1、浅谈钢筋混凝土多层框架结构设计 摘要：在工业与民用建筑钢筋混凝土框架结构设计过程中，时常会产生结构方案设计的优化及结构设计荷载取值的合理性、框架计算简图合理性及结构计算中几个重要设计参数的选取的合理性等问题，本文主要结合笔者多年来的工程设计实践经验，并针对性地提出切实有效的经验方法，供同仁参考。 关键词：结构设计：计算模式；参数选取 中图分类号： TU375 文献标识码： A 文章编号： Abstract: In the industrial and civil building reinforced concrete frame structure design process, it of
2、ten will produce the structure design of the optimization of the structure and design load determination rationality, frame diagram rationality and calculation structure calculation of several important the rationality of the selection of design parameters and so on, this paper mainly based on the a
3、uthors engineering design for years practical experience, and pointed proposed practical and effective method of experience for reference to colleagde; parameter selection 一、结构计算模式中几个问题 1.框架底层层高及计算简图的确定 对于无地下室的钢筋混凝土多层框架结构设计，合理地采用结构设计方案，可以有效地控制结构的最大层间位移角。对于多层框架底层层高的确定，根据规范 GB50010-2010混凝土结构设计规范第 6.2.
4、20 条的规定，即 “ 框架结构底层 柱的高度应取基础顶面至首层楼盖顶面的高度 ” 。因此，在用 PKPM 软件计算时，对于一层结构层高设计人员往往取值为建筑设计的首层层高加上 1.01.5米 (基础顶面至室内地坪的高度 )。这样对于多层框架特别是二 四层的框架结构，往往是在框架柱的轴压比满足规范要求时，首层结构的最大位移角不能够满足规范的最小要求。这时结构设计人员须增加框架柱截面的几何尺寸方能使首层的层间位移角小于 1/550，即满足规范要求。这样从经济的角度和建筑物的使用角度上来看，都不够合理。如采用另一种结构设计方案，即在 -0.05 米标高处纵横方向合理 地设置基础拉梁，这样就可减小自
5、然层一层的计算层高，从而可在不增大框架柱截面的几何尺寸的同时，满足规范的层间位移角的要求。但是，在 -0.050 标高设置基础拉梁时，是否应将基础拉梁计入一个结构层在框架计算简图中，这是一个值得关注的问题。以 2010 年笔者设计的江苏天泉湖实业有限公司盱眙金陵商务区商业街的歌城舞厅项目为例，该建筑物为二层的钢筋混凝土框架结构，建筑场地为 II 类，地震烈度为 7 度，建筑层高为 4.2 米，采用基础形式为独立柱基，基础埋置深度为 2.0米，基础高度为 0.6米，室内外高差为 0.45 米。根据 GB50011-2010建筑抗震设计规范第 6.1-2条规定，框架抗震等级为三级。如果按 2层框架
6、房屋计算： “ 首层层高取 4.25m，即假定框架房屋嵌固在 -0.05 米处的基础拉梁顶面；基础拉梁的断面和配筋按构造设计；基础按中心受压计算 ” 。照此计算简图运算，就会出现 2个问题：第 1是按构造设计的拉梁无法平衡柱脚弯矩；第 2是不符合 GB500lO一 2010混凝土结构设计规范第 6.2.20 条的规定，即 “ 框架结构底层柱的高度应取基础顶面至首层楼盖项面的高度 ” 。在实际工程设计中，为了能够达到设计与实践的高度吻合，这时可以将基础拉 梁层按一层记取输入。因此，上述框架结构按 3层进行整体分析计算，拉梁上荷载作用在拉梁层一并输入，框架计算简图的首层层高为 H1=2.00.60
7、.05=1.35m ，第 2 层层高为4.25m，第 3 层层高为 4.2m。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 l，并复算 1 次，同时，根据 GB50011-2010建筑抗震设计规范第 6.2.3 条规定，可以将框架柱底层柱脚弯矩设计值乘以增大系数 1.3，框架柱剪力相应调整。按两计算结果的包络图进行框架结构底层柱的配筋。根据比对，该工 程采用了设置基础拉梁并将其按一个结构层计算，减小了柱截面的几何尺寸，在满足了规范要求的同时，又满足了建筑使用及立面造型的要求。 2. 基础拉梁设计方案的确定 多层框架房屋基础拉梁的设计方案应视具体情况而定。
8、一般来说，当基础埋置深度较大时，为了减小底层柱的计算长度和底层的位移，可在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。当独立基础埋置不深或者埋置虽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 2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；构造基础拉粱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。若为构造配筋，除满足最小配筋率外，也不得小于上下各 214 ，配筋不得小于 8
9、200 ；若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。当框架底层层高不大或者基础埋置不深时，有时要加大基础拉梁的刚度及配筋，以便用拉梁来平衡柱底弯矩，这时 拉粱正弯矩钢筋应全跨拉通，负弯矩钢筋至少应在 1 2跨拉通，拉通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。 3.基础拉梁层计算模型的选定 用 TAT 或 SATWE 等电算程序进行框架整体计算时，对于基础拉梁层无楼板的情况下，楼板厚度应取 0，并定义弹性节点，用总纲分析方法进行分析计算。当房屋平面
10、不规则时，虽然楼板厚度取 O，也定义弹性节点但未采用总纲分析，程序分析时却自动按刚性楼面假定进行计算，这与实际情况 不符，设计过程中要特别注意这一点 4.独立基础设计的荷载取值 钢筋混凝土多层框架房屋的基础形式当采用柱下独立基础时。在基础设计中，合理地选取荷载设计值，是基础结构设计的重要环节。实际工作中，常会出现 2种情况： 依据 GB500112010 建筑抗震设计规范第 4 2 1条指出的 “ 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 24m以下的一般民用框架房屋或基础荷载与上述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 ” 的要求，忽略风荷载的影
11、响： 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、弯矩设计值而无剪力设计值，甚至或许只取轴力设计值。工程设计实践证明，这 2种情况的设计结果都会导致基础尺寸偏小、配筋偏少。 二、关于结构计算中几个重要参数的选取问题 GB50011-2010建筑抗震设计规范第 3.6.6 条第 4点指出，所有的计算机计算结果，应经分析判断，确认其合理、有效后，方可用于工程设计。受力分析判断计算机计算结果是否合理，结构设计时，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内的其他各项参数也是十分重要的。通常情况下，计算机的
12、计算结果主要是结构的自振周期、楼层地震剪力系数、楼层弹性层间位移 (包括最大位移与平均位移比 )和弹塑变形验算时楼层的弹塑性层间位移、楼层的侧向刚度比、振型参与质量系数、墙和柱的轴压比及墙、柱、梁和板的配筋、底层墙和柱底部截面的内力设计值、框架一抗震墙结构抗震墙承受的地震倾覆力矩与总地震倾覆力矩的比值、超筋超限信息等等。现以设计程序 SATWE为例，结合施工图设计中常遇的问题，加以说明有关参数如何进行合理选取。 1.结构的抗震 等级 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 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 GB50011-201
13、0建筑抗震设计规范表 6.1.2 确定。对于电讯、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，可首先根据 GB502232004 建筑抗震设防分类标准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 )。 2.地震力的振型组合数 地震力的振型组合数，对高层建筑，当不考虑扭转耦联 计算时，至少要取 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，对高层建筑，振 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、项部有小塔楼、多塔结构等，振型数应取 12
14、 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得较少。建筑抗震设计规范 55 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。 SATWE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。 3.结构周期折减系数 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，都是不妥当的。对框架结构，采用砌体填充墙时，周期折减系数可取 0 6
15、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，计算周期才可能不折减。 4. 框架梁、柱箍筋间距 建筑抗震设计规范第 6.3.3 条及第 6.3.8 条对不同抗震等级的框架梁、柱箍筋加密区的最小箍筋直径和最大箍筋间距做了明确规定。根据这些规定，设计时习惯上常取梁、柱箍筋加密区最大间距为 100mm，非加密区箍筋最大间距为 200mm。 PKPM程序总信息中通常也内定粱、柱箍筋加密区间距为 100mm，并以此为依据计算出加密区箍筋面积，设计人员可根据规范确定箍筋直径和肢数。 但特别要提醒的是当梁端纵向受拉钢筋配筋率大 2时，规
16、范规定梁的箍筋直径应比最小构造直径增大 2mm， 设计人员须仔细复核该部分的梁箍筋。 对于框架柱，当框架内定柱加密区箍筋间距为 100mm 时，非加密区箍筋间距采用 200mm。因此取梁，柱的非加密区的箍筋间距构造上要求不小于200m 结束语 本文主要阐述了多层框架结构在设计过程中的基本问题，当然实际工程可能会遇到更多问题，在此不再赘述。设计多层框架结构，设计人员应首先应比对各种结构设计方案，最终选择一个既经济又合理的结构方案结构，对可能碰到的问题，提前采取措施予以解决，并对所有计算结果认真分析、判断，准确无误后方可应用于实际工程 。 参考文献 魏利金建筑结构设计常遇问题及对策中国电力出版社， 2009 01 GB50011-2010 建筑抗震设计规范 s。 GB500102010 混凝土结构设计规范 s。 GB500072002 建筑地基基础设计规范 s。 GB500092001(2006 年版 )建筑结构荷载规范 s。
