框架結構設計時應注意的幾個問題
摘要：建筑結構設計是建設工程設計的重要環節,是保障建筑結構安全、實現建筑使用功能的靈魂。針對框架結構設計中常見的幾個問題進
行了分析,并提出了相應的解決措施。
關鍵詞：框架結構;結構設計;
鋼筋混凝土框架結構由梁和柱所組成,是一種抗震、抗風較好的結構體系,這種體系的側向剛度小,平面布置靈活,易于滿足建筑物設置大房間的要求,在工業與民用建筑中被廣泛應用。但常因設計不當而造成施工環節質量難以保證,給工程安全留下隱患,現從以下幾個方面闡述框架結構設計時應注意的問題。
1框架計算簡圖的確定
1.1無地下室的多層框架房屋
1)基礎埋深較淺時現澆的框架結構梁柱剛接,計算簡圖的確定主要是確定底層柱的計算長度。根據《混凝土結構設計規范》GB50010-200(以下簡稱《結構規范》)第7.3.11條規定:一般多層房屋中梁柱為剛接的框架結構,底層柱的計算長度取基礎頂面到一層樓蓋頂面的高度H:裝配式框架取1.25H。
2)基礎埋深較大時為了增加房屋底部的整體性,減小位移有時在0.000m附近設置基礎連系梁。將基礎連系梁以下的部分看作底層,柱的H值取基礎頂面至連系梁頂面的高度,而把實際建筑的底層作為第二層考慮,層高H取連系梁頂層至一層樓面高度。
1.2帶地下室的多層框架房屋
對于帶地下室的多層框架結構,合理確定上部結構的嵌固位置是一個關鍵問題。《結構規范》和《建筑抗震設計規范》GB50011-2001(以下簡稱《抗震規范》),都沒有明確地提出具體位置,需要具體問題具體分析對于能夠滿足《抗震規范》第6.1.14條規定的地下室結構或采用箱型基礎時,可將地下室頂作為框架上部結構的嵌固位置,在利用PKPM軟件進行設計時,樓層總數僅輸入地下室以上的實際層數,底層的層高H取實際層高。這樣計算出的地震作用與實際情況較為接近。對于不能滿足《抗震規范》第6.1.14條規定的地下室結構或者采用筏板式基礎時,嵌固位置最好取在基礎頂面。此時,利用電算進行樓層組合時,總層數應為實際的樓層數加上地下室的層數。
2基礎寬度和面積的計算
在計算基礎寬度或面積時,往往由于力學模型不明確或考慮問題不周詳,導致基礎寬度或面積不足。如墻體上作用有較大集中力的情況,當墻體上有較大的集中力作用時,通過墻體和基礎可將集中力向地基擴散,但這種擴散是有一定范圍的,且基底土反力并不均勻分布。若設計時用該集中力除以墻段長度得到的平均線荷來確定基礎寬度,則導致局部基礎寬度不足。因此,必須加大基礎寬度以滿足地基承載力的要求。通常采用局部調整系數調整基礎寬度的方法解決此類問題。
目前常用的框架結構空間分析計算軟件都是以整幢樓的梁、柱整體參加工作進行計算分析的,對部分梁而言,盡管相交梁截面尺寸不同,相互之間卻不存在主、次梁關系,設計人員在繪制施工圖時,應注意配筋形式與受力分析相匹配。框架結構經空間分析程序電算,所有按主梁輸入模型的梁是整體工作的,部分梁將產生扭轉問題。一些三維空間分析軟件,雖已調整梁的抗扭剛度,但計算出來框架邊梁扭矩筋仍很大,因程序不計樓板對梁的約束作用(即實際扭矩設計算值那么大),實際受力與計算模型不符。可把次梁支座改為鉸支座,并配以構造處理。
框架梁的抗剪配筋施工圖繪制時,往往為省事,而不查閱構件配筋打印資料,僅以配筋簡圖進行設計,并通常對簡圖上梁端加密區箍筋放大一倍間距置于跨中,此法如遇該梁上次梁集中力較大,剪力包絡圖趨于平緩,就會產生加密區外箍筋抗剪不足,導致結構不安全。
3鋼筋混凝土保護層厚度的取值
混凝土保護層的作用是保護鋼筋不發生銹蝕,并保證鋼筋的粘結錨固性能,直接影響構件的耐久性和鋼筋的受力性能,但由于設計人員的不重視,常會出現以下問題:1)梁或柱中,只注意到主筋的保護層厚度,而忽略了箍筋的保護層厚度,造成箍筋外露或保護層厚度不足;2)主梁與次梁交叉處、主梁、次梁和板的鋼筋關系處理不明確,造成板負筋保護層厚度不足或構件有效截面高度損失,直接影響到構件的安全性;3)地上部分與地下部分的柱子因所處的環境條件不同,根據規范要求,應采取不同的保護層厚度。
因此,設計時應注意:1)正確處理構件內各類鋼筋的相互關系,按鋼筋的正確位置確定構件內鋼筋的保護層厚度及構件有效截面高度,并進行構件的截面設計。首先根據規范要求確定梁柱內箍筋的保護層厚度,即確定箍筋的正確位置,主筋的保護層厚度可采用a+d(1a為箍筋保護層最小厚度,d1為箍筋直徑),并大于規范規定的最小厚度,以此確定主筋的正確位置;根據各種鋼筋的正確位置,確定相關構件的有效截面高度并進行配筋計算,在施工圖中標出相關構件中鋼筋的位置。2)正確區分同一構件所處的環境條件,區別對待不同環境下的混凝土保護層厚度。地下部分的柱子可將其斷面加大,滿足其保護層厚度的要求,同時保證柱子鋼筋上下位置的一致性,滿足鋼筋受力要求。
4框架結構抗震構造措施
4.1梁的抗震構造
1)梁截面尺寸:為了防止梁發生斜裂縫破壞、斜壓型脆性破壞,框架梁截面尺寸必須滿足如下要求:梁的截面寬度與高度之比為b/h≥0.25,且b不宜小于200mm,也不宜小于1/2柱寬;同時應滿足高跨比ln/h≥4;梁最大平均剪應力為V/bh0≤0.20fc。其中,b、h、h0分別為梁截面寬度、高度、有效高度;V為梁端組合剪力設計值;fc為混凝土軸心抗壓強度設計值。
2)梁的配筋率:為了保證梁的變形能力,使框架結構具有較好的抗震性能,梁端縱向受拉鋼筋的配筋率應能使梁端截面的受壓區相對高度滿足以下要求:一級框架x≤0.25h0;二級框架x≤0.35h0,同時,縱向受拉鋼筋的配筋率不應大于2.5%。
3)梁的箍筋:為了保證梁有足夠的延性,提高塑性鉸區壓區混凝土的極限壓應變值,并防止在塑性鉸區內最終發生斜裂縫破壞,在梁端縱筋屈服范圍內加密封閉式箍筋,對提高梁的變形能力十分有效。同時,為了防止壓筋過早壓曲,應嚴格遵照《抗震規范》限制箍筋的間距。
4)梁內縱筋錨固:在反復恒載作用下,在縱向鋼筋埋入梁柱節點的相當長度范圍內,混凝土與鋼筋之間的粘結力將發生嚴重破壞,因此應注意在地震作用下框架梁中縱向鋼筋的錨固長度,一般應比《結構規范》中所規定的受拉鋼筋基本錨固長度大。
4.2柱的抗震構造措施
1)柱截面尺寸:柱的平均剪應力太大,會使柱產生脆性的剪切破壞。平均壓應力或軸壓比太大會使柱產生混凝土壓碎破壞,為了使柱有足夠的延性,柱截面尺寸應符合以下要求:柱截面的長邊應小于柱凈高的1/4,且柱截面的寬度不宜小于300mm;當剪壓比保持較低時,可獲得較好的延性,為此柱端截面的平均剪應力一般宜小于3N/mm。
2)柱縱向鋼筋的配置:柱中縱向鋼筋宜對稱配筋:為了保證柱有足夠的延性,柱的最小配筋率必須滿足《抗震規范》要求;縱向鋼筋的接頭,一級框架應采用焊接接頭;二級宜采用焊接接頭,而底層柱根應焊接;三級可采用搭接,而底層柱根宜焊接;直徑大于32mm的鋼筋必須采用焊接。在縱向鋼筋連接區段內宜加密箍筋,防止縱向鋼筋的壓曲,增加粘結強度。
3)柱的箍筋:在地震力的反復作用下,柱端鋼筋保護層往往首先碎落,這時,如無足夠的箍筋約束,縱筋就會向外膨曲,柱端破壞。箍筋對柱的核心混凝土起著有效的約束作用,提高配箍率可以顯著提高受壓混凝土的極限壓應變,從而有效增加柱的延性。因此設計人員應遵照《抗震規范》對框架柱的箍筋構造要求。
5結論
總之,以上提出的都是些框架結構設計中出現的易疏忽的問題。一旦處理不好或計算過程中未加考慮便會導致結構不合理,甚至結構不安全。設計人員在精于結構電算分析的同時,更應注意到以上所提到的在設計過程中碰到的類似問題,使施工圖的設計更完善,保證結構的安全。
