建筑框架結構設計問題及要點

趙志強（陽泉市建筑設計院有限公司，山西 陽泉 045000）

隨著社會的發展，人們對建筑的要求越來越高，不僅僅要注重其合理性和實用性，同時要提高建筑的觀賞性以及環保性等，因此要不斷提升建筑的外觀和結構，進一步調整建筑不同區域框架，從而保證建筑的整體質量。在建筑框架設計過程中，要綜合認識到建筑的基本需求，以期給用戶更好的使用體驗。

1 建筑框架結構概述

建筑框架結構通常是由梁和柱連接而形成的具有承重作用的結構，梁是使用混凝土和鋼筋組成的，借助鋼接以及鉸接的方式連接起來。框架結構能夠起到抵抗水平荷載以及豎向荷載的作用，使得建筑結構更加穩定。此外，框架結構構件的面積較小，其承載力和剛度無法滿足實際需求，隨著樓層的增加，水平位移越小。結構中建筑墻體的作用是分隔和圍墻，并不能承擔負荷。框架結構因其空間分隔更加靈活、成本較低以及剛度強等優勢受到人們的青睞，但是也存在很多缺陷，包括著節點應力集中、側向剛度不足等，不合適在高層建筑中應用。

2 建筑框架結構設計優化的意義

框架結構屬于承載結構體系，是由梁和柱連接形成，其中梁、柱將會承擔水平方向和豎直方向的荷載，該結構具有質量輕、節省材料、空間布置較為靈活等特點。隨著社會的發展，人們對建筑個性化需求越來越高，逐漸產生了不同造型的建筑，如果在建筑結構設計過程中仍然采用傳統設計方式，就不能滿足現代建筑的需求，過于考慮安全性方面的問題將會導致構件成本增加，同時對結構整體沒有太大益處，經濟效益低下，浪費資源的同時，不利于環境的保護。通過優化建筑結構設計，可以進一步緩解建筑能耗問題，優化結構要求以相關設計規范為基礎。因此，建筑結構優化設計具有十分重要的意義，可以實現建筑結構安全性和經濟性的充分融合。

3 建筑框架結構設計問題分析

3.1 計算機模型問題

第一，基礎寬度不夠，條形基礎寬度在計算時由于力學模型使用存在問題以及在選擇力學模型時沒有進行全面的考慮，導致條形基礎寬度不夠，從而直接影響了建筑結構的穩定性。如果建筑墻體上產生較大且集中的作用力時，作用力就會通過條形基礎進一步到達地基，在設計過程中，作用力除以墻段長度就能夠得到平均荷載，從而確定條形基礎寬度，避免出現局部基礎寬度不夠的問題。相關設計人員在設計建筑框架結構時，主要使用空間分析計算軟件工作。

第二，分析軟件問題，當前市場上很多軟件能夠對梁柱的受力進行計算，但是，梁在相交時其不存在主次之分。而分析軟件以梁扭轉剛度為基礎展開計算，使得計算結果超出限制，該問題產生的主要原因是軟件程序沒有考慮板翼緣對梁的影響，導致結構實際受力和計算模型存在較大差異。

第三，繪圖問題，一些設計人員在繪制平面施工圖時，將配筋簡圖作為設計的依據，沒有查閱相關資料，從而出現加密區外箍筋抗剪強度低的問題，影響結構的安全性。

3.2 配筋設計問題

第一，底層框架柱箍筋加密區范圍應滿足建筑抗震設計規范中規定“底層柱，柱根處箍筋加密區范圍為不小于柱凈高的1/3，設計中應重點說明。

第二，框架梁的縱向鋼筋配筋率應滿足《建筑抗震設計規范》中規定“當框架梁梁端縱向受拉鋼筋配筋率大于2%時，梁箍筋最小直徑的數值應比《規范》中表6.3.3中規定的數值增大2mm”,在設計中，這一規定常被忽視，造成梁端延性不足。

3.3 抗震設計問題

在設計建筑框架結構時，抗震設計是十分重要的內容，但是在實際建筑工程項目設計過程中，部分設計人員沒有足夠重視對框架結構抗震設計，即使結構的穩定性和安全性滿足了相關規定，一旦發生地震災害，就可能會造成失穩。此外，在結構設計過程中，柱截面寬度和高度不符合抗震標準，影響了結構的延性，使得箍筋不能發揮約束作用，從而造成縱筋向外膨脹造成扭曲。如今，我國土地資源越來越緊張，進而使高層建筑如雨后春筍般涌現，此時為了確保高層建筑的安全性和整體質量，對建筑框架結構抗震設計提出了較高要求，然而部分建筑工程設計人員并未對框架結構抗震設計給予高度重視，雖然框架結構的穩定性和安全性均滿足行業規范，然而一旦出現地震災害，將會誘發框架結構失穩。例如，某建筑在框架結構施工過程中，因為設計人員并未按照要求對框架結構給予綜合考慮，未對抗震設計給予重視，從而導致剪力設計和柱截面尺寸均超過了抗震標準要求，進而降低了框架結構的約束性和延展性，一旦遇到地震災害時，將會誘發框架結構縱筋膨脹扭曲，不僅使柱端質量降低，而且還增加了安全隱患的發生率。

3.4 樓板開大洞問題

在建筑框架結構設計中，樓板開洞結構是比較常見的結構形式，如果開洞面積超過30%樓板總面積時，則需要采取有效措施給予處理，而常見的處理方法如下：①借助TAT軟件進行處理，但是其只定義一個彈性節點，并未對樓板剛度給予考慮；②借助SATWE軟件進行處理，其定義整個樓板為彈性膜。如果建筑選擇剛網架時，只能借助SATWE軟件來對樓板開大洞問題進行處理。但是不管選擇哪種設計方法，在對彈性膜或彈性節點定義后，均需要用總剛計算法來計算。

4 建筑框架結構設計原則

4.1 剛柔適中原則

建筑結構性能呈現出剛柔兩種類型，剛柔度適中的原則才能滿足設計要求。結構設計過柔，則無法有效應對地震、風速等環境變化，在正常使用中無法保證建筑物正常使用的安全性。而建筑結構過剛，其本身不具有一定的變形能力，在受到較大外力沖擊作用下，會由于本身柔韌度不夠而損壞，比如在強地震作用下，因為結構剛度過剛而損壞甚至倒塌。因此，在設計建筑框架結構過程中要從多個角度進行考慮，使得框架結構更加科學合理。

4.2 主次分明原則

形成框架結構的不同部件在整體框架結構體系中有著不同的作用，因此在設計框架結構時要分清主次，合理優化設計關鍵部位。框架結構的設計要嚴格遵循主次分明的原則，即使受到較大外力也能夠保持建筑安全，此外，要認識框架結構主次關系，遵照柱強梁弱的要求，使得框架結構更加穩定。

4.3 多防線原則

在設計建筑框架結構過程中，設防層數直接影響了整體結構體系的安全性，通常來說框架結構綜合承載力隨著防線的增加而提高，從而在面臨地震等自然災害時能夠保持良好的穩定性。在土建結構中能夠充分體現設置多道防線的作用，如采用單一的框架體系，框架就成為整個體系中唯一的抗側力構架，應采用“強柱弱梁”型延性框架，“強柱弱梁”型延性框架在水平地震作用下，梁的屈服先于柱的屈服，這樣就可以做到利用梁的變形來消耗其地震能量，使框架柱退居到第二道防線的位置。因此，建筑框架結構的設計要重視采用多防線設計，從而更好地滿足建筑物的實際需求。

4.4 打通關節原則

框架結構體系包含著多種部件，從而起到對外力的傳遞和消減，各個部件連接為一個整體，形成完整的結構體系。因此在設計建筑框架結構時要使得各個構件相通，結合不同部位的作用進行計算，促使各個部分在受到外力時能夠發揮其作用，共同承載負荷，進一步提高整體建筑的承受能力，保證建筑的安全。

5 建筑框架結構設計優化策略

5.1 避免過多出現短柱

在設計建筑框架結構過程中，要明確認識到短柱問題，采用科學的措施，防止出現短柱，主要原因是短柱的抗震性能弱，出現在框架結構中直接影響了結構的穩定性。然而在框架結構設計時會存在樓梯間中平臺梁，難以避免短柱的出現，因此要嚴格按照國家的相關規定，保證短柱的抗震性。此外，如果一個樓層中的框架柱都是短柱，同時柱之間剛度均勻，有著較強的穩定性時，則不用給予處理。

5.2 合理設計梁柱中心線

在設計建筑框架結構過程中，梁、柱的中心線是關鍵點，相關設計人員要充分地重視。在保證框架梁和框架柱中心線設計符合相關規定，使得梁柱中心得以重合，如果中心線發生偏移，要檢查梁柱節點核心區域受力產生的影響。此外，如果偏心距離超出了一定的范圍，通過對水平防線加腋的方式對其進行處理，從而在計算梁的剪壓比和受彎承載力時會除去加腋截面的影響，保證計算結果的精確性。

5.3 采用有效的構造措施

第一，進行短柱處理，在設計大跨度柱網框架結構時，要對樓梯間位置處框架柱和平臺梁之間的問題進行充分考慮，設計人員在實際設計過程中要處理好短柱構造，采用箍筋全長加密的方式，提高框架結構的穩定性。除此之外，如果連續的窗過梁設置，可能會導致外部框架梁形成短柱，從而要有針對性地對構造進行處理。

第二，結構超長問題，如果框架結構長度超出了一定的范圍，可以采用補償混凝土的方式避免裂縫的產生。

第三，節點箍筋控制，在優化設計建筑框架結構時，相關設計人員要嚴格按照相關規定來展開設計，控制框架節點箍筋率，降低問題發生的概率。

5.4 對計算參數進行優選

根據目前建筑抗震設計的相關規定，在計算建筑框架結構相關參數時，要對建筑位置地震區的劃分情況全面考慮，使得地震加速取值更加科學合理，保證框架結構的整體抗震性。如果框架結構有填充墻時，使得結構剛度大于理論計算結果，進而地震作用效應降低，穩定性降低。為了避免發生抗震性不足，相關設計人員要合理選擇結構周期折減系數。

5.5 科學考察建筑環境

在建筑設計前要對施工環境進行勘察，主要勘察內容有地基考察，如果地基不均勻以及地較軟，就要采用柱下條基的措施；如果地基較硬，可使用獨立基礎，同時要注意材料的質量，重視防水層的設置，結合實際情況來控制防水層的厚度。此外，要考察建筑物間沉降縫，對于建筑基礎較好的建筑物在沉降縫管理時要分析墻體，提高建筑的穩定性。

5.6 注重結構抗震設計

在進行建筑框架結構設計過程中，通過抗震設計可以有效提高建筑框架結構的穩定性、安全性。在具體結構抗震設計工作中，最好根據現場實際情況和現有要求給予綜合考慮，這樣不僅可以提高抗震設計水平，而且還可以提高建筑實用性。在結構抗震設計過程中，設計人員要準確計算和控制梁剛度，保證其符合實際標準。在具體計算工作中，梁段負彎矩計算結果一般會超過實際值，此時可以適當提高梁段負彎矩的配筋數量，進而增加了其支出成本。因此，在結構抗震設計工作中，設計人員需要以最小值為最終負彎矩比值，并合理確定配筋數量及位置，以此來提高抗震設計效果。

6 建筑框架結構設計要點

6.1 提高方案的可行性

科學合理的框架結構設計方案是保證順利施工的重要依據。在設計混凝土框架結構前，要全面了解相關建筑圖紙，在掌握建筑設計技術參數和標準的同時要落實好各項設計細節，進一步研究解決相關問題，保證框架設計方案的科學性，同時要對設計流程進行規范，提高方案的可行性，保證框架設計質量。

6.2 提高框架結構體系的整體性

框架結構承重體系是每一層樓蓋和屋蓋連接組成的整體結構。在設計過程中，不僅要保證水平、豎向承重體系滿足施工組織設計相關規定，還要對建筑樓蓋和屋蓋各方向的荷載情況進行考慮，進一步分析荷載對地基產生的影響，保證設計的合理性。除此之外，在框架結構技術交底時，要對各個施工環節的工藝、材料等給予全面分析，同時要依據相關工藝技術標準來檢驗技術質量和方法的合理性，促進施工的順利開展，保證建筑工程質量。

6.3 梁詳圖設計優化要點

在建筑框架結構設計過程中，要細化和完善梁詳圖設計優化要點，具體如下：

（1）如果梁上有次梁時，要附加吊筋或箍筋。通常情況下，優先選擇附加箍筋。如果水箱下面架在板上或梁上有小柱的梁，一般不需要附加箍筋。

（2）在挑梁的端部按照規定對箍筋進行加密處理，且保證縱筋等間距排列，箍筋可以不等。對于小斷面的框架梁或連續梁，上、下部分的縱筋最好選擇相同直徑的布筋，盡可能統一大挑梁截面的大小，這樣既能夠確保后續施工的順利進行，而且還可以降低大挑梁自身重力。

（3）如果外部梁跨度相差比較小時，需要確保梁高處于同一水平面上，尤其是外部的框架梁。同時，要求上梁縱筋滿足間距小、直徑小的條件，以此來達到抗開裂的目的。然而，鋼筋之間的距離需要滿足設計要求，且不可無限小。

6.4 柱詳圖設計優化要點

（1）柱內埋管時，最好將直徑相當大的管埋在柱子的四角，如果管的截面面積小于4%時，可以簡化相關的驗算。

（2）如果地上建筑為圓柱形時，底下可以選擇方柱形，這樣能夠實現對各施工環節的有效控制。圓柱上縱筋要超過8根，且選擇螺旋箍進行布箍。而對于方柱形，最好選擇井字箍，并結合實際要求來給予加密處理。然而，對于幼兒園不建議選擇方柱形。對柱上的縱筋，盡量選擇大間距、大直徑的，然而不宜過大。

（3）柱子最好選擇高強度混凝土進行構建，降低截面的面積，盡可能避免出現短柱。然而，對大跨度框架結構而言，因為樓梯與樓梯平臺間的框架柱相連，難免會出現短柱，此時要對短柱箍筋進行加密處理，或者對框架結構外立面，最好設置連續的窗過梁，這樣可能會導致外框架柱成為短柱，此時要做好加強處理工作，以此來提高其整體強度和穩定性。

7 結語

簡而言之，框架結構在建筑工程項目中被廣泛應用。但是實際框架結構設計過程中由于受到多種因素的影響，經常會出現一些問題。因此要全面分析框架結構設計中存在的問題，采用有效的措施，進一步優化設計，以期提高建筑框架結構的穩定性。相關設計人員要嚴格按照標準，降低問題發生的概率，保證建筑質量。