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摘要:混凝土框架结构是我国建筑的重要结构形式，但是在实际应用中忽视结构方案优化。本文主要论述了高层混凝土框架结构科学优化设计的基本方法，重点介绍了梁、柱截面选取与配筋，提出了在优化中应用新材料、新技术，对于推动高层混凝土框架结构的科学优化设计一定的借鉴意义。
关键词: 钢筋混凝土；结构平面；梁柱布置；配筋；优化设计
毫无疑问在我国现在的建筑中，钢筋混凝土框架结构是最常用的结构形式。因为其具有足够的强度，良好的延性和较强的整体性。由于建筑行业的快速发展，只是一味的追求速度，往往忽视钢筋混凝土框架结构方案优化，因此，在新时期提出钢筋混凝土框架结构的科学优化设计非常有必要。
1、结构平面布置
(1)选取竖向荷载传至柱的传荷路径最短的结构布置形式。框架柱、框架梁的布置应选取在上下各层墙体基本对齐的轴线上,以便绝大部分墙体荷载直接经框架梁传至框架柱;次梁的布置应使墙体荷载及楼、屋面恒活荷载传至框架梁的传力路线最短,这样使得梁的数量最少。
(2)选取纵横向框架梁均匀承重的结构布置形式。结构布置若能尽量做到纵横向框架梁均匀承重,不但结构整体抗震性能好,而且能发挥纵向框架梁的作用,同时也使得柱配筋上下均匀,柱截面大小合理。
一般情况下,房间的隔墙均在横向框架梁上,若一级次梁布置又沿纵向布置,则纵向框架梁分配到的荷载很小,而纵向框架梁截面按整体刚度要求又不能取得太小,故纵向框架梁截面作用远没有发挥出来,反而增大了横向框架梁的截面及配筋。如图1所示为一种较好的次梁布置形式:横向次梁为一级次梁,内走廊墙下次梁为二级次梁。若将A～B轴跨次梁改为沿纵向居中布置,还会使得顶层角柱、边柱变成大偏心受压,配筋量增大,甚至有时形成顶层柱截面尺寸为控制截面尺寸。
图1结构平面布置一
有内柱的大空间房间,若纵横向柱距相等或者相差不超过20%,则宜在纵横向均匀布置次梁,形成连续井字梁,这样使得纵横向框架梁高度相同且最小,井字梁高度也相同且最小,最大限度地满足了建筑在大空间使用时净高的要求,井字梁规则可不做吊顶,或在柱网内做吊顶都能满足建筑设计要求。
无内柱的大空间房间,若房间长短向尺寸相等或者相差不超过20%,则宜在纵横向均匀布置次梁,次梁间距以2.5～3.0m为最佳,形成大跨度井字梁,周边边梁应取较大的截面来约束井字梁并承受较大的扭矩,这样使得大空间净高最大,同时使得周边柱双向受弯,避免了单向布置次梁一个方向形成截面高度很大的框架梁将弯矩传到柱的一个方向,形成大偏心受压柱,使得柱截面和配筋变大。
(3)次梁尽可能连续布置且外挑。连续梁自身的受力性能和经济性比单跨梁优越,这是由于多跨连续梁为非静定结构,梁挠度较小,梁截面可取得较小,弯矩包络图连续均匀分布在梁上下两侧,梁截面配筋上下均匀,梁裂缝宽度容易满足规范要求,裂缝宽度控制时不必增加太多的钢筋。正是由于自身的优点,连续梁在结构中对其他梁的帮助也很大,如图2所示是一种较好的次梁布置形式,如果次梁按楼层墙体分隔位置布置,则在2.7m跨内走廊及2.1m外挑处不布置次梁,则带外挑的连续次梁变成两根单跨梁,单跨梁两端的嵌固作用对支承梁产生扭矩,故加大了支承梁的抗扭纵筋和箍筋;外挑梁端大跨度的边梁对端部挑梁也产生了较大的扭矩。采用连续带外挑的次梁布置形式,次梁的支承梁扭矩就大大减小。
图2结构平面布置二
无内柱的大空间房屋井字梁布置四周向外连续或外挑,其优越性更明显,如图3所示是一种较好的井字梁布置形式。
(4)利用结构中其他结构构件来传递直接作用(荷载)及间接作用(温度变化、混凝土收缩等)。
图3结构平面布置三
地下室底板及顶板次梁的布置可利用地下室混凝土外墙及水池墙体来传递直接作用,地下室混凝土外墙及水池墙体的设置主要用来传递其平面外的水平作用,其竖向承载力远未充分发挥,将次梁支承在其上,一般情况不会增加其截面及配筋,且能增加其平面外的约束。
超长结构中可利用抵抗其直接作用的部分承载力来抵抗间接作用。当结构的均布活荷载值较大且其准永久值系数较小时(如有固定座位的看台),由于其均布活荷载不是长时间连续作用,而间接作用(温度变化、混凝土收缩等)是随结构所处环境的变化,在较长的一段时间里一直有量的变化,故此种直接作用及间接作用同时达到最大值的概率较小,可以充分利用结构的长期抗力来抵抗间接作用。
2、梁、柱截面选取与配筋
2.1 柱截面选取与配筋
柱截面按柱轴压比控制,以绝大多数柱配筋是构造配筋为最优结果。按规范规定,柱纵筋配筋率大于3%时,柱箍筋直径不应小于8mm,且宜采用焊接接头,这就使得配筋费用变大。
2.2 梁截面选取与配筋
(1)梁截面选取按纵筋配筋率在1.0%～2.0%之间为最佳。梁截面选取应使梁纵筋配筋率在当时市场条件下(混凝土及钢筋的单价)的经济配筋率范围内。梁纵筋配筋率<1.0%时,梁出现裂缝,梁的配筋由裂缝宽度控制;梁纵筋配筋率小时,表明梁截面偏大,梁的截面大,施工过程中温度应力也大,规范要求配较多的侧面纵筋,箍筋也要加大。但设计人员应注意梁宽在400～350mm时,不必设四肢箍,三肢箍能满足要求。当梁端纵向受拉钢筋配筋率>2.0%时梁端箍筋加密区范围内的箍筋最小直径要加大2mm。
(2)连续梁(次梁、框架梁)各跨梁截面应按梁纵筋配筋包络图及剪力包络图选取。连续梁各跨梁截面的选取在满足梁挠度要求的条件下,使得梁纵筋配筋率在1.0%～2.0%之间,同时应使梁纵筋配筋包络图连续均匀地分布在梁上下两侧。如图1所示,横向框架梁、次梁各跨梁截面选取应尽可能使梁在B、C、D轴线支座两侧的负筋配筋包络线顶点数值接近,这样,使得梁在B、C、D轴线两侧负筋配筋量相同,负筋两侧拉通配筋时配筋量最小B、C轴线两侧负筋直径应相同,使得负筋在B～C轴线小跨内拉通,避免了直径不同钢筋搭接时用钢量增大,搭接区段内箍筋又要加密(纵筋搭接区钢筋净距减小混凝土浇筑困难)。
梁纵筋配筋在满足纵筋最小净距的条件下,应使配筋排数最少,以便使得梁截面有效高度最大。外挑梁截面可设计成变截面,变截面的斜度根据其剪力及弯矩包络图决定。
(3)梁各跨截面选取应考虑结构的整体性。如图4所示,1、2、3軸线上各跨框架梁跨度相差较大,框架梁梁高如均按1/10跨度选取,显然结构整体性能差,如B～C轴跨取400mm×1200mm,A～B轴跨及外挑段取400mm×700mm,则结构整体性能较好,A～B轴跨较大截面的框架梁分得较多的负弯矩传给A轴柱,使得A、B轴上两个独立柱通过较大截面的框架梁相连成为B～C轴大跨度框架梁的一个双肢柱,这样B～C轴大跨度框架梁及B轴柱受力性能大大改善。
图4 结构平面布置四
3、应用国家推荐的新技术、新材料
随着科学技术的发展,国内外技术的交流,用于工程建设的新技术、新材料不断出现并应用于工程实践,如高强度高性能混凝土、高强度钢材、轻质墙体材料等,工程技术人员应及时收集这方面的资料及工程应用情况,从工程经济的角度分析其应用条件,以使得工程设计经济合理。
由于工程综合效益的需要设计宽扁梁时,宽扁梁的受力纵筋选用HRB400钢筋较为合理,一方面降低了配筋率,另一方面使得纵筋配筋排数最少,梁的有效高度增大。
对于地面以下或处于潮湿工作环境中的梁,由于梁的裂缝宽度控制较严,梁的受力纵筋选用HRB400钢筋有时就不经济了。
轻质墙体材料较普通墙体材料单方价格要高,但工程中如果墙体较多,柱网跨度较大,地基承载力又低,采用轻质墙体材料是最适合的了,这些都要具体分析选取。
4、结束语
总之，钢筋混凝土框架结构作为我国建筑的重要结构形式，具有造价低、平面布置灵活、便于标准化施工等优点。而通过对钢筋混凝土框架结构的科学优化设计，使得钢筋混凝土框架结构更能满足现代化的工程建设要求，所以应当大力推广结构优化设计方法。
参考文献：
[1] 王里佳 周飞，带腋撑钢筋混凝土框架结构优化设计[J]中外建筑，2010.07
[2] 黄建伟 尹邦信，钢筋混凝土框架结构优化设计[J]四川建筑科学研究，2006.02
关键词: 钢筋混凝土；结构平面；梁柱布置；配筋；优化设计
毫无疑问在我国现在的建筑中，钢筋混凝土框架结构是最常用的结构形式。因为其具有足够的强度，良好的延性和较强的整体性。由于建筑行业的快速发展，只是一味的追求速度，往往忽视钢筋混凝土框架结构方案优化，因此，在新时期提出钢筋混凝土框架结构的科学优化设计非常有必要。
1、结构平面布置
(1)选取竖向荷载传至柱的传荷路径最短的结构布置形式。框架柱、框架梁的布置应选取在上下各层墙体基本对齐的轴线上,以便绝大部分墙体荷载直接经框架梁传至框架柱;次梁的布置应使墙体荷载及楼、屋面恒活荷载传至框架梁的传力路线最短,这样使得梁的数量最少。
(2)选取纵横向框架梁均匀承重的结构布置形式。结构布置若能尽量做到纵横向框架梁均匀承重,不但结构整体抗震性能好,而且能发挥纵向框架梁的作用,同时也使得柱配筋上下均匀,柱截面大小合理。
一般情况下,房间的隔墙均在横向框架梁上,若一级次梁布置又沿纵向布置,则纵向框架梁分配到的荷载很小,而纵向框架梁截面按整体刚度要求又不能取得太小,故纵向框架梁截面作用远没有发挥出来,反而增大了横向框架梁的截面及配筋。如图1所示为一种较好的次梁布置形式:横向次梁为一级次梁,内走廊墙下次梁为二级次梁。若将A～B轴跨次梁改为沿纵向居中布置,还会使得顶层角柱、边柱变成大偏心受压,配筋量增大,甚至有时形成顶层柱截面尺寸为控制截面尺寸。
图1结构平面布置一
有内柱的大空间房间,若纵横向柱距相等或者相差不超过20%,则宜在纵横向均匀布置次梁,形成连续井字梁,这样使得纵横向框架梁高度相同且最小,井字梁高度也相同且最小,最大限度地满足了建筑在大空间使用时净高的要求,井字梁规则可不做吊顶,或在柱网内做吊顶都能满足建筑设计要求。
无内柱的大空间房间,若房间长短向尺寸相等或者相差不超过20%,则宜在纵横向均匀布置次梁,次梁间距以2.5～3.0m为最佳,形成大跨度井字梁,周边边梁应取较大的截面来约束井字梁并承受较大的扭矩,这样使得大空间净高最大,同时使得周边柱双向受弯,避免了单向布置次梁一个方向形成截面高度很大的框架梁将弯矩传到柱的一个方向,形成大偏心受压柱,使得柱截面和配筋变大。
(3)次梁尽可能连续布置且外挑。连续梁自身的受力性能和经济性比单跨梁优越,这是由于多跨连续梁为非静定结构,梁挠度较小,梁截面可取得较小,弯矩包络图连续均匀分布在梁上下两侧,梁截面配筋上下均匀,梁裂缝宽度容易满足规范要求,裂缝宽度控制时不必增加太多的钢筋。正是由于自身的优点,连续梁在结构中对其他梁的帮助也很大,如图2所示是一种较好的次梁布置形式,如果次梁按楼层墙体分隔位置布置,则在2.7m跨内走廊及2.1m外挑处不布置次梁,则带外挑的连续次梁变成两根单跨梁,单跨梁两端的嵌固作用对支承梁产生扭矩,故加大了支承梁的抗扭纵筋和箍筋;外挑梁端大跨度的边梁对端部挑梁也产生了较大的扭矩。采用连续带外挑的次梁布置形式,次梁的支承梁扭矩就大大减小。
图2结构平面布置二
无内柱的大空间房屋井字梁布置四周向外连续或外挑,其优越性更明显,如图3所示是一种较好的井字梁布置形式。
(4)利用结构中其他结构构件来传递直接作用(荷载)及间接作用(温度变化、混凝土收缩等)。
图3结构平面布置三
地下室底板及顶板次梁的布置可利用地下室混凝土外墙及水池墙体来传递直接作用,地下室混凝土外墙及水池墙体的设置主要用来传递其平面外的水平作用,其竖向承载力远未充分发挥,将次梁支承在其上,一般情况不会增加其截面及配筋,且能增加其平面外的约束。
超长结构中可利用抵抗其直接作用的部分承载力来抵抗间接作用。当结构的均布活荷载值较大且其准永久值系数较小时(如有固定座位的看台),由于其均布活荷载不是长时间连续作用,而间接作用(温度变化、混凝土收缩等)是随结构所处环境的变化,在较长的一段时间里一直有量的变化,故此种直接作用及间接作用同时达到最大值的概率较小,可以充分利用结构的长期抗力来抵抗间接作用。
2、梁、柱截面选取与配筋
2.1 柱截面选取与配筋
柱截面按柱轴压比控制,以绝大多数柱配筋是构造配筋为最优结果。按规范规定,柱纵筋配筋率大于3%时,柱箍筋直径不应小于8mm,且宜采用焊接接头,这就使得配筋费用变大。
2.2 梁截面选取与配筋
(1)梁截面选取按纵筋配筋率在1.0%～2.0%之间为最佳。梁截面选取应使梁纵筋配筋率在当时市场条件下(混凝土及钢筋的单价)的经济配筋率范围内。梁纵筋配筋率<1.0%时,梁出现裂缝,梁的配筋由裂缝宽度控制;梁纵筋配筋率小时,表明梁截面偏大,梁的截面大,施工过程中温度应力也大,规范要求配较多的侧面纵筋,箍筋也要加大。但设计人员应注意梁宽在400～350mm时,不必设四肢箍,三肢箍能满足要求。当梁端纵向受拉钢筋配筋率>2.0%时梁端箍筋加密区范围内的箍筋最小直径要加大2mm。
(2)连续梁(次梁、框架梁)各跨梁截面应按梁纵筋配筋包络图及剪力包络图选取。连续梁各跨梁截面的选取在满足梁挠度要求的条件下,使得梁纵筋配筋率在1.0%～2.0%之间,同时应使梁纵筋配筋包络图连续均匀地分布在梁上下两侧。如图1所示,横向框架梁、次梁各跨梁截面选取应尽可能使梁在B、C、D轴线支座两侧的负筋配筋包络线顶点数值接近,这样,使得梁在B、C、D轴线两侧负筋配筋量相同,负筋两侧拉通配筋时配筋量最小B、C轴线两侧负筋直径应相同,使得负筋在B～C轴线小跨内拉通,避免了直径不同钢筋搭接时用钢量增大,搭接区段内箍筋又要加密(纵筋搭接区钢筋净距减小混凝土浇筑困难)。
梁纵筋配筋在满足纵筋最小净距的条件下,应使配筋排数最少,以便使得梁截面有效高度最大。外挑梁截面可设计成变截面,变截面的斜度根据其剪力及弯矩包络图决定。
(3)梁各跨截面选取应考虑结构的整体性。如图4所示,1、2、3軸线上各跨框架梁跨度相差较大,框架梁梁高如均按1/10跨度选取,显然结构整体性能差,如B～C轴跨取400mm×1200mm,A～B轴跨及外挑段取400mm×700mm,则结构整体性能较好,A～B轴跨较大截面的框架梁分得较多的负弯矩传给A轴柱,使得A、B轴上两个独立柱通过较大截面的框架梁相连成为B～C轴大跨度框架梁的一个双肢柱,这样B～C轴大跨度框架梁及B轴柱受力性能大大改善。
图4 结构平面布置四
3、应用国家推荐的新技术、新材料
随着科学技术的发展,国内外技术的交流,用于工程建设的新技术、新材料不断出现并应用于工程实践,如高强度高性能混凝土、高强度钢材、轻质墙体材料等,工程技术人员应及时收集这方面的资料及工程应用情况,从工程经济的角度分析其应用条件,以使得工程设计经济合理。
由于工程综合效益的需要设计宽扁梁时,宽扁梁的受力纵筋选用HRB400钢筋较为合理,一方面降低了配筋率,另一方面使得纵筋配筋排数最少,梁的有效高度增大。
对于地面以下或处于潮湿工作环境中的梁,由于梁的裂缝宽度控制较严,梁的受力纵筋选用HRB400钢筋有时就不经济了。
轻质墙体材料较普通墙体材料单方价格要高,但工程中如果墙体较多,柱网跨度较大,地基承载力又低,采用轻质墙体材料是最适合的了,这些都要具体分析选取。
4、结束语
总之，钢筋混凝土框架结构作为我国建筑的重要结构形式，具有造价低、平面布置灵活、便于标准化施工等优点。而通过对钢筋混凝土框架结构的科学优化设计，使得钢筋混凝土框架结构更能满足现代化的工程建设要求，所以应当大力推广结构优化设计方法。
参考文献：
[1] 王里佳 周飞，带腋撑钢筋混凝土框架结构优化设计[J]中外建筑，2010.07
[2] 黄建伟 尹邦信，钢筋混凝土框架结构优化设计[J]四川建筑科学研究，2006.02