筋宜將梁翼緣范圍內板的縱筋和為控制梁裂縫寬度而增加的配筋都考慮進來。梁實配鋼筋比調整后的計算配筋不應富裕太多，以免引起塑性鉸轉移。

8 正常使用極限狀驗算

梁撓度不滿足要求時，可考慮施工階段的起拱。若用條件允許《混凝土結構設計規范》規定，驗算撓度時可將計算撓度減去預先起拱值，預先起拱值通常取恒載作用下的撓度[5]。

驗算裂縫寬度不滿足要求時，可考慮加大截面高度或者增加梁的配筋來解決，優先考慮加大截面高度；若通過增加梁配筋來解決，則柱鋼筋也需增加且增加的比例要更大。

9 結語

單跨混凝土框架結構冗余度少，在設計中應盡量避免采用。遇到單跨結構設計時，首先應盡量采用變通的結構形式，或最大限度增設內柱使其可按普通框架結構設計。必須采用單跨框架結構時，應采取合理的加強措施使結構具有多道抗震防線。單跨框架結構應采用合理的次梁布置方式，最大限度地減輕樓、屋蓋重量，以減少地震作用。單跨框架結構應選擇合適的梁柱截面，合理配置鋼筋并嚴格控制梁的配筋量，以提高結構的延性。

[1]GB 5011-2010,建筑抗震設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2010.

[2]JGJ 3-2010,高層建筑混凝土結構設計規程[S].北京:中國建筑工業出版社,2011.

[3]朱炳寅.建筑抗震設計規范應用與分析GB 50011-201 [M].北京:中國建筑工業出版社,2011.

[4]朱炳寅.高層建筑混凝土結構設計規程應用與分析JGJ 3-2010[M].北京:中國建筑工業出版社,2013.

[5]GB 50010-2010,混凝土結構設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2010.