有关框架结构设计几个问题的初探

　　摘要：本文就目前钢筋混凝土框架结构在现实中较多使用，提出钢筋混凝土框架结构设计中应注意的几个问题：(1)抗震等级的确定；(2)强柱弱梁的作用；(3)薄弱层的判定与处理方法；(4)楼板开大洞结构计算问题；(5)基础系梁的设置；(6)部分参数的合理选用等：可共同探讨。
　　
　　关键词：钢筋混凝土框架结构；抗震等级；薄弱层：计算参数
　　
　　前言
　　钢筋混凝土框架结构具有传力明确、结构布置灵活的优点，目前被广泛应用于各类工业与民用建筑中。框架结构是建筑结构设计中较为常用的一种形式。但在设计时往往也存在各种各样的问题，如何处理这些问题值得结构设计人员不断探讨和研究。
　　1、抗震等级的确定
　　在多数框架结构设计中，建筑按其抗震设防分类均属于丙类建筑。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确定并应符合相应的计算和构造措施要求；而有些特殊功能要求的建筑如电讯、能源、消防和医疗类建筑以及大型体育场馆、大型零售商场等公共建筑抗震等级则首先应当根据《建筑抗震设防分类标准》确定其中那些属于乙类建筑。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。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建筑抗震设计规范确定其抗震等级。例如，位于6度地震区的乙类建筑，应按7度考虑；当8度乙类建筑的高度超过表6．1．2规定范畴时，还应经专门研究，采取比一级抗震等级更有效的抗震措施。
　　
　　2、关于强柱弱梁
　　强柱弱梁是指使框架结构塑性铰出现在梁端的设计要求。“强柱弱梁”不仅是手段，也是目的，其手段表现在人们对柱的设计弯矩人为放大，对梁不放大。其目的表现在调整后，柱的抗弯能力比之前强了，而梁不变。即柱的能力提高程度比梁大。这是为了实现在罕遇地震作用下，节点在梁端出现塑性铰的同时柱端仍然可以承受竖向力的作用，这样就保证了结构大震不倒的设计原则。强柱弱梁措施的强弱，也就是相对于梁端截面实际抗弯能力而言柱端截面抗弯能力增强幅度的大小，是决定由强震引起柱端截面屈服后塑性转动能否不超过其塑性转动能力，而且不致形成“层侧移机构”，从而使柱不被压溃的关键控制措施。柱强于梁的幅度大小取决于梁端纵筋不可避免的构造超配程度的大小，以及结构在梁、柱端塑性铰逐步形成过程中的塑性内力重分布和动力特征的相应变化。因此，当建筑许可时，尽可能将柱的截面尺寸做得大些，使柱的线刚度与梁的线刚度的比值尽可能大于1，并控制柱的轴压比满足规范要求，以增加延性。验算截面承载力时，人为地将柱的设计弯距按强柱弱梁原则调整放大，加强柱的配筋构造。梁端纵向受拉钢筋的配筋不得过高，以免在罕遇地震中进入屈服阶段不能形成塑性铰或塑性铰转移到立柱上。
　　
　　3、框架结构薄弱层的判定与处理
　　薄弱层是指在强震下，结构首先屈服并产生较大弹塑性位移的部位，这些部位的承载力是满足设计地震作用下抗震承载力要求的。对于薄弱层的判断，有个人指定、计算判定、强制认定三种方式。在PKPM的SATWE软件里，设计人根据《建筑抗震设计规范》第5．5．4条规定或个人经验可以直接指定哪一层为薄弱层；软件在计算时，如果结构的抗侧移刚度不规则，某层的抗侧移刚度小于相邻上一层的70％，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80％，或楼层承载力突变，满足《建筑抗震设计规范》第3．4．2条竖向不规则
　　的规定，软件自动将该层指定为薄弱层；如果结构存在转换层，即竖向抗侧力构件不连续，那么不管该层是否满足刚度比要求，必须强制认为该层为薄弱层。
　　薄弱层是对抗震极为不利的结构层，原则上应避免出现薄弱层。避免出现薄弱层的最基本方法是加大该层的抗侧移刚度，即加大该层薄弱方向的柱截面；如果条件允许，可以改变该层层高或减少基础埋置深度。当无法避免出现薄弱层时，在结构计算和出图时必须按照规范规定采取相应的措施。根据《建筑抗震设计规范》第3．4．3．2条及第5．5．2条
　　至第5．5．5条的规定，除对薄弱层的地震剪力乘以1．15倍的放大系数外，还应对结构的楼层屈服强度系数进行验算。楼层屈服强度系数为按构件实际配筋和材料强度标准值计算的楼层受剪承载力和按罕遇地震作用标准值计算的楼层弹性地震剪力的比值。如果在地震烈度7度至9度地区的结构楼层屈服强度系数小于0．5时，应对结构进行弹塑性变形验算，符合表5．5．5的规定。如果不符合上述要求，必须对结构布置进行调整。
　　
　　4楼板开大洞结构计算应注意的问题
　　楼板开洞的结构比较普通．如果开洞面积大于该层楼面面积的30％，就属于平面不规则了，计算时必须进行处理。以PKPM软件为例，TAT和SATWE分别采用了两种方式进行处理。TAT软件是将无楼板的节点定义为弹性节点，也就是表明该节点不受刚性楼板假定的限制，其平动自由度独立(在这里所指的节点为梁柱交点)；SATWE软件是将所有楼板定义为弹性膜，由软件真实地计算楼板的平面内刚度，忽略楼板的平面外刚度。如果某层洞口面积大于楼层面积的30％以上时，建议应将全楼所有楼板定义为弹性膜比较符合实际，也可以将该层洞口边缘节点定义为弹性节点(即不考虑楼板的刚度)；如果屋面为刚网架时，应输入——板厚，定义为弹性膜，真实计算楼板的平面内刚度，比较符合实际。
　　正确定义了弹性节点或弹性膜后，在后续计算中必须采用总刚度计算法，否则侧刚度计算法仍按刚性楼板计算结构内力和配筋，计算时应特别注意这一点。
　　5、基础系梁的设置问题
　　如果基础埋置深度较深时，可以用基础系梁减少底层柱的计算长度，在±0．000以下设置系梁，此时系梁宜按一般框架梁进行设计，同时系梁以下的柱应按短柱处理。
　　如果工程条件符合《建筑抗震设计规范》第6．1．11条规定，应设基础系梁。根据抗震要求，可沿两个主轴方向设置构造基础系梁。基础系梁截面高度可取承台中心距的1／10～1／15。构造基础系梁纵向受力钢筋可取上述所连接柱的最大轴力设计值的10％作为拉力或压力来计算，当为构造配筋时，应满足最小配筋率；当基础系梁上作用有填充墙或楼梯柱等传来的荷载时，应与所连接柱子的最大轴力设计值的10％叠加计算，基础系梁截面也应适当增加，算出的配筋应满足受力要求和构造配筋要求。构造基础系梁顶标高通常与基础顶标高相同。为减少基础系梁计算跨度，可以将基础梁下与独立基础的台阶或锥形斜坡之间的空隙部分，用素混凝土浇筑至与基础顶面平齐，再浇筑基础系梁。如果用基础系梁平衡柱底弯矩，梁的截面尺寸与配筋应按框架梁设计。这时，梁正弯矩钢筋应全部拉通，负弯矩钢筋至少应在1／2跨拉通，基础系梁的纵筋在框架柱内的锚固、箍筋的加密及其余抗震构造要求应与上部框架梁完全相同，且此时拉梁应设置在基础顶部。
　　7、部分计算参数的合理选用
　　现浇框架结构中，如果梁两边没有楼板或有弧形梁时，扭矩折减系数应为1．0；如果梁侧均有楼板，应对梁的扭矩进行折减，折减系数一般为0．4。对于一般工程，梁的配筋应计算两次：一次对所有梁的扭矩折减，计算出两侧都有楼板的梁的配筋；另一次对所有的梁扭矩不折减，计算出一侧有楼板或两侧都没有楼板的梁的配筋。这样计算结构比较符合实际，这一点应引起设计人员的重视。
　　结构计算时，框架梁在竖向荷载作用下，梁端负弯矩往往很大，造成钢筋太密，无法施工；同时，由于框架结构一般为超静定结构，框架梁在达到承载能力极限状态之前，总会产生不同程度的塑性内力重分布，因此可以适当降低框架梁在竖向荷载作用下的负弯矩，通过平衡条件相应增大梁跨中弯矩。应注意这里只是降低梁在竖向荷载作用下的负弯矩，然后再与水平作用产生的弯矩组合设计。而梁弯矩放大系数仅在没有考虑梁的活荷载不利布置时起作用，并且对梁的正负弯矩均起作用，且不可与考虑梁的活荷载不利布置同时考虑，这样会引起梁弯矩增大，造成材料浪费。
　　
　　1O、结语
　　
　　综上所述，多层框架结构虽目前被较广泛的采用结构形式也基本趋于成熟，但仍有许多问题需不断探讨和研究。另结构设计人员也不应局限于结构本身，比如设计方案阶段就应提出结构方面的意见和建议。如是否可以采用短肢剪力墙与框架混合的结构形式，这样更有利于建筑空间的利用。这些都可作为今后探讨的方向。共同学习研究。

《有关框架结构设计几个问题的初探》

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