浅谈混凝土框架结构设计
关键词：混凝土；结构设计
钢筋混凝土框架结构是由楼板、梁、柱及基础组成的,由主梁、柱与基础构成平面框架,各平面框架再由连续梁连接起来而形成的空间结构体系。在合理的高度和层数的情况下,框架结构能够提供较大的建筑空间,其平面布置灵活,可适合多种工艺与使用功能的要求。笔者在多层钢筋混凝土框架结构的设计过程中,通过切身体会,总结归纳了一些不符合规范要求的问题。
结构设计内容简介
1.荷载的计算。荷载包括外部荷载和内部荷载上述荷载的计算要根据荷载规范的要求和规定采用不同的组合值系数和准永久值系数等来进行不同工况下的组合计算。
2.构件的试算。根据计算出的荷载值，构造措施要求，使用要求及各种计算手册上推荐的试算方法来初步确定构件的截面。
3.内力的计算。根据确定的构件截面和荷载值来进行内力的计算，包括弯矩，剪力，扭矩，轴心压力及拉力等。
4.构件的计算。根据计算出的结构内力及规范对构件的要求和限制来复核结构试算的构件是否符合规范规定和要求。如不满足要求则要调整构件的截面或布置直到满足要求为止。施工图设计阶段的内容为：根据上述计算结果，来最终确定构件布置和构件配筋以及根据规范的要求来确定结构构件的构造措施。
振型组合数的合理选取
对于较高层建筑,当不考虑扭转耦联时,振型数应不小于3;当振型数多于3时,宜取为3的倍数,但不能多于层数。当房屋层数不大于2时,振型数可取层数。对于不规则建筑,当考虑扭转耦联时,振型数应不小于9,但不能超过结构层的3倍,只有定义弹性楼板且按总刚分析法分析时,才可以取更多的振型。建筑抗震设计规范在条文说明中明确指出:振型数可以取振型参与质量达到总质量90%所需的振型数。目前Satwe等程序已有这种功能,这是一个重要指标。如:对于某一建筑,选取的振型数为15,但振型参与质量系数只有50%,说明振型数取得不够,可能是由于此建筑过于复杂或由于某些杆件不连续导致局部振动引起的,应仔细复核。
多层框架基础设计的注意点
1.要正确地阅读和使用地质报告。熟悉勘察报告的主要内容,了解勘察结论和计算指标的可靠程度,进而判断报告中的建议对该项工程的适用性。这里要把场地的工程地质条件与拟建建筑物的具体情况和要求联系起来进行综合分析。
2.在满足承载力和变形的基本要求下,尽量采用比较经济的天然地基上的浅基础。地基持力层的选择应从地基基础和上部结构的整体性出发,综合考虑场地土层的分布情况及稳定性,土层的物理力学性质,建筑物的体形、结构类型和荷载性质与大小,还要考虑地下水的影响。
3.多层房屋一般采用条形基础或独立基础。一般先由地基承载力和变形确定基础底面尺寸,然后再进行基础截面设计验算。基础高度由混凝土抗冲切和剪切条件确定,基础配筋则由基础验算截面的抗弯能力确定。除满足计算要求以外,还要满足一些规范规定的构造要求。要注意的是,在确定基础底面尺寸或计算基础沉降时，应考虑设计地面以下基础及其上覆土重力的作用;而在进行基础截面设计中,应采用不计上覆土重力作用时的地基净反力进行计算。
4.在地基处理时,要针对地质报告条件和水文地质条件选用合适的地基处理方法。要特别注意所选的方法必须符合土力的基本原理和重视当地的实际工程经验。要有长期荷载重心和基础形心尽量相重合的概念。要有基础整体性的概念,通过增设基础连系梁和基础圈梁等措施来保证。
框架柱设计的几个问题：
1.电梯井的问题
由于在地震作用下高层框架结构的位移较难控制,而多层框架结构的位移控制要比其容易许多,故对于多层的钢筋混凝土框架结构电梯井,完全可以采用框架加填充墙形式,只是这时应加密填充墙构造柱,且应注意加强电梯井周围的框架梁柱的配筋,因其刚度影响在计算中无法反映出来。若要将电梯井做成钢筋混凝土形式,由于井筒会吸收较大地震力,相应减少框架部分吸收的地震力,则框架部分偏于不安全,且井筒基础设计也较为困难,故应对整个结构按有无钢筋混凝土井筒分别计算,取最不利结果配筋,且对井筒墙壁采取做薄墙厚、构造配筋、开竖缝、开计算洞等办法来弱化电梯井刚度。这样的墙体布置,在地震作用下不至于由于电梯井筒的破坏,而导致结构整体丧失稳定性。
2.框架柱配筋的调整
框架柱的配筋率一般都很低,有时电算结果为构造配筋,但是实际工程中均不会按此配筋。因为在地震作用下的框架柱,特别是角柱,所受的扭转剪力最大,同时又受双向弯矩作用,而横梁的约束又较小,工作状态下处于双向偏心受压状态,所以其震害严重于内柱。对于质量分布不均匀的框架结构尤为明显。为了满足框架柱在多种内力组合下的强度要求,在配筋计算时应注意：选择最不利的方向分别进行框架计算,也可对两个方向均进行计算后取较大方向的配筋,并采用对称配筋；控制柱的单边方向纵筋的最少根数；将构造配筋的框架柱的配筋适当放大。根据设计经验,一般控制在1.2倍～1.6倍,其中角柱1.4倍,边柱1.3倍,中柱1.2倍；框架柱的箍筋形式应选用菱形或井字形,以提高箍筋对混凝土的约束；对于二、三级的框架底层柱纵筋宜采用焊接,而且当柱纵筋的总配筋率大于3%时,箍筋的直径不应小于8mm,并应焊接；多层框架电算时,常不考虑温度应力和基础的不均匀沉降,当多层框架的水平尺寸较大及地基软弱土层较厚或地基土质不均匀时,可以再适当放大柱的配筋,且宜在纵、横两个方向设置基础梁,其配筋不宜按构造设置,应按框架梁进行设计,并应设置箍筋加密区。
3.框架柱的计算长度
为了增加房屋底部的整体性,减少位移,有时在±0.000mm附近设置基础连系梁。此时底层柱H不应按GB50010--2002混凝土结构设计规范规定取用,因为基础连系梁被分成了两部分。如果H值取基础连系梁顶面到一层楼盖顶面的高度,显然不合适,因为基础连系梁的设计有时仅为构造设计,无法平衡底部柱脚的弯矩,也无法为上部结构的嵌固部分。理想的做法是:将基础连系梁以下的部分看作底层,柱的H值取基础顶面到连系梁顶面的高度,而把实际建筑的底层作为第二层考虑,层高H取连系梁顶面到一层楼面的高度。此时,底层柱的配筋应取基础连系梁顶面和基础顶面中较大的内力进行设计,并且连系梁应按框架梁进行设计。