綜合分析鋼筋混凝土多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王文華

（江西省城建設(shè)計(jì)研究院有限公司　江西南昌　330000）

綜合分析鋼筋混凝土多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王文華

（江西省城建設(shè)計(jì)研究院有限公司江西南昌330000）

隨著建筑業(yè)的發(fā)展，鋼筋混凝土多層框架結(jié)構(gòu)越來越多地出現(xiàn)在建筑設(shè)計(jì)中。筆者在長期的設(shè)計(jì)實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)了設(shè)計(jì)當(dāng)中容易出現(xiàn)的一些紕漏或錯(cuò)誤，現(xiàn)總結(jié)出來，供大家參考。

鋼筋混凝土；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1　獨(dú)立基礎(chǔ)設(shè)計(jì)荷載取值不當(dāng)

鋼筋混凝土多層框架房屋多采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)。《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2001）（以下簡稱《抗震規(guī)范》）第4.2.1條指出，當(dāng)?shù)鼗饕芰臃秶鷥?nèi)不存在軟弱黏性土層時(shí)，不超過8層且高度在25m以下的一般民用框架房屋或荷載相當(dāng)?shù)亩鄬涌蚣軓S房，可不必進(jìn)行地基和基礎(chǔ)的抗震承載力驗(yàn)算。[1]這就是說，在Ⅷ度地震區(qū)，大多數(shù)鋼筋混凝土多層框架房屋可不必進(jìn)行地基和基礎(chǔ)的抗震承載力驗(yàn)算。但這些房屋在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮風(fēng)荷載的影響。因此，在鋼筋混凝土多層框架房屋的整體計(jì)算分析中，必須輸入風(fēng)荷載，不能因?yàn)樵诘卣饏^(qū)高層建筑以外的一般建筑中風(fēng)荷載不起控制作用就不輸入。

另一種情況是，在設(shè)計(jì)獨(dú)立基礎(chǔ)時(shí)，對(duì)于作用在基礎(chǔ)頂面上的外荷載（柱腳內(nèi)力設(shè)計(jì)值）只取軸力設(shè)計(jì)值和彎矩設(shè)計(jì)值，無剪力設(shè)計(jì)值，甚至只取軸力設(shè)計(jì)值。

以上兩種情況都會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)設(shè)計(jì)尺寸偏小，配筋偏少，影響基礎(chǔ)本身和上部結(jié)構(gòu)的安全。

2　框架計(jì)算簡圖不合理

無地下室的鋼筋混凝土多層框架房屋，其獨(dú)立基礎(chǔ)埋置較深，在-0.05m左右設(shè)有基礎(chǔ)拉梁時(shí)，應(yīng)將基礎(chǔ)拉梁按層1輸入。以某宿舍樓為例，該項(xiàng)目為3層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，丙類建筑，建筑場地為Ⅱ類；層高3.3m，基礎(chǔ)埋深4.0m，基礎(chǔ)高度0.8m，室內(nèi)外高差0.45m。根據(jù)《抗震規(guī)范》第6.1.2條，在Ⅷ度地震區(qū)該工程框架結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)為二級(jí)。[1]設(shè)計(jì)者按3層框架房屋計(jì)算，首層層高取3.35m，即假定框架房屋嵌固在-0.05m處的基礎(chǔ)拉梁頂面；基礎(chǔ)拉梁的斷面和配筋按構(gòu)造設(shè)計(jì)；基礎(chǔ)按中心受壓計(jì)算。顯然，選取這樣的計(jì)算簡圖是不妥當(dāng)?shù)摹Ｒ驗(yàn)椋孩侔礃?gòu)造設(shè)計(jì)的拉梁無法平衡柱腳彎矩；②《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2002）第7.3.11條規(guī)定，框架結(jié)構(gòu)底層柱的高度應(yīng)取基礎(chǔ)頂面至首層樓蓋頂面的高度。[2]工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)表明，這樣的框架結(jié)構(gòu)宜按4層進(jìn)行整體分析計(jì)算，即將基礎(chǔ)拉梁層按層1輸入，拉梁上如作用有荷載，應(yīng)將荷載一并輸入。這樣，計(jì)算剪力的首層層高為H1=4-0.8-0.05=3.15m，層2層高為3.35m，層3、層4層高均為3.3m。根據(jù)《抗震規(guī)范》第6.2.3條，框架柱底層柱腳彎矩設(shè)計(jì)值應(yīng)乘以增大系數(shù)1.25。[1]當(dāng)設(shè)拉梁層時(shí)，一般情況下，要弄清楚底層柱的配筋是由基礎(chǔ)頂面處的截面控制還是由基礎(chǔ)拉梁頂面處的截面控制。考慮到地基土的約束作用，對(duì)這樣的計(jì)算簡圖，在電算程序總信息輸入中，可填寫地下室層數(shù)為1，并復(fù)算一次，按兩次計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)圖進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)底層柱的配筋。

3　基礎(chǔ)拉梁層的計(jì)算模型不符合實(shí)際情況

基礎(chǔ)拉梁層無樓板，用TAT或SATWE等電算程序進(jìn)行框架整體計(jì)算時(shí)，樓板厚度應(yīng)取零，并定義彈性節(jié)點(diǎn)，用總剛分析方法進(jìn)行分析計(jì)算。有時(shí)雖然樓板厚度取零，也定義彈性節(jié)點(diǎn)，但未采用總剛分析，程序分析時(shí)自動(dòng)按剛性樓面假定進(jìn)行計(jì)算，與實(shí)際情況不符。房屋平面不規(guī)則，要特別注意這一點(diǎn)。

4　基礎(chǔ)拉梁設(shè)計(jì)不當(dāng)

多層框架房屋基礎(chǔ)埋深值大時(shí)，為了減小底層柱的計(jì)算長度和底層的位移，可在±0.000以下適當(dāng)位置設(shè)置基礎(chǔ)拉梁，但不宜按構(gòu)造要求設(shè)置，宜按框架梁進(jìn)行設(shè)計(jì)，并按規(guī)范規(guī)定設(shè)置箍筋加密區(qū)。但就抗震而言，應(yīng)采用短柱基礎(chǔ)方案。

一般說來，當(dāng)獨(dú)立基礎(chǔ)埋置不深，或者埋置雖深但采用了短柱基礎(chǔ)時(shí)，由于地基不良或柱子荷載差別較大，根據(jù)抗震要求，可沿兩個(gè)主軸方向設(shè)置構(gòu)造基礎(chǔ)拉梁。基礎(chǔ)拉梁截面寬度可取柱中心距的1/20～1/30，高度可取柱中心距的1/12～1/18。構(gòu)造基礎(chǔ)拉梁的截面可取上述限值范圍的下限，縱向受力鋼筋可取所連接柱子的最大軸力設(shè)計(jì)值的10%作為拉力或壓力來計(jì)算，當(dāng)為構(gòu)造配筋時(shí)，除滿足最小配筋率外，也不得小于上下各2φ14配筋，箍筋不得小于φ8@200。當(dāng)拉梁上作用有填充墻或樓梯柱等傳來的荷載時(shí)，拉梁截面應(yīng)適當(dāng)加大，算出的配筋應(yīng)和上述構(gòu)造配筋疊加。構(gòu)造基礎(chǔ)拉梁頂標(biāo)高通常與基礎(chǔ)高或短柱頂標(biāo)高相同。在這種情況下，基礎(chǔ)可按偏心受壓基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

當(dāng)框架底層層高不大或者基礎(chǔ)埋置不深時(shí)，有時(shí)要把基礎(chǔ)拉梁設(shè)計(jì)得比較強(qiáng)大，以便用拉梁來平衡柱底彎矩。這時(shí)，拉梁正彎矩鋼筋應(yīng)全跨拉通，負(fù)彎矩鋼筋至少應(yīng)在1/2跨拉通。拉梁正負(fù)彎矩鋼筋在框架柱內(nèi)的錨固、拉梁箍筋的加密及有關(guān)抗震構(gòu)造要求與上部框架梁完全相同。此時(shí)拉梁宜設(shè)置在基礎(chǔ)頂部，不宜設(shè)置在基礎(chǔ)頂面之上，基礎(chǔ)則可按中心受壓設(shè)計(jì)。

5　框架結(jié)構(gòu)帶樓電梯小井筒

框架結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量避免設(shè)置鋼筋混凝土樓電梯小井筒，因?yàn)榫驳拇嬖跁?huì)吸收較大的地震剪力，相應(yīng)地減少框架結(jié)構(gòu)承擔(dān)的地震剪力，而且井筒下基礎(chǔ)設(shè)計(jì)也比較困難，故這些井筒多采用砌體材料做填充墻，形成隔墻。當(dāng)必須設(shè)計(jì)鋼筋混凝土井筒時(shí)，井筒墻壁厚度應(yīng)當(dāng)減薄，并通過開豎縫、開結(jié)構(gòu)洞等辦法進(jìn)行剛度弱化；配筋也只宜配置少量單排鋼筋，以減小井筒的作用。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，除按框架確定抗震等級(jí)并計(jì)算外，還應(yīng)按帶井筒的框架（當(dāng)平面不規(guī)則時(shí)，宜考慮耦聯(lián)）復(fù)核，并加強(qiáng)與井墻體相連的柱子的配筋。

此外還要特別指出，對(duì)框架結(jié)構(gòu)出屋頂?shù)臉请娞蓍g和水箱間等，應(yīng)采用框架承重，不得采用砌體墻承重；而且應(yīng)當(dāng)考慮鞭梢效應(yīng)，乘以增大系數(shù)；雨篷等構(gòu)件應(yīng)從承重梁上挑出，不得從填充墻上挑出；樓梯梁和夾層梁等應(yīng)在承重柱上，不得安放在填充墻上。

6　結(jié)構(gòu)計(jì)算中幾個(gè)重要參數(shù)的選取不合理

《抗震規(guī)范》第3.6.6.4條指出，所有的計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果，都應(yīng)經(jīng)分析判斷，確認(rèn)其合理、有效后方可用于工程設(shè)計(jì)。[1]通常情況下，計(jì)算機(jī)的計(jì)算結(jié)果主要是結(jié)構(gòu)的自振周期，樓層地震剪力系數(shù)，樓層彈性層間位移（包括最大位移與平均位移比）和彈塑性變形驗(yàn)算時(shí)樓層的彈塑性層間位移，樓層的側(cè)向剛度比，振型參與質(zhì)量系數(shù)，墻和柱的軸壓比及墻、柱、梁和板的配筋，底層墻和柱底部截面的內(nèi)力設(shè)計(jì)值，框架——抗震墻結(jié)構(gòu)中抗震墻承受的地震傾覆力矩與總地震傾覆力矩的比值，超筋超限信息，等等。

為了分析判斷計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果是否合理，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，除了有合理的結(jié)構(gòu)方案、正確的結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖外，正確填寫抗震設(shè)防烈度和場地類別，合理選取電算程序總信息中的其他各項(xiàng)參數(shù)也是十分重要的。

現(xiàn)以空間有限元分析與設(shè)計(jì)程序SATWE為例，結(jié)合施工圖審查中發(fā)現(xiàn)的問題，來說明有關(guān)參數(shù)如何合理選取。

6.1結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)

在工程設(shè)計(jì)中，多數(shù)房屋建筑按其抗震設(shè)防分類屬于丙類建筑，如民用住宅、辦公樓及一般工業(yè)建筑等，其抗震等級(jí)可根據(jù)烈度、結(jié)構(gòu)類型和房屋的高度，按《抗震規(guī)范》表6.1.2確定。而對(duì)于電訊、交通、能源、消防和醫(yī)療等類建筑以及大型體育場館、大型零售商場等公共建筑，首先，應(yīng)當(dāng)根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB50223-2004）[3]確定其中哪些建筑屬于乙類建筑（可能還有甲類建筑，本文暫不涉及）。對(duì)于乙、丙類建筑，其地震作用均按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度計(jì)算。對(duì)于乙類建筑，一般情況下，當(dāng)抗震設(shè)防烈度為Ⅵ～Ⅷ度時(shí)，抗震措施應(yīng)符合按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求。所謂抗震措施，在這里主要體現(xiàn)為按本地區(qū)設(shè)防烈度提高一度，由《抗震規(guī)范》表6.1.2確定其抗震等級(jí)。例如，位于Ⅷ度地震區(qū)（如北京）的乙類建筑，應(yīng)按Ⅸ度，由《抗震規(guī)范》表6.1.2確定其抗震等級(jí)為一級(jí)；當(dāng)Ⅷ度地區(qū)的乙類建筑的高度超過表6.1.2規(guī)定的范圍時(shí)，還應(yīng)采取比一級(jí)抗震等級(jí)更有效的抗震措施。如：某Ⅷ度地震區(qū)城市的一個(gè)大型零售商場和一個(gè)三級(jí)醫(yī)院的門診樓本屬乙類建筑，但設(shè)計(jì)人員錯(cuò)當(dāng)成丙類建筑來設(shè)計(jì)，使建設(shè)物的抗震能力大為降低，不得不對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算作重大修改。

6.2地震力的振型組合數(shù)

對(duì)于高層建筑，當(dāng)不考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)計(jì)算時(shí)，地震力的振型組合數(shù)至少應(yīng)取3；當(dāng)振型數(shù)多于3時(shí)，宜取3的倍數(shù)，但不應(yīng)多于層數(shù)；當(dāng)房屋層數(shù)≤2時(shí)，振型數(shù)可取層數(shù)。對(duì)于不規(guī)則的高層建筑結(jié)構(gòu)，當(dāng)考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)時(shí)。振型數(shù)應(yīng)≥9；結(jié)構(gòu)層數(shù)較多或結(jié)構(gòu)剛度突變較大時(shí)，振型數(shù)應(yīng)多取，如結(jié)構(gòu)有轉(zhuǎn)換層，頂部有小塔樓、屬多塔結(jié)構(gòu)等，振型數(shù)應(yīng)≥12或更多，但不能多于房屋層數(shù)的3倍；只有當(dāng)定義彈性樓板，采用總剛分析，且必要時(shí)，振型數(shù)才可以取得更多。《抗震規(guī)范》指出，合適的振型個(gè)數(shù)一般可以取振型參與質(zhì)量達(dá)到總質(zhì)量的90%所需的振型數(shù)。[1]SATWE等電算程序已有這種功能，可以很方便地輸出這種參與質(zhì)量的比值。有些設(shè)計(jì)人員不大重視電算程序使用手冊(cè)的應(yīng)用，選取振型數(shù)時(shí)比較隨意，這是應(yīng)當(dāng)改進(jìn)的。此外，由耦聯(lián)計(jì)算的地震剪力通常小于非耦聯(lián)計(jì)算得來的數(shù)值，僅當(dāng)結(jié)構(gòu)存在明顯扭轉(zhuǎn)時(shí)才采用耦聯(lián)計(jì)算，但在必要時(shí)應(yīng)補(bǔ)充非耦聯(lián)計(jì)算。

6.3結(jié)構(gòu)周期折減系數(shù)

框架結(jié)構(gòu)及框架——抗震墻等結(jié)構(gòu)中，由于填充墻的存在，使結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度大于計(jì)算剛度，計(jì)算周期大于實(shí)際周期，因此，算出的地震剪力偏小，結(jié)構(gòu)顯得不安全。因而對(duì)結(jié)構(gòu)的計(jì)算周期進(jìn)行折減是必要的，但若折減系數(shù)取得過大也是不妥當(dāng)?shù)摹?duì)于框架結(jié)構(gòu)來說，采用砌體填充墻時(shí)，周期折減系數(shù)可取0.6～ 0.7；砌體填充墻較少或采用輕質(zhì)砌塊時(shí)，可取0.7～0.8；完全采用輕質(zhì)墻體板材時(shí)，可取0.9。只有無墻的純框架，計(jì)算周期才可以不折減。

6.4框架梁、柱箍筋間距

《抗震規(guī)范》第6.3.3條及6.3.8條對(duì)不同抗震等級(jí)的框架梁、柱箍筋加密區(qū)的最小箍筋直徑和最大箍筋間距都作了明確規(guī)定。根據(jù)這些規(guī)定，工程習(xí)慣上常取的梁、柱箍筋加密區(qū)最大間距為100mm，非加密區(qū)箍筋最大間距為200mm。電算程序總信息中通常也內(nèi)定梁、柱箍筋加密區(qū)間距為100mm，并以此為依據(jù)計(jì)算出加密區(qū)箍筋面積，由設(shè)計(jì)人員根據(jù)規(guī)范確定箍筋直徑和肢數(shù)。

但是，在程序內(nèi)定的條件下，當(dāng)框架梁的跨中部位有次梁或有較大的其他集中荷載作用卻僅配兩肢箍筋時(shí)，多數(shù)情況下，非加密區(qū)箍筋間距若仍是200mm，會(huì)使梁的非加密區(qū)配箍不足。當(dāng)框架梁中由于種種原因縱向鋼筋超筋時(shí)，梁端適當(dāng)加大抗剪承載力對(duì)結(jié)構(gòu)抗震非常有利。這也是當(dāng)梁端縱向受拉鋼筋配筋率大于2%時(shí)，規(guī)范規(guī)定梁的箍筋直徑應(yīng)比最小構(gòu)造直徑增大2mm的原因。對(duì)于框架柱，當(dāng)框架內(nèi)定柱加密區(qū)箍筋間距為100mm時(shí)，在某些情況下，亦可能因非加密區(qū)箍筋間距采用200mm引起配箍不足。這里需要指出的是，梁、柱箍筋非加密區(qū)配箍驗(yàn)算時(shí)可不考慮強(qiáng)剪弱彎的要求，即剪力設(shè)計(jì)值取加密區(qū)終點(diǎn)處外側(cè)的組合剪力設(shè)計(jì)值，并且不乘以剪力增大系數(shù)。

6.5地下室層數(shù)的輸入處理

多層框架結(jié)構(gòu)房屋有的也設(shè)置地下室。由于隔墻少，常采用筏板式基礎(chǔ)。在電算時(shí)，應(yīng)將地下室層數(shù)和上部結(jié)構(gòu)一起輸入，并在總信息中按實(shí)際的地下室層數(shù)填寫。這樣，計(jì)算地基和基礎(chǔ)底板的豎向荷載可以一次完成，并且在抗震計(jì)算時(shí)，程序會(huì)自動(dòng)將框架底層柱底截面的彎矩設(shè)計(jì)值乘以增大系數(shù)。同時(shí)通過對(duì)層側(cè)移剛度比的分析比較，還可以正確判斷和調(diào)整房屋的嵌固位置，并采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施，保證樓板有必要的厚度和最小配筋率等等；當(dāng)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為豎向不規(guī)則時(shí)，不僅要驗(yàn)算薄弱層，而且還要對(duì)薄弱層的地震剪力乘以1.15的增大系數(shù)。

[1]《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2001）[S].

[2]《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2002）[S].

[3]《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB50223-2004）[S].

TU375.4

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1673-0038（2015）38-0001-02

2015-8-30