论述多层建筑结构设计及框架结构的问题
关键词:结构设计；多层建筑；设置问题
1框架结构薄弱层的判定与处理分析
薄弱层是指在强烈地震下,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,只有在地震烈度大于等于7度地区才会出现。
1.1如何判断薄弱层
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,那么不管该层刚度与上层或上三层的比值是
否满足规范要求,或楼层承载力是否满足规范要求,必须强制认为该层为薄弱层。
1.2如何处理薄弱层
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,即加大该层的柱截面或梁截面；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。
2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±0．00以下设置系梁,此时系梁宜按一层框架梁进行设计,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柱中心距的1/12～1/15。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与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,基础系梁的截面尺寸与配筋应按框架梁设计。这时,拉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。综上所述,如不设置基础系梁,填充墙可以采用素混凝土条形基础；如设置基础拉梁,宜在框架柱之间设置,对于不在框架柱之间的墙体基础可采用素混凝土基础。
3楼板开大洞结构计算注意问题
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1～30％,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SAT、IVE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剐性楼板假定的限制,其平动自由度独立(在这里所指的节点为梁柱交点)；SAT—WE软件是将所有楼板定义为弹iS膜,由软件真实地计算楼板的平面内刚度，忽略楼板的片面外刚度。建议如果某层洞口面积大于楼层面积的30％以上时,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。在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。
4框架梁柱偏心问题
在实际工程中,由于建筑专业需要,外墙与柱边平齐。这样框架梁要么设挑耳,要么与柱偏心,设计人往往不知选择哪种方法。如果框架粱设挑耳,可以保证框架梁与框架柱中心对齐，对梁、柱受力均有利,但往往会出现这样一个问题,即填充墙的构造柱下部与上部纵筋不好锚固,笔者一般这样处理的,如图1所示。如果将框架梁与框架柱偏心,在地震作用下,往往会导致梁柱节点核芯区受剪面积不足,并对柱带来扭转效应,并且《建筑抗震设计规范》第6．1．5条对梁的偏心距做了专门规定。因此,建议外框架梁宜采用设挑耳的方法解决外填充墙偏心的问题。
5短柱
在框架结构中,如果柱净高与柱截面高度小于等于4或剪跨比小于等于2,那么该柱为短柱。短柱在地震作用下,容易发生脆性破坏。因为短柱的受剪承载力及变形能力不足,会引起建筑物的严重破坏,设计上应尽可能避免。短柱的形成主要有两种原因：一是由于楼梯间半休息平台或结构局部错层造成两个框架梁之间的框架柱净高较小引起的；二是填充墙设置不当,造成某层的框架柱两侧一部分无填充墙,一部分有填充墙,无填充墙的柱净高与柱截面之比往往小于等于4,形成短柱。处理短柱主要是增加柱的抗剪承载力及改善其变形能力,一般采用复合箍筋,箍筋沿全高加密；保证短柱的纵向钢筋对称布置，且每侧的纵向钢筋配筋率不宜大于1.2％的方式处理,也可以采用外包钢板、配X形钢筋等方式处理。
6部分计算参数的合理选用
6.1梁扭矩的折减
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：如果梁两侧均有楼板,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。
6.2梁端负弯矩调整系数与粱弯矩放发系数
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。
7应用平法图集须注意的问题
现在大部分地区的框架结构一般都用《混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图》(03G101—1)的平法表示梁、柱、剪力墙的配筋,在使用图集时宜注意以下问题。
框架柱如果采用剖面列表法表示配筋时,应注意每层楼面标高以下的箍筋加密区长度应为框架梁高与规范规定的箍筋加密区长度(1/6柱净高、柱截面高度、500mm中的较大值)之和,因为PKPM软件出图时加密区长度没有包含梁高,而施工人员如果照图施工。往往会造成箍筋加密区高度不够。另外,由于一层建筑地面是在主体结构浇筑完毕后才施工的,如果一层地面为刚性地面,根据《建筑抗震设计规范》第6.3.10.2条规定,柱箍筋在刚性地面上下各500mm范围内应加密,这一点往往被施工单位忽视,设计人应在设计图纸中有明确交待。在框架结构中。井字梁支座上部纵筋的外伸长度应交待。此外,由于梁截面过小或承载力较大时,框架梁如设三排纵筋,建议调整梁截面或纵筋直径改为两排,否则,第三排纵筋的外伸长度应交待。
8非结构构件设计
根据《建筑抗震设计规范》第3.7.1条规定,非结构构件,包括建筑非结构构件和建筑附属机电设备、自身冀其与结构主体的连接，应进行抗震设计。比如框架结构中女儿墙构造柱的设置,尤其注意女儿墙高度大于1.0m时,应注意采取结构构造措施,保证女儿墙的稳定；还有建筑装饰用的砌块柱的稳定性、突出屋面的小构架内力与配筋(应与主体结构一起输入计算)。《建筑抗震设计规范》第13章对此有专门规定,设计人遇到类似工程应严格遵守此规定。突出屋面的屋顶间、女儿墙、烟囱的地震作用效应,宜乘以增大系数3,此增大部分不应往下传递,但与该突出部分相连的构件应计入。框架结构中突出屋面的电梯间、楼梯间、水箱间应采用框架承重,不应采用砌体承重。
9结束语
多层建筑框架结构设计是结构设计中较为基础的设计,也是建筑结构设计中较为重要的一种形式。在设计时,如何处理各种不同的问题值得结构设计人员不断探讨和研究。实际设计过程中,应根据相关规范作科学合理的设计,文章就建筑框架结构设计时常遇到的问题进行分析并提出了具体解决措施。