關(guān)于高層建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題的探討

潘世鵬

【摘要】隨著城市化建設(shè)的快速推進(jìn)，高層建筑日趨增多，高層建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也越來越重要。本文對(duì)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題進(jìn)行了探討分析。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；問題

高層建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)工作者只有按相應(yīng)的規(guī)范的構(gòu)造要求來嚴(yán)格執(zhí)行，才能從根本上消除設(shè)計(jì)質(zhì)量的隱患。高層建筑框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)雖然有關(guān)規(guī)范雖已有詳細(xì)規(guī)定，但仍有若干問題沒有明確具體做法。以下就高層建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題進(jìn)行分析。

一、框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)造方面的問題

1、框架節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)箍筋配置應(yīng)滿足要求。對(duì)于規(guī)范中規(guī)定的框架柱箍筋加密區(qū)的箍筋最小體積配箍率的要求，絕大部分設(shè)計(jì)人員都能給予足夠的重視，但對(duì)于《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的“一、二、三級(jí)框架節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)配箍特征值分別不宜小于：0.12、0.10、0.08且體積配箍率分別不宜小于：0.6% 、0.5% ，0.4% 。” 設(shè)計(jì)中經(jīng)常被忽視，尤其是柱軸壓比不大時(shí)，常常不滿足要求。這一規(guī)定是保證節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)延性的重要構(gòu)造措施，應(yīng)嚴(yán)格遵守。

2、框架梁上部縱筋端部水平錨固長(zhǎng)度應(yīng)滿足要求《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010—2002）中規(guī)定：“框架端節(jié)點(diǎn)處，當(dāng)框架梁上都縱筋水平直線段錨固長(zhǎng)度不足時(shí)，應(yīng)伸至柱外邊并向下彎折，彎折前的水平投影長(zhǎng)度不應(yīng)小于0.4LE”當(dāng)框架柱截面尺寸小于400 x 400mm時(shí)，應(yīng)注意梁上部縱筋直徑的選擇，否則這一項(xiàng)要求不容易得到保證。我們要注意選擇適當(dāng)?shù)目蚣苤?/p>

3、關(guān)于框架結(jié)構(gòu)電梯井的問題。由于在地震作用下高層框架結(jié)構(gòu)的位移較難控制，而多層框架結(jié)構(gòu)的位移控制要比其容易許多，故對(duì)于多層的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)電梯井，完全可以采用框架加填充墻形式，只是這時(shí)應(yīng)加密填充墻構(gòu)造柱，且應(yīng)注意加強(qiáng)電梯井周圍的框架梁柱的配筋，因其剛度影響在計(jì)算中無法反映出來。若要將電梯井做成鋼筋混凝土形式，由于井筒會(huì)吸收較大地震力，相應(yīng)減少框架部分吸收的地震力，則框架部分偏于不安全，且井筒基礎(chǔ)設(shè)計(jì)也較為困難，故應(yīng)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)按有無鋼筋混凝土井筒分別計(jì)算，取最不利結(jié)果配筋，且對(duì)井筒墻壁采取做薄墻厚、構(gòu)造配筋、開豎縫、開計(jì)算洞等辦法來弱化電梯井剛度。

二、 框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)連梁、地下框架梁和基礎(chǔ)梁

框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)連梁、地下框架梁和基礎(chǔ)梁的概念分析。基礎(chǔ)連梁目的一是為了提高基礎(chǔ)整體性，調(diào)節(jié)上部結(jié)構(gòu)的不均勻沉降，其二是用來承擔(dān)框架底層的墻體。當(dāng)基礎(chǔ)埋置深度不是很大時(shí)，基礎(chǔ)拉梁頂標(biāo)高一般所用與基礎(chǔ)頂齊平，基礎(chǔ)拉梁的鋼筋分別錨固于基礎(chǔ)之內(nèi)，計(jì)算模型是支承在基礎(chǔ)上簡(jiǎn)支梁.而不是連續(xù)梁。為了使基礎(chǔ)拉梁的實(shí)際受力符合計(jì)算模型，結(jié)構(gòu)說明中常要求基礎(chǔ)梁底架空：當(dāng)基礎(chǔ)埋置深度較大時(shí)，基礎(chǔ)拉梁的頂面標(biāo)高一般位于地坪下，這樣做的好處就是計(jì)算模型簡(jiǎn)單，可以把它當(dāng)作一層框架由軟件完成計(jì)算工作，還可以節(jié)省基礎(chǔ)拉梁上的墻體。此時(shí)的基礎(chǔ)拉梁在實(shí)際概念上應(yīng)屬于地下框架梁，其截面尺寸及配筋要求應(yīng)同于樓面框架梁。而我們常稱的基礎(chǔ)梁，從結(jié)構(gòu)分析角度來說，是起基礎(chǔ)作用的.即承受地基反力的梁。

三、柱的抗震設(shè)計(jì)問題

1、柱縱向鋼筋的配置：柱中縱向鋼筋宜對(duì)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(guī)范》要求；縱向鋼筋的連接方法應(yīng)符合《高規(guī)》第6.5.3 條；在縱向鋼筋連接區(qū)段內(nèi)宜加密箍筋，防止縱向鋼筋的壓曲，增加粘結(jié)強(qiáng)度。

2、柱的箍筋：在地震力的反復(fù)作用下，柱端鋼筋保護(hù)層往往首先碎落，這時(shí)，如無足夠的箍筋約束，縱筋就會(huì)向外膨曲， 柱端破壞。箍筋對(duì)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(yīng)變， 從而有效增加柱的延性。因此設(shè)計(jì)人員應(yīng)遵照《抗震規(guī)范》，滿足框架柱的箍筋構(gòu)造要求。

3、柱截面尺寸：柱的平均剪應(yīng)力太大，會(huì)使柱產(chǎn)生脆性的剪切破壞。平均壓應(yīng)力或軸壓比太大會(huì)使柱產(chǎn)生混凝土壓碎破壞， 為了使柱有足夠的延性，柱截面尺寸應(yīng)符合以下要求： 柱截面的寬度和高度均不宜小于300mm；剪跨比宜大于2；截面高寬比不宜大于3；當(dāng)剪壓比保持較低時(shí)，可獲得較好的延性，為此柱端截面的平均剪應(yīng)力一般宜小于3N/mm2。

四、鋼筋混凝土保護(hù)層厚度取值的問題

1、主粱與次梁交叉處、主梁、次梁和板的鋼筋關(guān)系處理不明確，造成板負(fù)筋保護(hù)層厚度不足或構(gòu)件有效截面高度損失，直接影響到構(gòu)件的安全性。

2、梁或柱中，只注意到主筋的保護(hù)層厚度，而忽略了箍筋的保護(hù)層厚度，造成箍筋外露或保護(hù)層厚度不足。

3、地上部分與地下部分的柱子因所處的環(huán)境條件不同，根據(jù)規(guī)范要求，應(yīng)采取不同的保護(hù)層厚度。設(shè)計(jì)人員常忽略這一差別，不進(jìn)行專門處理，施工時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩種情況：都按正常環(huán)境條件處理，造成地下部分混凝土保護(hù)層厚度不足；地下部分按基礎(chǔ)的環(huán)境條件處理，由于地下部分的保護(hù)層比地上部分的保護(hù)層厚度大，結(jié)果造成鋼筋出地面后外撐，形成安全隱患。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意：正確處理構(gòu)件內(nèi)各類鋼筋的相互關(guān)系，按鋼筋的正確位置確定構(gòu)件內(nèi)鋼筋的保護(hù)層厚度及構(gòu)件有效截面高度，并進(jìn)行構(gòu)件的截面設(shè)計(jì)。首先根據(jù)規(guī)范要求確定梁柱內(nèi)箍筋的保護(hù)層厚度，即確定箍筋的正確位置，主筋的保護(hù)層厚度可采用a+d （a為箍筋保護(hù)層最小厚度，d 為箍筋直徑），并大于規(guī)范規(guī)定的最小厚度，以此確定主筋的正確位置；交叉部位鋼筋的正確位置，可按上述辦法確定；根據(jù)各種鋼筋的正確位置，確定相關(guān)構(gòu)件的有效截面高度并進(jìn)行配筋計(jì)算，在施工圖中標(biāo)出相關(guān)構(gòu)件中鋼筋的位置。正確區(qū)分同一構(gòu)件所處的環(huán)境條件，區(qū)別對(duì)待不同環(huán)境下的混凝土保護(hù)層厚度。地下部分的柱子可將其斷面加大，滿足其保護(hù)層厚度的要求，同時(shí)保證柱子鋼筋上下位置的一致性，滿足鋼筋受力要求。

五、樓板開大洞結(jié)構(gòu)計(jì)算注意問題

樓板開洞的結(jié)構(gòu)比較普遍， 如果開洞面積大于該層樓面面積的30% ， 就屬于平面不規(guī)則了， 計(jì)算時(shí)必須進(jìn)行處理。以PKPM軟件為例來說， TAT和SAT、ⅣE分別采用了兩種方式進(jìn)行處理。TAT軟件是將無樓板的節(jié)點(diǎn)定義為彈性節(jié)點(diǎn)， 也就是表明該節(jié)點(diǎn)不受剛性樓板假定的限制， 其平動(dòng)自由度獨(dú)立（在這里所指的節(jié)點(diǎn)為梁柱交點(diǎn)） ； SAT2WE軟件是將所有樓板定義為彈性膜， 由軟件真實(shí)的計(jì)算樓板的平面內(nèi)剛度， 忽略樓板的平面外剛度。建議如果某層洞口面積大于樓層面積的30%以上時(shí)，應(yīng)將全樓所有樓板定義為彈性膜比較符合實(shí)際， 也可以將該層洞口邊緣節(jié)點(diǎn)定義為彈性節(jié)點(diǎn)（即不考慮樓板的剛度） ； 如果屋面為剛網(wǎng)架時(shí)， 應(yīng)輸入一板厚， 定義為彈性膜， 真實(shí)計(jì)算樓板的平面內(nèi)剛度， 比較符合實(shí)際。在正確定義了彈性節(jié)點(diǎn)或彈性膜后， 在后續(xù)計(jì)算中必須采用總剛計(jì)算法， 否則側(cè)剛計(jì)算法仍按剛性樓板計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力和配筋。

結(jié)束語

高層建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員，需要有扎實(shí)的理論知識(shí)。加深對(duì)當(dāng)前房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常見問題的認(rèn)識(shí)與研究，不斷提高自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平，使設(shè)計(jì)的作品具有高水準(zhǔn)、更合理和更經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)形式。

隨著我國建筑業(yè)的不斷發(fā)展，目前多層和高層建筑逐漸增多，而建筑的框架結(jié)構(gòu)種類選擇也越來越多。目前有多種框架結(jié)構(gòu)，每一種框架結(jié)構(gòu)都有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際建設(shè)過程中，工程設(shè)計(jì)師可根據(jù)建筑的自身實(shí)際情況進(jìn)行合理的選擇。

參考文獻(xiàn)：

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[2]胡愛坤，胡慶軍.混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需注意的問題.浙江建筑，2009年第1O期.