摘 要: 本文闡述了鋼筋混凝土多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計，對目前存在的問題作了一定的探討并指出發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞: 框架；基礎(chǔ)；結(jié)構(gòu)計算
根據(jù)筆者在十多年的結(jié)構(gòu)設(shè)計計算中遇到的有關(guān)問題及相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗,筆者認(rèn)為,在鋼筋混凝土多層框架結(jié)構(gòu)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中以下幾個方面的問題,應(yīng)引起廣大設(shè)計工作者的注意。
1 基礎(chǔ)抗震承載力驗算及獨立基礎(chǔ)設(shè)計荷載取值問題
鋼筋混凝土多層框架房屋層數(shù)較低(一般在六層以下)時多采用柱下獨立基礎(chǔ),根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011 - 2001)第4. 2. 1條指出,當(dāng)?shù)鼗饕芰臃秶鷥?nèi)不存在軟弱粘性土層時,不超過8層且高度在25m以下的一般民用框架房屋或基礎(chǔ)荷載相當(dāng)?shù)亩鄬涌蚣軓S房,可不必進行天然地基和基礎(chǔ)的抗震承載力驗算。但這些房屋在基礎(chǔ)設(shè)計時應(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算分析中,必須輸入風(fēng)荷載,不能因為在地震區(qū)高層建筑以外的一般建筑風(fēng)荷載不起控制作用就不輸入。另一種情況是,在設(shè)計獨立基礎(chǔ)時,作用在基礎(chǔ)頂面上的外荷載(柱腳內(nèi)力設(shè)計值)只取軸力設(shè)計值和彎矩設(shè)計值,無剪力設(shè)計值,或者甚至只取軸力設(shè)計值。以上兩種情況都會導(dǎo)致基礎(chǔ)設(shè)計尺寸偏小,配筋偏少,影響基礎(chǔ)本身和上部結(jié)構(gòu)的安全。
2 框架計算簡圖應(yīng)合理
無地下室的鋼筋混凝土多層框架房屋,獨立基礎(chǔ)埋置較深,在- 0. 05m左右設(shè)有基礎(chǔ)拉梁時,應(yīng)將基礎(chǔ)拉梁按層1輸入。以某學(xué)生宿舍樓為例,該項目為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)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第6. 1. 2條,在7度地震區(qū)該工程框架結(jié)構(gòu)的抗震等級為三級。設(shè)計者按3 層框架房屋計算, 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;基礎(chǔ)按中心受壓計算。顯然,選取這樣的計算簡圖是不妥當(dāng)?shù)摹Ｒ驗?第一,按構(gòu)造設(shè)計的拉梁無法平衡柱腳彎矩;第二,根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》( GB50010 -2002)第7. 3. 11條規(guī)定,框架結(jié)構(gòu)底柱的高度應(yīng)取基礎(chǔ)頂面至首層樓蓋頂面的高度。根據(jù)工程設(shè)計經(jīng)驗,這樣的框架結(jié)構(gòu)宜按4層進行整體分析計算,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,計算剪力的首層層高應(yīng)為H1 = 4- 0. 8 - 0. 05 = 3. 15m,層2層高為3. 35m,層3、4層高為3. 3m。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第6. 2. 3條,框架柱底層柱腳彎矩設(shè)計值應(yīng)乘以增大系數(shù)1. 15。當(dāng)設(shè)拉梁層時,一般情況下,要比較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,對這樣的計算簡圖,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,按兩次計算結(jié)果的包絡(luò)圖進行框架結(jié)構(gòu)底層柱的配筋設(shè)計。
3 基礎(chǔ)拉梁層的計算模型應(yīng)符合實際情況
基礎(chǔ)拉梁層無樓板,用TAT或SATWE等電算程序進行框架整體計算時,樓板厚度應(yīng)取零,并定義彈性節(jié)點,應(yīng)用總剛分析方法進行分析計算。有時雖然樓板厚度取零,也定義彈性節(jié)點,但未采用總剛分析,程序分析時自動按剛性樓面假定進行計算,與實際情況不符。房屋平面不規(guī)則時,要特別注意這一點。
4 基礎(chǔ)拉梁設(shè)計應(yīng)適當(dāng)
多層框架房屋基礎(chǔ)埋深值大時,為了減小底層柱的計算長度和底層的位移,可以在±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,宜按框架梁進行設(shè)計,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)獨立基礎(chǔ)埋置不深,或者雖然埋置較深但采用了短柱基礎(chǔ)時,由于地基不良或柱子荷載差別較大,或根據(jù)抗震要求,可沿兩個主軸方向設(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)計值的10%作為拉力或壓力來計算,當(dāng)為構(gòu)造配筋,除滿足最小配筋率外,也不得小于上下各2Φ14,箍筋不得小于¢8@200。當(dāng)拉梁上作用有填充墻或樓梯柱等傳來的荷載時,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�；A(chǔ)構(gòu)造拉梁頂標(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。當(dāng)框架底層層高不大或者基礎(chǔ)埋置不深時,有時要把基礎(chǔ)拉梁設(shè)計得比較強大,以便用拉梁來平衡柱底彎矩。這時,拉梁正彎矩鋼筋應(yīng)全跨拉通,負(fù)彎矩鋼筋至少應(yīng)1 /2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。
5 框架結(jié)構(gòu)應(yīng)注意帶樓梯、電梯的小井筒的設(shè)計
多層框架結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量避免設(shè)置鋼筋混凝土樓梯、電梯小井筒。因為鋼筋混凝土井筒的存在會吸收較大的地震剪力,相應(yīng)地減少框架結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的地震剪力,而且井筒下的基礎(chǔ)設(shè)計也比較困難,故在設(shè)計過程中這些井筒多采用構(gòu)造柱夾砌體材料做填充墻形成隔墻。當(dāng)必須設(shè)計為鋼筋混凝土井筒時,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)計計算時,除按框架確定抗震等級并計算外,還應(yīng)按帶井筒的框架(當(dāng)平面不規(guī)則時,宜考慮耦聯(lián))復(fù)核,并加強與井筒墻體相連的柱子的配筋。
6 結(jié)構(gòu)計算中幾個重要參數(shù)的合理選取
為了分析判斷計算機計算結(jié)果是否合理,結(jié)構(gòu)設(shè)計計算時,除了有合理的結(jié)構(gòu)方案、正確的結(jié)構(gòu)計算簡圖外,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參數(shù)也是十分重要的�，F(xiàn)以空間有限元分析與設(shè)計程序SATWE為例,結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計計算過程中發(fā)現(xiàn)的問題,來說明有關(guān)參數(shù)如何合理選取。
⑴結(jié)構(gòu)的抗震等級的確定
在工程設(shè)計中,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)建筑等等,其抗震等級可根據(jù)烈度、結(jié)構(gòu)類型和房屋的高度按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》表6. 1. 2確定。而電訊、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)《建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB50223 - 95)確定其中哪些建筑屬于乙類建筑(可能還有甲類建筑,本文不涉及)。乙、丙類建筑,地震作用均按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度計算。對于乙類建筑,一般情況下,當(dāng)抗震設(shè)防烈度為6～8度時,抗震措施應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求。
⑵合理確定地震力的振型組合數(shù)
地震力的振型組合數(shù),對多層建筑,當(dāng)不考扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)計算時,至少應(yīng)取3;當(dāng)振型數(shù)多于3時,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,振型數(shù)可取層數(shù)。對于不規(guī)則的結(jié)構(gòu),當(dāng)考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)時,對多層建筑,振型數(shù)應(yīng)取≥9;結(jié)構(gòu)層數(shù)較多或結(jié)構(gòu)剛度突變較大,振型數(shù)應(yīng)多取,如結(jié)構(gòu)有轉(zhuǎn)換層、頂部有小塔樓、多塔結(jié)構(gòu)等,振型數(shù)應(yīng)取≥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,且采用總剛分析,必要時,振型數(shù)才可以取的更多�！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》指出,合適的振型個數(shù)一般可以取振型參與質(zhì)量達到總質(zhì)量的90%所需的振型數(shù)。SAT2WE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)計人員不大重視電算程序使用手冊的應(yīng)用,選取振型數(shù)時比較隨意,這是需要應(yīng)當(dāng)改進的。此外,由耦聯(lián)計算的地震剪力通常小于非耦聯(lián)計算,僅當(dāng)結(jié)構(gòu)存在明顯扭轉(zhuǎn)時才采用耦聯(lián)計算,但非耦聯(lián)計算往往是不可缺少的。
⑶結(jié)構(gòu)周期折減系數(shù)的確定
框架結(jié)構(gòu)及框架- 抗震墻等結(jié)構(gòu),由于填充墻的存在,使結(jié)構(gòu)的實際剛度大于計算剛度,計算周期大于實際周期,因此,算出的地震剪力偏小,使結(jié)構(gòu)偏于不安全,因而對結(jié)構(gòu)的計算周期進行折減是必要的,但對框架結(jié)構(gòu)的計算周期不折減或折減系數(shù)取得過大也是不妥當(dāng)?shù)�。對框架結(jié)構(gòu),采用砌體填充墻時,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,可取0. 7～0. 8;完全采用輕質(zhì)墻體板材時,可取0.9。只有無墻的純框架,計算周期才可以不折減。
7、結(jié)語
鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是我國大量存在的建筑結(jié)構(gòu)形式之一，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的柱端與節(jié)點的破壞較為嚴(yán)重，其抗震設(shè)計中必須滿足“強柱弱梁”、“強剪弱彎”、“強節(jié)點”、“強底層柱底”等延性設(shè)計原則和有關(guān)規(guī)定。在多層及高層鋼筋混凝土房屋抗震設(shè)計的實踐中，由于設(shè)計人員對規(guī)范的理解和掌握尺度上，以及因地因人在結(jié)構(gòu)選型、布置以及計算方法上相互差異較多而對設(shè)計產(chǎn)生較多的爭議，抗震設(shè)計方法值得深入研究。
