钢筋混凝土多层框架结构设计的探讨

本文阐述了钢筋混凝土多层框架结构设计，对目前存在的问题作了一定的探讨并指出发展方向。

根据笔者在十多年的结构设计计算中遇到的有关问题及相关设计经验,笔者认为,在钢筋混凝土多层框架结构房屋结构设计中以下几个方面的问题,应引起广大设计工作者的注意。

1　基础抗震承载力验算及独立基础设计荷载取值问题

钢筋混凝土多层框架房屋层数较低(一般在六层以下)时多采用柱下独立基础,根据《建筑抗震设计规范》(GB50011 - 2001)第4. 2. 1条指出,当地基主要受力层范围内不存在软弱粘性土层时,不超过8层且高度在25m以下的一般民用框架房屋或基础荷载相当的多层框架厂房,可不必进行天然地基和基础的抗震承载力验算。但这些房屋在基础设计时应考虑风荷载的影响。因此,在钢筋混凝土多层框架房屋的整体计算分析中,必须输入风荷载,不能因为在地震区高层建筑以外的一般建筑风荷载不起控制作用就不输入。另一种情况是,在设计独立基础时,作用在基础顶面上的外荷载(柱脚内力设计值)只取轴力设计值和弯矩设计值,无剪力设计值,或者甚至只取轴力设计值。以上两种情况都会导致基础设计尺寸偏小,配筋偏少,影响基础本身和上部结构的安全。

2　框架计算简图应合理

无地下室的钢筋混凝土多层框架房屋,独立基础埋置较深,在- 0. 05m左右设有基础拉梁时,应将基础拉梁按层1输入。以某学生宿舍楼为例,该项目为3层钢筋混凝土框架结构,丙类建筑,建筑场地为Ⅱ类;层高3. 3m,基础埋深4. 0m,基础高度0. 8m,室内外高差0. 45m。根据《建筑抗震设计规范》第6. 1. 2条,在7度地震区该工程框架结构的抗震等级为三级。设计者按3 层框架房屋计算, 首层层高取3.35m,即假定框架房屋嵌固在- 0. 05m处的基础拉梁顶面;基础拉梁的断面和配筋按构造设计;基础按中心受压计算。显然,选取这样的计算简图是不妥当的。因为,第一,按构造设计的拉梁无法平衡柱脚弯矩;第二,根据《混凝土结构设计规范》( GB50010 -2002)第7. 3. 11条规定,框架结构底柱的高度应取基础顶面至首层楼盖顶面的高度。

根据工程设计经验,这样的框架结构宜按4层进行整体分析计算,即将基础拉梁层按层1输入,拉梁上如作用有荷载,应将荷载一并输入。这样,计算剪力的首层层高应为H1 = 4- 0. 8 - 0. 05 = 3. 15m,层2层高为3. 35m,层3、4层高为3. 3m。根据《建筑抗震设计规范》第6. 2. 3条,框架柱底层柱脚弯矩设计值应乘以增大系数1. 15。当设拉梁层时,一般情况下,要比较底层柱的配筋是由基础顶面处的截面控制还是由基础拉梁顶面处的截面控制。考虑到地基土的约束作用,对这样的计算简图,在电算程序总信息输入中,可填写地下室层数为1,并复算一次,按两次计算结果的包络图进行框架结构底层柱的配筋设计。

3　基础拉梁层的计算模型应符合实际情况

基础拉梁层无楼板,用TAT或SATWE等电算程序进行框架整体计算时,楼板厚度应取零,并定义弹性节点,应用总刚分析方法进行分析计算。有时虽然楼板厚度取零,也定义弹性节点,但未采用总刚分析,程序分析时自动按刚性楼面假定进行计算,与实际情况不符。房屋平面不规则时,要特别注意这一点。

4　基础拉梁设计应适当

多层框架房屋基础埋深值大时,为了减小底层柱的计算长度和底层的位移,可以在±0. 000以下适当位置设置基础拉梁,但不宜按构造要求设置,宜按框架梁进行设计,并按规范规定设置箍筋加密区。但就抗震而言,应采用短柱基础方案。一般说来,当独立基础埋置不深,或者虽然埋置较深但采用了短柱基础时,由于地基不良或柱子荷载差别较大,或根据抗震要求,可沿两个主轴方向设置构造基础拉梁。基础拉梁截面宽度可取柱中心距的1 /20～1 /30,高度可取柱中心距的1 /12～1 /18。构造基础拉梁的截面可取上述限值范围的下限,纵向受力钢筋可取所连接柱子的最大轴力设计值的10%作为拉力或压力来计算,当为构造配筋,除满足最小配筋率外,也不得小于上下各2Φ14,箍筋不得小于¢8@200。当拉梁上作用有填充墙或楼梯柱等传来的荷载时,拉梁截面应适当加大,算出的配筋应和上述构造配筋叠加。基础构造拉梁顶标高通常与基础高或短柱顶标高相同。在这种情况下,基础可按偏心受压基础设计。当框架底层层高不大或者基础埋置不深时,有时要把基础拉梁设计得比较强大,以便用拉梁来平衡柱底弯矩。这时,拉梁正弯矩钢筋应全跨拉通,负弯矩钢筋至少应1 /2拉通。拉梁正负弯矩钢筋在框架柱内的锚固、拉梁箍筋的加密及有关抗震构造要求与上部框架梁完全相同。此时拉梁宜设置在基础顶部,不宜设置在基础顶面之上,基础则可按中心受压设计。

5　框架结构应注意带楼梯、电梯的小井筒的设计

多层框架结构应尽量避免设置钢筋混凝土楼梯、电梯小井筒。因为钢筋混凝土井筒的存在会吸收较大的地震剪力,相应地减少框架结构所承担的地震剪力,而且井筒下的基础设计也比较困难,故在设计过程中这些井筒多采用构造柱夹砌体材料做填充墙形成隔墙。当必须设计为钢筋混凝土井筒时,井筒墙壁厚度应当减薄,并通过开竖缝、开结构洞等办法进行刚度弱化;配筋也只宜配置少量单排钢筋,以减小井筒的作用。设计计算时,除按框架确定抗震等级并计算外,还应按带井筒的框架(当平面不规则时,宜考虑耦联)复核,并加强与井筒墙体相连的柱子的配筋。

6　结构计算中几个重要参数的合理选取

为了分析判断计算机计算结果是否合理,结构设计计算时,除了有合理的结构方案、正确的结构计算简图外,正确填写抗震设防烈度和场地类别,合理选取电算程序总信息中的其他各项参数也是十分重要的。现以空间有限元分析与设计程序SATWE为例,结合结构设计计算过程中发现的问题,来说明有关参数如何合理选取。⑴结构的抗震等级的确定在工程设计中,多数房屋建筑按其抗震设防分类属于丙类建筑,如民用住宅、办公楼及一般工业建筑等等,其抗震等级可根据烈度、结构类型和房屋的高度按《建筑抗震设计规范》表6. 1. 2确定。而电讯、交通、能源、消防和医疗等类建筑以及大型体育场馆、大型零售商场等公共建筑,首先,应当根据《建筑抗震设防分类标准》(GB50223 - 95)确定其中哪些建筑属于乙类建筑(可能还有甲类建筑,本文不涉及)。乙、丙类建筑,地震作用均按本地区抗震设防烈度计算。对于乙类建筑,一般情况下,当抗震设防烈度为6～8度时,抗震措施应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求。⑵合理确定地震力的振型组合数地震力的振型组合数,对多层建筑,当不考扭转耦联计算时,至少应取3;当振型数多于3时,宜取3的倍数,但不应多于层数;当房屋层数≤2时,振型数可取层数。对于不规则的结构,当考虑扭转耦联时,对多层建筑,振型数应取≥9;结构层数较多或结构刚度突变较大,振型数应多取,如结构有转换层、顶部有小塔楼、多塔结构等,振型数应取≥12 或更多,但不能多于房屋层数的3倍;只有当定义弹性楼板,且采用总刚分析,必要时,振型数才可以取的更多。《建筑抗震设计规范》指出,合适的振型个数一般可以取振型参与质量达到总质量的90%所需的振型数。SAT2WE等电算程序已有这种功能,可以很方便地输出这种参与质量的比值。有些设计人员不大重视电算程序使用手册的应用,选取振型数时比较随意,这是需要应当改进的。此外,由耦联计算的地震剪力通常小于非耦联计算,仅当结构存在明显扭转时才采用耦联计算,但非耦联计算往往是不可缺少的。⑶结构周期折减系数的确定框架结构及框架- 抗震墙等结构,由于填充墙的存在,使结构的实际刚度大于计算刚度,计算周期大于实际周期,因此,算出的地震剪力偏小,使结构偏于不安全,因而对结构的计算周期进行折减是必要的,但对框架结构的计算周期不折减或折减系数取得过大也是不妥当的。对框架结构,采用砌体填充墙时,周期折减系数可取0. 6～0. 7;砌体填充墙较少或采用轻质砌块时,可取0. 7～0. 8;完全采用轻质墙体板材时,可取0.9。只有无墙的纯框架,计算周期才可以不折减。

7、结语

钢筋混凝土框架结构是我国大量存在的建筑结构形式之一，钢筋混凝土框架结构的柱端与节点的破坏较为严重，其抗震设计中必须满足“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点”、“强底层柱底”等延性设计原则和有关规定。在多层及高层钢筋混凝土房屋抗震设计的实践中，由于设计人员对规范的理解和掌握尺度上，以及因地因人在结构选型、布置以及计算方法上相互差异较多而对设计产生较多的争议，抗震设计方法值得深入研究。