探讨建筑钢筋混凝土框架的结构设计

　　摘要:随着社会的步伐加快，建筑业的不断发展创新，人民对建筑越来越关注。本文通过工程实例，阐述了在民用建筑钢筋混凝土框架结构设计中应注意的问题及设计要点。

　　关键词:钢筋混凝土框架;民用建筑;结构设计;加强处理

　　1工程概况

　　该工程是一幢底层商业网点的单元式住宅楼，建筑面积8994m2，建筑层数为6.5层，总高度23.5m,建筑占地1260m2,详见附图1,附图2 结构平面图。工程自然备件：基本风压0.3KN/m2,抗震设防烈度6度,地基承载力(本工程所选持力层)特征值300KPa。

　　2 结构选型

　　建筑物的结构设计,不仅要求具有足够的承载力,而且必须使结构具有足够抵抗侧力的刚度,使结构在水平力作用下所产生的侧向位移限制在规定的范围内,基于这个原理,本工程综合分析了结构的适用、安全、抗震、经济、施工方便等因素,选取了图1、图2所示的框架结构体系,由钢筋混凝土框架承担竖向力和侧力。钢筋混凝土框架刚度布置相对比较均匀,在满足建筑功能情况下,尽量减少平面扭转对结构的影响。

　　由于该工程体型相对简单,荷载较均匀,且桩端下不在软弱下卧层,桩型为端承摩擦桩,所以该工程只在±0.000以上19轴与20轴间设110mm宽的防震缝,同时兼作伸缩缝。

　　3 楼盖设计

　　工程选用的是主次梁楼盖,主次梁楼盖虽然存在着结构高度较大和模板安装制作比较复杂的问题,但却具有下列优势:

　　(1)楼盖混凝土折算厚度最小,自重最轻;

　　(2)开间大,房间布局灵活;

　　(3)承载力大;

　　(4)对结构整体刚度的贡献比平板和双向密肋楼盖要大得多。

　　3.1 板厚取值

　　现浇楼盖中,板的混凝土用量约占整个楼盖的50~60%,板厚的取值对楼盖的经济性和自重的影响较大,在满足板的刚度和构造要求的前提下,应尽量采用较薄的板,双向板的最小板厚度为80mm,板的厚度与跨度的最小比值:四边简支板为1/40,连续板为1/50。工程最大板跨为5m,其余板跨均小于 4m,考虑到工程为住宅楼,板内有埋机电暗管,因此小于4m的板跨板厚也取100mm,5m板跨板厚取140mm。

　　3.2 板的配筋

　　板的配筋要注意对不同标高的板进行调整,如卫生间,阳台处,标高都为H-0.05m。负筋在板有高差情况下要断开配筋。

　　卫生间处错误配筋图

　　卫生间处正确配筋图

　　3.3 支座负筋直径的取值

　　对于工程的设计,一般板厚都≥100mm根据简支板现行混凝土结构设计规范给出的最小构造支座负筋为φ8@200,这与旧规范所给的φ6@200相比要合适一些,因为φ6@200的筋太软,钢筋架易被踩蹋,致使负筋的有效高度很低而发挥不了构造负筋的作用。φ8钢筋虽比φ6钢筋要好些,但如不采取其它措施,也同样易产生构造负筋变位。

　　4 如何合理布局主次梁与柱网

　　从广义讲是楼面荷载通过板传给次梁,再由次梁通过受弯传给主梁,最后由主梁传给柱子。在支承和传递荷载的过程中,主次梁的变曲变形△I及它们各自承担的弯矩M与其自身跨度的平方成正比,而与弹性模量E和弯曲平面内截面惯性矩Io成正比,另一方面,从设计要求来分析,建筑功能要求主次梁所占的结构空间高度越小越好。

　　因此,本工程做主次梁楼盖的柱网布置时考虑上述影响优先选择的柱网是矩形以短跨为主梁,长跨为次梁,而且短跨与长跨的比例应小于0.75比较经济,工程一般比较常取0.65~0.7,这样设计出来的主次梁截面高度能协调一致,从而保证楼盖的结构高度最小。另一方面,从工程的使用功能和建筑美学方面考虑,主梁的布置是依据房间布局而定的。

　　在正常使用荷载作用下，本工程采取以短跨主梁截面尺寸为250mm×600mm,次梁截面尺寸为200mm×400mm，现浇板厚为100mm的设计。

　　4.1 现浇板的考虑

　　在水平荷载作用下,通过框架梁和现浇板的共同受弯来约束柱顶的转动,使柱子产生自上而下的反弯曲,从而形成楼架作用。由于梁板的共同作用,不仅提高了框架梁的截面刚度,还提高了梁端负弯矩承载能力。因此设计工程时特别注意了下列问题:

　　(1)框架弹性受力分析时框架梁的合理截面形式

　　在进行整体现浇梁板分析时,为计算方便,把框架梁简化为矩形截面与无楼板或预制楼板的空框架一样计算,很显然这与现浇梁板框架结构的实际性能不符。

　　若进行整体现浇梁板的框架分析时,框架梁的线刚度仅取矩形截面IR值,计算得出的自振周期明显偏大,而实际上框架位移值要比计算值小,则该框架结构实际承受的地震作用及其效应都将比计算值大。

　　在垂直荷载作用下的梁端负弯矩计算值偏大,而跨中正弯矩值却偏小等。所以,设计时根据整体现浇梁板共同工作的特性和原理,按规范规定的有效翼缘宽度,将现浇板作为框梁架的翼缘,共同参与弹性受力分析。

　　(2)梁端负弯矩钢筋的合理分布范围

　　对作为框架梁翼缘的现浇板内与梁肋平行的钢筋参与梁端正截面抗弯承载力工作的问题,在《混凝土结构设计规范》(CB50010-2002)和《建筑抗震规范》(GB500-2001)(2008年版)中都未很明确的规定。

　　为实现“强柱弱梁”的设计目的,保证在罕遇地震时,能很快地在梁端附近出现塑性铰线,形成具有延性的结构体系。应将按设计荷载,地震作用计算所需的梁端弯矩钢筋合理地分布在梁肋及其有效的翼缘宽度范围之内。

　　至于多少有效翼缘宽度内的钢筋可以被考虑,共同参加梁支座正截面的抗弯工作也暂时没有定论。根据经验取梁每侧6倍板厚范围内的板上,下钢筋参与共同抗弯。

　　在工程设计时为保证以上4.2.1,4.2.2两点的共同作用,梁端弯矩在SATWE程序的调整信息下进行调整,梁端弯矩的调幅系数取0.8~1.0。

　　(3)梁跨中弯矩的取值

　　在工程的设计过程中未考虑活荷载的不利分布,而仅按满布计算,考虑该工程层数只有6层,可通过调整跨中弯矩增大系数来加大梁的跨中弯矩,以达到考虑活荷载不利分布影响的目的,弯矩增大系数的取值范围为1.0~1.3对于考虑活荷载不利分布的各层,此系数不起作用。

　　(4)梁扭矩折减工程的现浇楼板采用刚性楼板假定。

　　这时宜考虑楼板对梁抗扭的作用而对梁的扭矩进行折减,折减系数一般为0.4~1.0对于工程折减系数取0.4。若考虑楼板的弹性变形,梁的扭矩不应折减。

　　(5)梁刚度增大

　　主要考虑现浇楼板对数值的作用,楼板和梁连成一体按照“T”形截面梁工作,而计算时梁截面取矩形,因此可将现浇楼面中梁的刚度放大,通常现浇楼的边框梁取1.5,中间框架梁取2.0。

　　4.2 关于次梁受力

　　工程所用的设计软件PK引入了构件的内力大小与其刚度成正比,并由变形协调条件确定。根据空间三维分析,次梁不再像平面框架分析方法中那样作为荷载加到主梁上,而是与主梁共同作用。

　　其次从结构中可以看出,局部结构布置较复杂,主次梁有时很难确定,梁的支座和跨长也就很难确定,只能根据刚度条件来计算其实际受力状况,不过,大多数情况下,对于框架梁,一般以柱间距为一跨这与平面框架分析是—致的,但对于非框架梁,应该一榀框架梁到另一榀框架梁之间为一跨。

　　4.3 箍筋加密

　　工程抗震设计,框架梁的梁端1.5~2h(h为梁高)范围内箍筋需要加密,这是为了使梁端可能产生塑性铰的区域有较好的延性,这是抗震设计的构造要求。显然,构件除了要满足抗震构造要求外,还需保证在受力状态的安全,如梁还应满足竖向荷载作用(或与水平荷载组合作用)下抗剪承载力的要求,以此确定抗剪箍筋的数量。

　　但工程所用的PK软件只输出框架梁端(节点)处的剪力和箍筋面积,梁其余部分的剪力和箍筋面积的变化情况不得而知,导致用程序计算时在加密区 1.5~2h长度内满足梁端部受力和构造要求(如箍筋间距为100),而在非加密区(1.5~2h以外)范围内的箍筋数量则按加密区数量50%(如间距 200)配置,本人认为这是不安全的,框架梁的剪力,在竖向均布荷载作用下,剪力反对称,若中间的箍筋数量按加密区数量的50%配置,则加密区的长度至少需要L/4(L为梁长)。

　　5 柱设计

　　工程框架柱设计的一个突出问题就是钢筋混凝土柱的轴压比问题。在设计中经常出现框架柱的断面由轴压比限值确定。这往往使柱子断面很大,一方面,这样大的柱子很容易使柱的剪跨比大于2而形成短柱;另一方面,由于柱断面很大占去了许多建筑空间,建筑师们不易接受，同时由于自重增大引起地震反应增大,造成恶性循环。

　　5.1 工程轴压比限值的实质

　　规范通过限制轴压比,主要是希望柱发生延性好的大偏心受压破坏,有足够的变形能力，在高轴压比情况下Ⅴ-△滞回环骨架曲线的下降段比较陡,滞回环的丰满程度差,在循环次数不多的情况下,框架柱丧失的承载力较大,耗能的能力较差,在低轴压比情况下Ⅴ-△滞回环骨架曲线下降段比较平缓,框架柱承受变形能力较大,而承载力降低不明显,对轴压比加以限制,即要求在满足一定层间变形时,在反复荷载作用下滞回曲线在第三个循环抗力下降量不超过前一个循环抗力下降量,保证在大变形下,仍有稳定的承载能力,从而保证框架柱“大震不倒”。

　　5.2 影响工程的因素

　　(1)选用矩形截面柱的原因

　　框架柱的断面形状将直接影响着柱截面界限破坏时钢筋和混凝土内应变,应力的分布和混凝土受压边缘的极限应变,从而影响到不同的截面形式的框架柱,反映出的强度变形特性是不一样的,在相同条件下,圆形柱的轴压比限值可提高10%左右。但本工程为住宅建筑,考虑房间布局的因素,只选用矩形截面的柱而不考虑选择圆柱。

　　(2)剪跨比的确定

　　建立在截面界限破坏基础上的轴压比公式中,未考虑剪应力的影响,也没有体现出剪跨比的影响,事实上,剪跨比能够大体反映截面上弯曲正应力与剪切应力的比例关系,因而是框架柱破坏形式的主导因素。

　　通常为框架柱的剪跨比越大,延性越好:在一般配筋条件下,当λ>2时,框架柱在横向水平剪力作下,一股都会发生延性好的弯曲破坏;当λ≤2时,框架柱就变成了短柱,在横向水平剪力作下,一般发生延性差的剪切破坏,这种情况在工程中出现在与楼梯休息平台相连的框架柱和有大开窗处的框架柱。对本工程短柱采取全长加密,取φ8@100。

　　(3)箍筋约束的影响

　　在利用界限破坏条件推导框架柱的轴压比限值时,并没有考虑箍筋约束的有利影响,箍筋能改善混凝土的受力性能,特别是能提高混凝土受压边缘的最大压应变。

　　(4)混凝土的强度等级的影响工程不考虑采用高强混凝土,因为高强混凝土虽可以减小轴压比,但是混凝土的强度等级不一样,fc和不一样,—般情况下,随着混凝土强度等级的提高,变形能力变差。

　　总之,柱子设计关键是控制轴压比。根据规范，本工程轴压比限值取0.9。另外一个关键问题就是短柱现象,千万不要忽略了。

　　6 结语

　　由工程的结构设计看;我们可以看到,地震作用比较复杂,我们应从结构的整体着眼,针对一些薄弱环节，集中部位,连接节点,对抗侧力构件等进行加强处理。

　　参考文献

　　[1]GB50010-2002混凝土结构设计规范[S]。中国建筑工业出版社,2002.

　　[2]全国民用建筑工程设计技术措施(结构).中国计划出版社

　　[3]王梅孙庆生，浅谈混凝土框架结构设计[J]，建设科技，2009年第15期

《探讨建筑钢筋混凝土框架的结构设计》

本文由职称驿站首发，您身边的高端学术顾问

文章名称： 探讨建筑钢筋混凝土框架的结构设计

文章地址： https://m.zhichengyz.com/p-14076