多层框架结构设计应注意的几个问题.docx

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多层框架结构设计应注意的几个问题

钢筋混凝土多层框架房屋结构设计中应注意的几个问题

作者：

董俊

简介：

本文围绕钢筋混凝土多层框架结构，就结构设计中结构选型、基础设计、结构电算及电算结果的人工调整、施工图绘制注意事项等几方面简要总结了一些要在结构设计过程要注意的一些常见问题，为今后多层框架结构分析与设计提供一定参考。

关键字：

钢筋混凝土多层框架房屋结构设计

一.引言

随着建筑选型和建筑功能要求日趋多样化，无论是工业建筑还是民用建筑，在结构设计中遇到的各种难题也日益增多，因而作为一个结构设计者在遵循各种规范，大胆灵活的解决一些结构方案上的难点、重点的同时，还必须注意一些在多层框架结构具体设计过程看似简单，却容易忽视的一些注意点。

结合笔者在参加工作几年来积累的多层框架结构的设计实践，就在结构设计中结构选型、基础设计、结构电算与结构分析、施工图绘制注意事项等几方面简要总结了一些要在结构设计过程要注意一些常见问题，为今后多层框架结构分析与设计提供一定参考。

二．结构选型

对于多层钢筋混凝土框架结构设计，在结构选型阶段，要注意以下几点问题：

1．抗震设计的框架结构不宜采用单跨框架

单跨框架是由两个柱单根梁形成，一旦发生地震，尤其超设防烈度的大震情况下，两个柱的其中一根遭受破坏，显而易见将使建筑容易倒塌，因为整体结构缺乏赘余的空间体系。

2．框架结构应尽量避免设置钢筋混凝土楼电梯小井筒

框架结构应尽量避免设置钢筋混凝土楼电梯小井筒。

因为井筒的存在会吸收较大的地震剪力，相应地减少框架结构承担的地震剪力，而且井筒下基础设计也比较困难，故这些井筒多采用砌体材料做填充墙形成隔墙。

当必须设计钢筋混凝土井筒时，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，并加强与井墙体相连的柱子的配筋。

此外，还要特别指出，对框架结构出屋顶的楼电梯间和水箱间等，应采用框架承重，不得采用砌体墙承重；而且应当考虑鞭梢效应乘以增大系数；雨篷等构件应从承重梁上挑出，不得从填充墙上挑出；楼梯梁和夹层梁等应承重柱上，不得支承在填充墙上。

3．多层框架结构的平面布置及竖向布置应注意的问题。

多层框架结构的平面布置应采用纵横双向梁柱刚接的抗侧力结构体系，而不宜采用一个方向梁柱刚接的抗侧力结构。

若有一个方向为铰接时，应在铰接方向设置支撑等抗侧力构件。

主体结构除个别部位外，不应采用梁柱铰接。

柱网的开间和进深，应根据建筑使用功能要求，结合受力的合理性、方便施工、经济等因素确定。

大柱网适用于建筑平面要求有较大空间的房屋，但将增大梁的界面尺寸。

小柱网梁柱截面尺寸小，适用于饭店、办公楼、医院病房楼等分隔墙体较多的建筑。

在有抗震设防的框架房屋中，过大的柱网将给实现强柱弱梁及延性框架增加一定困难。

多层框架结构的竖向布置中柱子布置应均匀、对称，同层各柱截面尺寸宜相同，避免短柱（如因楼层高度不等而形成错层时），应使各柱抗侧力刚度大致相同，防止在地震作用下由于各柱抗侧力刚度相差悬殊而被各个击破导致结构破坏。

框架沿高度方向各层平面柱网尺寸宜相同。

尽量避免因楼层某些框架柱取消而形成不规则框架，如必须，应视不规则程度采取加强措施，如加厚楼板、增加边梁配筋等。

上下楼层柱子截面变化时，尽可能使柱中心对齐，或上下仅有较小的偏心。

三、基础设计

1．独立基础设计荷载取值不当

钢筋混凝土多层框架房屋多采用柱下独立基础，《抗震规范》（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荷载相当的多层框架厂房，可不必进行地基和基础的抗震承载力验算。

这就是说，在8度及8度以下地震区，大多数钢筋混凝土多层框架房屋可不必进行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

一般建筑荷载不起作用就不输入。

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，影响基础本向和上部结构的安全。

2. 基础拉梁设计不当

多层框架房屋基础埋深值大时，为了减速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。

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，或者过去时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，纵筋也不得小于上下各2Ⅱ14，箍筋配筋不得小于Ⅰ8-200。

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。

构造基础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，基础可按偏心有受压基础设计。

当框架底层层高不大或者基础过去埋置不深时，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，负弯矩钢筋至少应在1/2跨拉通。

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。

四、结构电算及电算结果的人工调整

1．结构电算中几个重要参数的选择

《抗震规范》第3.6.6.4条指出，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。

通常情况下，计算机的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）和弹塑性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--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。

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，结合施工图审查中发现的问题，来说明有关参数如何合理选取。

 a.  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《抗震规范》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列度提高一度的要求。

所谓抗震措施，在这里主要体现为按本地区设防烈度提高一度由《抗震规范》表6.1.2确定其抗震等级。

÷

 b.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，对高层建筑，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。

《抗震规范》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。

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。

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，这是应当改进。

此外，由耦联计算的地震剪力通常小于非耦联计算，仅当结构存在明显示扭转时才采用耦联计算，但在必要时应补充非耦联计算。

c.结构周期折减系数

框架结构，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0.6～0.7；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。

d.框架梁、柱箍筋间距

《抗震规范》第6.3.3条及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了明确规定。

根据这些规定，工程习惯上常取梁、柱箍筋加密区最大间距为100mm，非加密区箍筋最大间距为200mm。

电算程序总信息中通常也内定梁、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，由设计人员要据规范确定箍筋直径和肢数。

但是，在程序内定的条件下，当框架梁的跨中部位有次梁或有较大的其他集中荷载作用却仅配两肢箍筋时，多数情况下，非加密区箍筋间距采用200mm会使梁的非加密区配箍不足，因此建议程序内定梁箍筋改为取梁的非加密区间距200mm。

这样，既可保证梁非加密区的抗剪承载力，又可适当增加梁端箍筋加密区（箍筋间距为100mm）的抗剪能力，梁的强剪性能更能充分体现。

当框架梁由于种种原因纵向钢筋超筋时，梁端适当加大抗剪承载力对结构抗震非常有利。

这也是为什么当梁端纵向受拉钢筋配筋率大2％时，规范规定梁的箍筋直径应比最小构造直径增大2mm的原因。

对于框架柱，当框架内定柱加密区箍筋间距为100mm时，在某些情况下，亦可能因非加密区箍筋间距采用200mm引起配箍不足。

因此，我们也建议程序内定柱的箍筋间距改为取柱的非加密区的箍筋间距200mm。

这里需要指出的是，梁、柱箍筋非加密区配箍验算时可不考虑强剪弱弯的要求，即剪力设计值取加密区终点处外侧的组合剪力设计值，并且不乘以剪力增大系数。

当然，如果电算程序能同时给出梁、柱箍筋加密区和非加密区的箍筋面积，则于设计者应更加方便了。

e. 地下室层数的输入处理

多层框架结构房屋有也设置地下室。

由于隔墙少，常采用筏板式基础。

在电算时，应将地下室层数和上部结构一起输入，并在总信息中按实际的地下室层数填写。

这样，计算地基和基础底板的竖向荷载可以一次形成，并且在抗震计算时，程序会自动对框架底层柱底截面的弯矩设计值乘以增大系数。

同时通过对层侧移刚度比的分析比较，还可以正确判断和调整房屋的嵌固位置，并采取相应的抗震构造措施，保证楼板有必要的厚度和最小配筋率等等；当结构表现为竖向不规侧时，不仅要验算薄弱层，而且还要对薄弱层的地震剪力乘以1.15的增大系数。

如果在结构总体计算时，总信息中填写的地下室层数少于实际输入的层数，弯矩设计值增大系数将会乘错位置，从而在发生地震时，会使极易发生震害的底层柱底部位因抗震能力降低而破坏。

2.结构电算结果人工调整

a.梁,柱截面尺寸的调整

设计人员根据教科书建议的梁,柱截面尺寸的取值范围,结合自已的经验先对所有构件的大小初步确定一个尺寸.此时须注意尽可能使柱的线刚度ic与梁的线刚度iB的值大于1.这是为了实现在罕遇地震作用下,让梁端形成塑性铰时,柱端仍可处于非弹性工作状态而没有屈服,但节点还处于弹性工作阶段的目的.即“强柱弱梁强节点”。

将初步确定的尺寸输入计算机进行试算，一般可得到下述三种结果

（1）部分梁、柱仅为构造配筋。

此时，可根据电算显示的梁的裂缝宽度和柱的轴压比大小适当减小梁、柱的截面尺寸再试算。

（2）部分梁显示超筋或裂缝宽度>0.3mm,部分柱的轴压比超限或配筋率过大（试算时可控制柱的配筋率不大于3%）.此时,可适当放大这部分梁、柱的截面尺寸再试算。

（3）梁、柱的截面尺寸均合适，勿需调整。

此时，要进一步观察梁、柱的配筋率是否合适。

b.　梁、柱的适宜配筋率

原则：

掌握配筋率“适中”为宜。

这个“适中”指在规范规定的区间内取中间段，其值约相当于定额含钢量。

规范规定框架梁的纵向受拉钢筋最小配筋率为0.2%,最大配筋率为2.5%;框架柱的纵向钢筋配筋率区间为0.5%-4%.

对于框架梁,其纵向受拉钢筋的配筋取0.4%-1.5%较适宜.对于框架柱,其全部纵向受力钢筋的配筋率取1%-3%较适宜.梁、柱配筋率的上限在试算阶段宜留有一定余地，因为下一步梁、柱配筋的调整还需要一定空间。

c.框架梁配筋的调整

框架梁显示的配筋是梁按强度计算的配筋量，调整的目的是解决梁的裂缝宽度超限和“强剪弱弯”的问题。

设计人如不注意框架梁的裂缝宽度是否超限即出施工图，这样的图纸存在有不符合规范的缺陷。

仔细检查梁的裂缝宽度，如果改用小直径的钢筋后梁的裂缝宽度仍然超限，就要增加梁的配筋或加大梁的截面尺寸，调整至满足规范要求。

框架结构设计中，应力求做到在地震作用下框架梁的梁端斜截面受剪承载力应高于正截面受弯承载力。

即“强剪弱弯”。

具体在调整梁的配筋时，笔者建议可做以下几项调整：

（1）梁端负弯矩钢筋可缩小（系数采用0.85）；

（2）梁的跨中受拉钢筋可放大1.1-1.3倍；（3）梁端箍筋的直径可增加2mm；（4）按构造要求对于跨度大于6m的框架梁设弯起钢筋。

d框架柱配筋的调整

框架柱的配筋率一般都很低，电算结果往往是构造配筋即可。

按柱的构造配筋率0.8%配筋，只相当于定额指标的1/2-2/3，有经验的设计者是不会采用的。

因为受地震作用的框架柱，尤其是角柱和大开间、大进深的边柱，一般均处于双向偏心受压状态，而电算程序则是按两个方向分别为单向偏心受压的平面框架计算配筋，结果往往导致配筋不足。

框架柱配筋的调整可做以下几项：

（1）应选择最不利的方向进行框架计算，也可两个方向均进行计算后比较各柱的配筋，取其较大值，并采用对称配筋。

（2）调整柱单边钢筋的最小根数：

柱宽≤450mm时3根，450mm＜柱宽≤750mm时4根，750mm＜柱宽≤900mm时5根。

（3）将框架柱的配筋放大1.2-1.6倍。

其中角柱放大多些（不小于1.4倍），边柱次之，中柱放大小些（1.2倍）。

（4）由于多层框架时电算常不考虑温度应力和基础不均匀沉降问题，当多层框架水平尺寸和垂直尺寸较大以及地基软弱土层较厚或地基土层不均匀时，再适当放大一点框架柱的配筋也是可以理解的。

具体放大多少，就要由设计人的经验决定了。

（5）框架柱的箍筋形式应选菱形或井字形，以增强箍筋对混凝土的约束。

柱箍筋直径宜增加2mm。

五．施工图绘制过程中注意事项

1．连续跨梁配钢筋时，支座两侧的钢筋直径尽可能相同，以便钢筋穿过支座，避免两侧不同的钢筋都在支座锚固，造成节点钢筋过密，影响节点混凝土浇灌筑。

2．结构平面图中，所有受力构件都应相对于轴线标注定位尺寸（阳台、雨篷挑出长度、梁距轴线距离等）。

3．用以减少温度和收缩不利影响的后浇带浇筑间隔时间，一般要求60天以上（GB50010-9.1.3条说明）。

4．现浇板楼面，考虑在使用周期灵活布置轻质隔墙时，可将隔墙每米长自重的30％作为每平方米楼面的均布荷载标准值计算，且不小于1.0Kpa，其永久值系数可取0.5。

5．板的配筋应要注意板面标高不一样处负筋要断开。

另外，对某些温度变化大的板块或大板块在板面无负筋处加0.1%的温度钢筋。

6．受力钢筋的直径与构件截面高度及跨度应呈一定的比例，GB50010-10.2.1对梁最小钢筋直径作了规定。

对现浇板，一般考虑（建议）：

板厚120以下的、适宜的钢筋直径为8～12

板厚120～150以下的、适宜的钢筋直径为10～14

板厚150～180以下的、适宜的钢筋直径为12～16

板厚180～220以下的、适宜的钢筋直径为14～18

板厚150以上的板，应采用HRB335。

六、结语

总之，在多层框架结构设计中，在认真计算基础上还应重视概念设计采取有效的构造措施等。

另外，我们还应从结构的整体着眼，针对一些薄弱环节如应力集中部位，连接节点，主要抗侧力构件等进行加强处理。

以上也只是笔者在设计过程中对问题一些浅薄的认识。

参考文献

1、《混凝土结构设计规范》GB50010-2002

2、《建筑抗震设计规范》GB50011-2001

3、中国建筑科学研究院编制的PKPM系软件2006年06月版