多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問題分析
摘 要：隨著我國建筑業(yè)的不斷發(fā)展，人們不斷深入認(rèn)識了框架結(jié)構(gòu)的性能，并充分發(fā)揮其特點(diǎn)。本文首先從高烈度區(qū)多層框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中存在問題進(jìn)行分析，再就少墻框架結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)及其在實(shí)際工程中的應(yīng)用進(jìn)行舉例說明。
關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),框架結(jié)構(gòu),少墻框架,對比,應(yīng)用
2008年汶川大地震以來，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行了兩次修訂，人們對框架認(rèn)識不斷深入，發(fā)現(xiàn)框架結(jié)構(gòu)在地震過程中容易出問題的地方：1.梁柱節(jié)點(diǎn)處，墻柱弱梁的設(shè)計(jì)理念未能得到很好應(yīng)用，導(dǎo)致梁完好無損，而框架柱的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)則破壞嚴(yán)重。2.由于填充墻體的分布不均勻，導(dǎo)致薄弱層的存在。3.由于填充墻在門窗洞口處未沿層高布置，使框架柱形成短柱，在該處形成薄弱環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)人員也未采取措施進(jìn)行加強(qiáng)。針對框架結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過程中存在的一些問題和缺陷。少墻框架能夠很好的彌補(bǔ)其中一部分缺陷，并可以在合適的工程設(shè)計(jì)中得以使用。
1. 高烈度區(qū)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的問題
1.1 2010版抗震規(guī)范與2008版抗震規(guī)范中對于框架梁柱內(nèi)力調(diào)整系數(shù)對比詳表1：
從中我們不難看出，規(guī)范編寫組針對地震過程中比較容易出問題的框架柱的內(nèi)力作了較大的調(diào)整，而對框架梁則沒作調(diào)整。這是一個比較有效的實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁的措施之一。
1.2伴隨著框架柱內(nèi)力的大幅度提高，在設(shè)計(jì)過程中這樣那樣的問題也就浮出水面了。
首先，框架柱的截面必須增大很多才能使計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。然而作為框架結(jié)構(gòu)，其空間靈活的優(yōu)勢則不能游刃有余。雖不說是消失殆盡，也在一定程度上限制了框架結(jié)構(gòu)其應(yīng)有作用的發(fā)揮。比如說，在多層框架住宅設(shè)計(jì)中，以前400*400的框架柱就可以滿足要求，而現(xiàn)在可能要做到500*500，甚至600*600。作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員，不僅僅要考慮到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足計(jì)算結(jié)果了事，我們也同樣的擔(dān)負(fù)起對建筑的使用和美觀設(shè)計(jì)的重?fù)?dān)。
其次，即便是調(diào)整了框架梁柱的尺寸，有些計(jì)算結(jié)果也是很難能滿足規(guī)范要求的。比如說，彈性層間位移角限值，抗震規(guī)范表5.5.1規(guī)定：框架結(jié)構(gòu)其值為：1/550。無限制的增加梁柱截面來滿足規(guī)范要求是不現(xiàn)實(shí)的。
再次，由于內(nèi)力的調(diào)整，框架梁柱截面及配筋的加大，鋼筋含量無疑會增加很多。對于開發(fā)商來說，是不能接受的。
1.3框架結(jié)構(gòu)中填充墻的不合理布置，從框架結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)上來說是一大詬病。
填充墻作為框架結(jié)構(gòu)中分割建筑功能不可或缺的一部分，其作用是不言而喻的。然而一些建筑，由于其填充墻的不合理布置導(dǎo)致薄弱層的存在，而一些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員不能夠認(rèn)識到這一點(diǎn)，或者是能夠認(rèn)識這一點(diǎn)，卻在設(shè)計(jì)中不能采取有效的措施來彌補(bǔ)不足。這一類建筑在學(xué)校中尤其突出，很多學(xué)校把宿舍樓的底層設(shè)計(jì)成架空層，作為學(xué)生活動、停放自行車等場所。無疑給學(xué)生帶來了極大的方便。學(xué)校的建筑作為乙類建筑，其重要性不必多說。在汶川地震中，大量學(xué)校建筑的破壞給我們留下了深刻的印象。然而我們一部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員卻不能很好的通過自己所學(xué)習(xí)的知識和對規(guī)范的深刻理解，來幫助建筑師、業(yè)主達(dá)到這一目的，使我們的建筑即好用，又安全。
流行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件PKPM、廣廈等，不能在程序中較好的反應(yīng)填充墻的作用。僅僅通過輸入荷載和周期折減系數(shù)的調(diào)整來反應(yīng)填充墻對整體結(jié)構(gòu)的影響。然而周期折減調(diào)整系數(shù)模糊不清，范圍也比較大。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員為了達(dá)到得到比較滿意的計(jì)算結(jié)果，往往取最大值。2010版抗震規(guī)范和2011版砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范也要求了：有抗震設(shè)防要求時宜采用填充墻與框架脫開的方法。這樣可以有效的防止在地震作用過程中填充墻的不利影響，比如短柱效應(yīng)。
2. 少墻框架結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)和在實(shí)際工程中的應(yīng)用
2.1 少墻框架結(jié)構(gòu)的含義
所謂少墻框架結(jié)構(gòu)，顧名思義，在以框架梁柱為主要抗側(cè)力構(gòu)件的母體上，布置少量的剪力墻。其本質(zhì)上還是框架結(jié)構(gòu)。由于少量剪力墻的設(shè)置，無疑給框架結(jié)構(gòu)增加了一道防線。使得我們的結(jié)構(gòu)更加安全、可靠，然后即便是少量剪力墻的設(shè)置，也要合情合理，不能因?yàn)槠淇捎锌蔁o，而布置的雜亂無章，使得結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)增大。
2.2 少墻框架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的背景
由于框架結(jié)構(gòu)在實(shí)際工作中，和新規(guī)范提出更高要求的情況下，顯得力不從心。一種介與框架結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)之間的結(jié)構(gòu)就出現(xiàn)了。少量的剪力墻和框架一起分擔(dān)地震力，并且能有效的降低彈性層間位移角，使其滿足舒適度和規(guī)范的要求。
2.3 少墻框架和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的區(qū)別
鑒于少墻框架是個新生事物，并逐漸得到專家和設(shè)計(jì)人員的認(rèn)可。我們?nèi)绾螀^(qū)別少墻框架和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)呢?筆者認(rèn)為可以從以下兩個方面來區(qū)分：
首先，從概念設(shè)計(jì)上來區(qū)分。少墻框架結(jié)構(gòu)，本質(zhì)上還是框架結(jié)構(gòu)，只是在其中增加了少量的剪力墻，使得剪力墻能夠給和框架協(xié)同工作，剪力墻數(shù)量較少�？蚣�-剪力墻結(jié)構(gòu)相對來講，剪力墻的數(shù)量多一些。概念設(shè)計(jì)雖然是個模糊的概念，但對于成熟的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員來說又是相當(dāng)重要的。
再者，從量上來區(qū)分。對于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不是很豐富的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員來說，沒有一個具體的量，是很難把握的。《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2010)6.1.3條給予了設(shè)計(jì)人員一個設(shè)計(jì)依據(jù):在規(guī)定水平力作用下，底層框架部分所承擔(dān)的地震傾覆力矩大于地震總傾覆力矩的50%時，其框架的抗震等級應(yīng)按照框架結(jié)構(gòu)確定，抗震墻的抗震等級可與其框架的抗震等級相同。
綜上所述，我們就能做到心中有數(shù)的進(jìn)行合理的布置剪力墻，來輔助框架工作。
2.4 少墻框架結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中的應(yīng)用
2.4.1什么時候使用少墻框架結(jié)構(gòu)?什么樣的工程適合使用少墻框架結(jié)構(gòu)?筆者通過多年實(shí)際的設(shè)計(jì)工作，積累了一些經(jīng)驗(yàn)：
1) 在7度、8度0.2g 地區(qū)，可能8度0.3g及以上地區(qū)就不大適合。這些地區(qū)，在進(jìn)行框架設(shè)計(jì)時，經(jīng)常會碰到，按常規(guī)設(shè)計(jì)時，其彈性層間位移角限制不能滿足規(guī)范≤1/550的要求。這個時候我們需要增加少量的剪力墻，來降低建筑物在彈性地震作用下的位移角。效果很明顯。
2) 在底層作為架空層使用的時候，我們需要在底層設(shè)置少量的剪力墻，來彌補(bǔ)底層和上層的填充墻數(shù)量的巨大差異。使得底層不出現(xiàn)薄弱層。這類建筑多出現(xiàn)在學(xué)校中。
3) 8,9度框架結(jié)構(gòu)房屋防震縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)層高相差較大時，可根據(jù)需要在縫兩側(cè)沿房屋全高設(shè)置不少于兩道垂直于防震縫的抗震墻�？拐饓Φ牟贾靡藢ΨQ設(shè)置，應(yīng)避免加大結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。當(dāng)然這類建筑也可以通過增大防震縫的寬度來解決。這就要看業(yè)主和建筑師的決定了。
2.4.2 少墻框架結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意一下事項(xiàng)：
1) 框架等級應(yīng)按照純框架結(jié)構(gòu)來確定，剪力墻的抗震等級與框架相同。
2) 框架結(jié)構(gòu)在進(jìn)行內(nèi)力分析和配筋設(shè)計(jì)時應(yīng)按照：框架結(jié)構(gòu)(不輸入剪力墻)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)兩種形式包絡(luò)設(shè)計(jì)。
3)對框架結(jié)構(gòu)(不輸入剪力墻)進(jìn)行大震作用下的彈塑性位移驗(yàn)算。使之能夠滿足規(guī)范：1/50的要求。
4) 剪力墻的截面、配筋設(shè)計(jì)。剪力墻的截面厚度應(yīng)根據(jù)其所需要做出的貢獻(xiàn)來確定�；蛘邼M足位移角限值要求，或者滿足不出現(xiàn)薄弱層的要求，或者達(dá)到防震縫兩側(cè)的防撞墻的相關(guān)要求。剪力墻的配筋設(shè)計(jì)。筆者認(rèn)為，按規(guī)范要求取約束邊緣構(gòu)件或構(gòu)造邊緣構(gòu)件的構(gòu)造要求即可(根據(jù)軸壓比來判斷)。然而一些審圖單位要求剪力墻也要按照計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)，筆者認(rèn)為不妥。畢竟剪力墻在其中的作用，設(shè)計(jì)意圖是只體現(xiàn)在多遇地震作用時。當(dāng)大震時，剪力墻應(yīng)該退出工作，而此時它應(yīng)該起到的作用已經(jīng)完成。因?yàn)榭蚣鼙旧淼脑O(shè)計(jì)能夠保證達(dá)到大震時的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
2.4.3 工程實(shí)例
實(shí)例一 徐州地區(qū)某多層住宅樓，結(jié)構(gòu)層數(shù)6層，建筑高度19米，抗震等級二級，抗震設(shè)防烈度為8度，地震加速度為0.2g。因在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，發(fā)現(xiàn)為了達(dá)到彈性層間位移角限值的要求，在框架結(jié)構(gòu)中增加了少量的剪力墻，使其滿足規(guī)范要求：X方向的位移角為1/656;Y方向的位移角為1/613。剪力墻軸壓比≤0.3，按照構(gòu)造邊緣構(gòu)件進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。
實(shí)例二 徐州地區(qū)某高校學(xué)生宿舍樓，結(jié)構(gòu)層數(shù)為7層，建筑高度23.4米，抗震等級為三級，抗震設(shè)防烈度為7度，地震加速度為0.1g。其中一層為架空層，二~七層為學(xué)生宿舍。由于一層填充墻較少，導(dǎo)致形成薄弱層。因此設(shè)計(jì)中，從概念設(shè)計(jì)角度考慮，在底層增加設(shè)置少量剪力墻，來彌補(bǔ)建筑的不合理布置帶來的結(jié)構(gòu)缺陷。其少量剪力墻的設(shè)置見下圖：
該工程通過在底層設(shè)置少量的剪力墻，達(dá)到了很好的效果，使得Ratx=1.25，Raty=1.13，底層剛度均大于上層剛度，在X,Y方向上且均滿足本層塔側(cè)移剛度與上一層相應(yīng)塔側(cè)移剛度70%的比值或上三層平均側(cè)移剛度80%的比值中之較小者。解決了底層出現(xiàn)薄弱層的問題。
3. 結(jié)語
由于在特定地區(qū)，特定的工程中，框架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)這樣或那樣的弊端，少墻框架結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)很好的解決了部分框架結(jié)構(gòu)中較難解決的問題。然而在少墻框架的設(shè)計(jì)中，要注意的是框架的抗震等級的確定以及內(nèi)力和配筋設(shè)計(jì)，仍要按照框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)并要進(jìn)行與按照框架-剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，取包絡(luò)設(shè)計(jì)。鑒于少墻框架的適用范圍有相當(dāng)?shù)木窒扌�，在很多工程上不能�?yīng)用。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員定要在概念設(shè)計(jì)上、結(jié)構(gòu)選型上下足功夫。給建筑選擇合理的骨架，給業(yè)主提供有效的解決方案是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員義不容辭的責(zé)任。
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