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摘 要:建筑框架结构设计属于建筑结构设计中一种重要的形式。钢筋混凝土框架结构是一种由梁、柱组成的超静定结构体系,在地震、风荷载等作用下需设计成延性结构,以便能很好地吸收和耗散能量,保证结构具有足够的抵抗变形能力,确保结构安全。本文针对建筑框架结构设计等方面进行了分析。
关键词:钢筋混凝土框架结构设计
引言
在现代建筑设计领域,框架结构设计无论是在保障建筑安全还是在保证建筑外观形态方面都占有重要战略位置。设计框架结构,设计人员应首先判断结构方案的可行性,对可能碰到的问题提前采取措施予以解决,并对所有计算结构认真分析、判断,准确无误后方可应用于实际工程,满足建筑物的结构安全。
1 建筑框架结构的概念
框架结构住宅是指以钢筋混凝土浇捣成承重梁柱,再用预制的加气混凝土、膨胀珍珠岩、浮石、蛭石、陶烂等轻质板材隔墙分户装配成而的住宅。适合大规模工业化施工,效率较高,工程质量较好。框架结构由梁柱构成,构件截面较小,因此框架结构的承载力和刚度都较低,它的受力特点类似于竖向悬臂剪切梁,楼层越高,水平位移越慢,高层框架在纵横两个方向都承受很大的水平力,这时,现浇楼面也作为梁共同工作的,装配整体式楼面的作用则不考虑,框架结构的墙体是填充墙,起围护和分隔作用,框架结构的特点是能为建筑提供灵活的使用空间,但抗震性能差。
2 建筑框架结构的梁部分设计
2.1 梁上有次梁处(包括挑梁端部)应附加箍筋和吊筋,宜优先采用附加箍筋。
附加筋一般要有,但不应绝对。规范说的清楚,位于梁下部或梁截面高度范围内的集中荷载,应全部由附加横向钢筋承担。也就是说,位于梁上的集中力如梁上柱、梁上后做的梁如水箱下的垫梁不必加附加筋。位于梁下部的集中力应加附加筋。但梁截面高度范围内的集中荷载可根据具体情况而定。当主次梁截面相差不大,次梁荷载较大时,应加附加筋。当主梁高度很高,次梁截面很小、荷载很小时,如快接近板上附加暗梁,主梁可不加附加筋。还有当主次梁截面均很大,如工艺要求形成的主次深梁,而荷载相对不大,主梁也可不加附加筋。
2.2 当外部梁跨度相差不大时,梁高宜等高,尤其是外部的框架梁。
當梁底距外窗顶尺寸较小时,宜加大梁高做至窗顶。外部框架梁尽量做成外皮与柱外皮平齐。梁也可偏出柱边一较小尺寸。梁与柱的偏心可大于1/4柱宽,并宜小于1/3柱宽。
2.3 梁上有次梁时,应避免次梁搭接在主梁的支座附近,否则应考虑由次梁引起的主梁抗扭,或增加构造抗扭纵筋和箍筋。
当采用现浇板时,抗扭问题并不严重。原则上梁纵筋宜小直径小间距,有利于抗裂,但应注意钢筋间距要满足要求,并与梁的断面相应。箍筋按规定在梁端头加密。布筋时应将纵筋等距,箍筋肢距可不等。小断面的连续梁或框架梁,上、下纵筋均应采用同直径的,尽量不在支座搭接。端部与框架梁相交或弹性支承在墙体上的次梁,梁端支座可按简支考虑,但梁端箍筋应加密。反梁的板吊在梁底下,板荷载宜由箍筋承受,或适当增大箍筋。梁支承偏心布置的墙时宜做下挑沿。
2.4 挑梁宜作成等截面(大挑梁外露者除外)。
与挑板不同,挑梁的自重占总荷载的比例很小,作成变截面不能有效减轻自重。变截面挑梁的箍筋,每个都不一样,难以施工。变截面梁的挠度也大于等截面梁。挑梁端部有次梁时,注意要附加箍筋或吊筋。一般挑梁根部不必附加斜筋,除非受剪承载力不足。对于大挑梁,梁的下部宜配置受压钢筋以减小挠度。挑梁配筋应留有余地。梁上开洞时,不但要计算洞口加筋,更应验算梁洞口下偏拉部分的裂缝宽度。梁从构造上能保证不发生冲切破坏和斜截面受弯破坏。挑梁出挑长度小于梁高时,应按牛腿计算或按深梁构造配筋。扁梁宽度不必过大,只要钢筋能正常摆下及受剪满足即可。因为在挠度计算时,梁宽对刚度影响不大,加宽一倍,挠度减小20%左右。相对来讲,增大钢筋更经济,钢筋加大一倍,挠度减小60%左右,同时梁的上筋应大部分通长布置,以减小混凝土徐变对挠度的增大,如果上筋不小于下筋,挠度减小20%。当一宽框架梁托两排间距较小的柱时,可加一刚性挑梁,两个柱支承在刚性挑梁的端头。梁宽大于350时,应采用四肢箍。
3 建筑框架结构柱部分的设计
建筑物结构设计时如上部结构柱设计成圆柱时,地下部分应改为方柱,以方便施工。圆柱纵筋根数最少为8根,箍筋用螺旋箍,并注明端部应有一圈半的水平段。方柱箍筋应使用井宁箍,并按规范加密。角柱、楼梯间柱应增大纵筋、并全柱高、加密箍筋。原则上柱的纵筋宜大直径、大间距,但间距不宜大于200。柱内埋管,管截面面积占柱截面4％以下时,可不必验算。柱断面不宜小于450×450,混凝土不宜小于C25,否则梁纵筋锚人柱内的水平段不容易满足0.45La的要求,不满足时应加横筋；否则在梁柱节点处钢筋太密,会导致混凝土浇筑困难。异型柱结构,梁纵筋一排根数不宜过多,柱端部纵筋不宜过密,否则节点混凝土浇筑困难。当有部分矩形柱部分异型柱时,应注意异型柱的刚度要和矩形柱相接近,不要相差太大。柱应尽量采用高强度混凝土来满足轴压比的限制,以减小断面尺寸。同时要尽量避免使用短柱,短柱箍筋应全高加密,短柱纵筋不宜过大。独立柱上或柱的中部(半层处)有挑梁时,挑梁长度应有限制。此外考虑到竖向地震作用,柱子的轴压比及配筋宜留有余地。
4 建筑框架结构的梁柱的配筋计算
4.1 框架梁的配筋
对梁纵向钢筋的配筋率为0.5%～1.5%较为适宜,在配筋率一定时,用较细的钢筋可以增加混凝土的握裹面积,可减小梁的裂缝宽度,增大配筋率是减小梁裂缝的最直接方法,但是只提高混凝土的强度等级对梁裂缝的影响就较小。
在地震作用下,为满足强剪弱弯,就应做到梁端斜截面受剪承载力高于正截面受弯承载力,在具体设计时,可将梁端负弯矩筋乘以系数0.85～1.0,梁中正弯距乘以1.1～1.3,梁端箍筋的直径可增2mm。
4.2 框架柱的配筋
框架柱的配筋一般都较低,电算结果往往都是构造配筋,由于抗震上强柱弱梁的要求,也就是要适当增大柱的配筋而减小梁的配筋,可见,柱子承担的责任最大。为了保证在地震时柱在最后失效,必须设计成强柱弱梁,人为把梁设计成相对薄弱的环节,使其破坏在先以最大限度地减少可能出现的损失。若把梁、柱同等看待,让他们都强,则可能会造成同时破坏,后果会更糟糕,损失会更大。所以,在电算时一些参数的调整十分重要,对框架柱的纵向配筋结果一般可以乘以1.2～1.6,柱箍筋的直径宜增2mm,其中角柱大些,边柱次之,中柱可小一些,柱箍筋的形式宜采用井字形,以增强箍筋对混凝土的约束,箍筋的重叠不宜多于两个箍筋。
5 建筑框架结构设计上应注意几个问题
5.1关于“强剪弱弯”措施
强剪弱弯是保证构件延性,防止脆性破坏的重要原则,它要求人为加大各承重构件相对于其抗弯能力的抗剪承载力,使这些部位在结构经历罕遇地震的过程中以足够的保证率不出现脆性剪切失效。对于框架结构中的框架梁应注意抗剪验算和构造,使其满足相关规范要求。
5.2 关于强柱弱梁节点
这是为了实现在罕遇地震作用下,让梁端形成塑形铰,柱端处于非弹性工作状态,而没有屈服,但节点还处于弹性工作阶段。强柱弱梁措施的强弱,也就是相对于梁端截面实际抗弯能力而言柱端截面抗弯能力增强幅度的大小,是决定由强震引起柱端截面屈服后塑性转动能否不超过其塑性转动能力,而且不致形成“层侧移机构”,从而使柱不被压溃的关键控制措施。柱强于梁的幅度大小取决于梁端纵筋不可避免的构造超配程度的大小,以及结构在梁、柱端塑性铰逐步形成过程中的塑性内力重分布和动力特征的相应变化。因此,当建筑许可时,尽可能将柱的截面尺寸做得大些,使柱的线刚度与梁的线刚度的比值尽可能大于1,并控制柱的轴压比满足规范要求,以增加延性。验算截面承载力时,人为地将柱的设计弯距按强柱弱梁原则调整放大,加强柱的配筋构造。
6 结束语
钢筋混凝土框架结构虽然相对简单,但设计中仍有很多需要注意的问题,只有熟练地掌握规范,并具有良好的结构概念,才能设计出既安全又经济适用的优秀作品。
关键词:钢筋混凝土框架结构设计
引言
在现代建筑设计领域,框架结构设计无论是在保障建筑安全还是在保证建筑外观形态方面都占有重要战略位置。设计框架结构,设计人员应首先判断结构方案的可行性,对可能碰到的问题提前采取措施予以解决,并对所有计算结构认真分析、判断,准确无误后方可应用于实际工程,满足建筑物的结构安全。
1 建筑框架结构的概念
框架结构住宅是指以钢筋混凝土浇捣成承重梁柱,再用预制的加气混凝土、膨胀珍珠岩、浮石、蛭石、陶烂等轻质板材隔墙分户装配成而的住宅。适合大规模工业化施工,效率较高,工程质量较好。框架结构由梁柱构成,构件截面较小,因此框架结构的承载力和刚度都较低,它的受力特点类似于竖向悬臂剪切梁,楼层越高,水平位移越慢,高层框架在纵横两个方向都承受很大的水平力,这时,现浇楼面也作为梁共同工作的,装配整体式楼面的作用则不考虑,框架结构的墙体是填充墙,起围护和分隔作用,框架结构的特点是能为建筑提供灵活的使用空间,但抗震性能差。
2 建筑框架结构的梁部分设计
2.1 梁上有次梁处(包括挑梁端部)应附加箍筋和吊筋,宜优先采用附加箍筋。
附加筋一般要有,但不应绝对。规范说的清楚,位于梁下部或梁截面高度范围内的集中荷载,应全部由附加横向钢筋承担。也就是说,位于梁上的集中力如梁上柱、梁上后做的梁如水箱下的垫梁不必加附加筋。位于梁下部的集中力应加附加筋。但梁截面高度范围内的集中荷载可根据具体情况而定。当主次梁截面相差不大,次梁荷载较大时,应加附加筋。当主梁高度很高,次梁截面很小、荷载很小时,如快接近板上附加暗梁,主梁可不加附加筋。还有当主次梁截面均很大,如工艺要求形成的主次深梁,而荷载相对不大,主梁也可不加附加筋。
2.2 当外部梁跨度相差不大时,梁高宜等高,尤其是外部的框架梁。
當梁底距外窗顶尺寸较小时,宜加大梁高做至窗顶。外部框架梁尽量做成外皮与柱外皮平齐。梁也可偏出柱边一较小尺寸。梁与柱的偏心可大于1/4柱宽,并宜小于1/3柱宽。
2.3 梁上有次梁时,应避免次梁搭接在主梁的支座附近,否则应考虑由次梁引起的主梁抗扭,或增加构造抗扭纵筋和箍筋。
当采用现浇板时,抗扭问题并不严重。原则上梁纵筋宜小直径小间距,有利于抗裂,但应注意钢筋间距要满足要求,并与梁的断面相应。箍筋按规定在梁端头加密。布筋时应将纵筋等距,箍筋肢距可不等。小断面的连续梁或框架梁,上、下纵筋均应采用同直径的,尽量不在支座搭接。端部与框架梁相交或弹性支承在墙体上的次梁,梁端支座可按简支考虑,但梁端箍筋应加密。反梁的板吊在梁底下,板荷载宜由箍筋承受,或适当增大箍筋。梁支承偏心布置的墙时宜做下挑沿。
2.4 挑梁宜作成等截面(大挑梁外露者除外)。
与挑板不同,挑梁的自重占总荷载的比例很小,作成变截面不能有效减轻自重。变截面挑梁的箍筋,每个都不一样,难以施工。变截面梁的挠度也大于等截面梁。挑梁端部有次梁时,注意要附加箍筋或吊筋。一般挑梁根部不必附加斜筋,除非受剪承载力不足。对于大挑梁,梁的下部宜配置受压钢筋以减小挠度。挑梁配筋应留有余地。梁上开洞时,不但要计算洞口加筋,更应验算梁洞口下偏拉部分的裂缝宽度。梁从构造上能保证不发生冲切破坏和斜截面受弯破坏。挑梁出挑长度小于梁高时,应按牛腿计算或按深梁构造配筋。扁梁宽度不必过大,只要钢筋能正常摆下及受剪满足即可。因为在挠度计算时,梁宽对刚度影响不大,加宽一倍,挠度减小20%左右。相对来讲,增大钢筋更经济,钢筋加大一倍,挠度减小60%左右,同时梁的上筋应大部分通长布置,以减小混凝土徐变对挠度的增大,如果上筋不小于下筋,挠度减小20%。当一宽框架梁托两排间距较小的柱时,可加一刚性挑梁,两个柱支承在刚性挑梁的端头。梁宽大于350时,应采用四肢箍。
3 建筑框架结构柱部分的设计
建筑物结构设计时如上部结构柱设计成圆柱时,地下部分应改为方柱,以方便施工。圆柱纵筋根数最少为8根,箍筋用螺旋箍,并注明端部应有一圈半的水平段。方柱箍筋应使用井宁箍,并按规范加密。角柱、楼梯间柱应增大纵筋、并全柱高、加密箍筋。原则上柱的纵筋宜大直径、大间距,但间距不宜大于200。柱内埋管,管截面面积占柱截面4％以下时,可不必验算。柱断面不宜小于450×450,混凝土不宜小于C25,否则梁纵筋锚人柱内的水平段不容易满足0.45La的要求,不满足时应加横筋；否则在梁柱节点处钢筋太密,会导致混凝土浇筑困难。异型柱结构,梁纵筋一排根数不宜过多,柱端部纵筋不宜过密,否则节点混凝土浇筑困难。当有部分矩形柱部分异型柱时,应注意异型柱的刚度要和矩形柱相接近,不要相差太大。柱应尽量采用高强度混凝土来满足轴压比的限制,以减小断面尺寸。同时要尽量避免使用短柱,短柱箍筋应全高加密,短柱纵筋不宜过大。独立柱上或柱的中部(半层处)有挑梁时,挑梁长度应有限制。此外考虑到竖向地震作用,柱子的轴压比及配筋宜留有余地。
4 建筑框架结构的梁柱的配筋计算
4.1 框架梁的配筋
对梁纵向钢筋的配筋率为0.5%～1.5%较为适宜,在配筋率一定时,用较细的钢筋可以增加混凝土的握裹面积,可减小梁的裂缝宽度,增大配筋率是减小梁裂缝的最直接方法,但是只提高混凝土的强度等级对梁裂缝的影响就较小。
在地震作用下,为满足强剪弱弯,就应做到梁端斜截面受剪承载力高于正截面受弯承载力,在具体设计时,可将梁端负弯矩筋乘以系数0.85～1.0,梁中正弯距乘以1.1～1.3,梁端箍筋的直径可增2mm。
4.2 框架柱的配筋
框架柱的配筋一般都较低,电算结果往往都是构造配筋,由于抗震上强柱弱梁的要求,也就是要适当增大柱的配筋而减小梁的配筋,可见,柱子承担的责任最大。为了保证在地震时柱在最后失效,必须设计成强柱弱梁,人为把梁设计成相对薄弱的环节,使其破坏在先以最大限度地减少可能出现的损失。若把梁、柱同等看待,让他们都强,则可能会造成同时破坏,后果会更糟糕,损失会更大。所以,在电算时一些参数的调整十分重要,对框架柱的纵向配筋结果一般可以乘以1.2～1.6,柱箍筋的直径宜增2mm,其中角柱大些,边柱次之,中柱可小一些,柱箍筋的形式宜采用井字形,以增强箍筋对混凝土的约束,箍筋的重叠不宜多于两个箍筋。
5 建筑框架结构设计上应注意几个问题
5.1关于“强剪弱弯”措施
强剪弱弯是保证构件延性,防止脆性破坏的重要原则,它要求人为加大各承重构件相对于其抗弯能力的抗剪承载力,使这些部位在结构经历罕遇地震的过程中以足够的保证率不出现脆性剪切失效。对于框架结构中的框架梁应注意抗剪验算和构造,使其满足相关规范要求。
5.2 关于强柱弱梁节点
这是为了实现在罕遇地震作用下,让梁端形成塑形铰,柱端处于非弹性工作状态,而没有屈服,但节点还处于弹性工作阶段。强柱弱梁措施的强弱,也就是相对于梁端截面实际抗弯能力而言柱端截面抗弯能力增强幅度的大小,是决定由强震引起柱端截面屈服后塑性转动能否不超过其塑性转动能力,而且不致形成“层侧移机构”,从而使柱不被压溃的关键控制措施。柱强于梁的幅度大小取决于梁端纵筋不可避免的构造超配程度的大小,以及结构在梁、柱端塑性铰逐步形成过程中的塑性内力重分布和动力特征的相应变化。因此,当建筑许可时,尽可能将柱的截面尺寸做得大些,使柱的线刚度与梁的线刚度的比值尽可能大于1,并控制柱的轴压比满足规范要求,以增加延性。验算截面承载力时,人为地将柱的设计弯距按强柱弱梁原则调整放大,加强柱的配筋构造。
6 结束语
钢筋混凝土框架结构虽然相对简单,但设计中仍有很多需要注意的问题,只有熟练地掌握规范,并具有良好的结构概念,才能设计出既安全又经济适用的优秀作品。