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摘 要：多高层框架结构因具有结构布置灵活、易满足建筑体型和内部空间使用等要求的优点，故是结构设计中经常采用的结构形式。本文针对框架结构设计中的几个关键问题，从结构体系概念设计、结构设计原则及抗震计算三方面进行总体论述，并探讨设计中经常遇到的短柱问题处理及“强柱”实现措施，以期达到明晰多高层设计中难点的目的。
关键词：多高层框架； 概念设计； 设计原则； 短柱
中图分类号：TU198 文献标识码：A 文章编号：1671-3362（2013）04-0008-01
1 引言
框架结构是多高层结构选型的基本形式，剪力墙结构及框剪结构均以框架设计为基础。因此，框架结构设计在结构设计中具有举足轻重的作用。框架结构体系主要承重构件为板、梁和柱，体系具有布置灵活以及易于满足建筑体型和内部空间使用等要求的优点。合理设计的框架结构具有较好的延性和强度，能够满足抗震区设计的要求。
2 概念设计
结构抗震概念设计的目标是使整体结构能发挥耗散地震能量的作用，避免结构出现敏感的薄弱部位，地震能量的耗散仅集中在极少数薄弱部位，导致结构过早破坏。现有抗震设计方法的前提之一是假定整个结构能发挥耗散地震能量的作用，在此前提下，才能以多遇地震作用进行结构计算、构件设计并加以构造措施，或采用动力时程分析进行验算，试图达到罕遇地震作用下结构不倒塌的目标。下面重点阐述结构抗震概念设计的基本原则：
2.1 结构的简单性
结构简单是指结构在地震作用下具有直接和明确的传力路径，结构的计算模型、内力和位移分析以及限制薄弱部位出现都易于把握，对结构抗震性能的估计也比较可靠。
2.2 结构的规则和均匀性
沿建筑物竖向，建筑造型和结构布置比较均匀，避免刚度、承载力和传力路径的突变，以限制结构在竖向某一楼层或极少数几个楼层出现敏感的薄弱部位。
建筑物平面比较规则，平面内结构布置比较均匀，使建筑物分布质量产生的地震惯性力能以比较短和直接的路径传递，并使质量分布与结构刚度分布协调，限制质量与刚度之间的偏心。
2.3 结构的刚度和抗震能力
水平地震方向是多向的，结构布置应使结构能抵抗任意方向的地震作用。通常使结构沿平面上两个主轴方向具有足够的刚度和抗震能力。结构刚度选择时，虽可考虑场地特征，选择结构刚度，以减少地震作用效应，但也要注意控制结构变形的增大，过大的变形将会因P-△效应过大而导致结构破坏。除此之外，还应具有足够的抗扭刚度和抗扭转振动的能力。现有抗震设计计算中不考虑地震地面运动的扭转分量，在概念设计中应注意提高结构的抗扭刚度和抗扭转振动能力。
3 抗震计算
多高层框架结构抗震计算应根据设防类别、烈度和房屋高度采用不同的抗震等级，并需符合相应的计算要求。
多高层框架结构应按下列原则考虑地震作用及地震计算：
（1）一般情况下，应允许在结构两个主轴方向分别考虑水平作用计算，对质量与刚度明显不对称、不均匀的结构，应计算双向水平地震作用下的扭转影响。
（2）7度（0.15g）、8度、9度抗震设防时，多高层建筑中的大跨和长悬臂结构应考虑竖向地震作用。
（3）多高层框架结构宜采用振型分解反应谱法。对质量和刚度不对称、不均匀的结构以及高度超过100m的高层建筑结构应采用考虑扭转耦联振动影响的振型分解反应谱法。
（4）高度不超过40m、以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的多高层建筑结构，可采用底部剪力法。
（5）7～9度设防的高层建筑，下列情况宜采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算，甲类高层建筑结构；表 1所示的乙、丙类高层建筑结构；不满足《高规》第3.5.2～3.5.6条规定的高层建筑结构；复杂高层建筑结构以及质量沿竖向分布特别不均匀的高层建筑结构。
表1 采用时程分析法的乙、丙类高层建筑结构
4 短柱处理
框架的柱端一般同时存在着弯矩M和剪力V，根据柱的剪跨比λ=M/Vh0来确定柱为长柱、短柱和极短柱，h0为与弯矩M平行方向柱截面有效高度。λ>2（当柱反弯点在柱高度H0中部时即H0/ h0>4）称为长柱；1.5<λ≤2称为短柱；λ≤1.5称为极短柱。试验表明：长柱一般发生弯曲破坏，短柱多数发生剪切破坏，极短柱发生剪切斜拉破坏，这种破坏属于脆性破坏。
抗震设计的框架结构柱，柱端的剪力一般较大，从而剪跨比λ较小，易形成短柱或极短柱，产生斜裂缝导致剪切破坏。柱的剪切受拉和剪切斜拉破坏属于脆性破坏，在设计中应特别注意避免发生这类破坏。
有抗震设计的框架短柱应符合下列要求：
（1）抗震等级为一级和特一级时，其单侧纵向受拉鋼筋的配筋率不宜大于1.2%。
（2）加密区范围箍筋的体积配箍率应按《高规》第6.4.7条第一款规定，且宜采用复合螺旋箍或井字复合箍，其体积配箍率不应小于1.2%，设防烈度为9度时不应小于1.5%。
5 “强柱”实现措施
（1）抗震设计时，框架梁、柱节点处，除顶层和柱轴压比小于0.15者及框支梁柱外，柱端考虑地震作用的组合弯矩值应按下列要求规定予以调整：
框架结构二级，∑Mc=1.5∑Mb；三级，∑Mc=1.3∑Mb；四级，∑Mc=1.2∑Mb。
（2）抗震设计时，一、二、三、四级框架结构的底层柱底截面弯矩设计值，应分别采用考虑地震作用组合的弯矩值与增大系数1.7、1.5、1.3和1.2的乘积。
（3）抗震设计时，框架角柱应按双向偏心受力构件进行正截面承载力设计。一、二、三、四级框架角柱经按前两条调整后的弯矩、剪力设计值应再乘以1.1的增大系数。
6 结论
本文详细论述了多高层框架结构设计中的疑难点，尤其从总体结构布置上进行把握，整体分析得到合理结构体系，再进行细部结构设计，探讨了短柱处理措施及强柱实现措施，对于实际工程设计具有比较重要的指导意义。
参考文献
[1] 高层建筑混凝土结构技术规程2010.北京：中国建筑工业出版社，2011（8）.
[2] 方鄂华，钱稼茹，叶列平.高层建筑结构设计.中国建筑工业出版社，2010（8）.
[3] 建筑抗震设计规范2010.北京.中国建筑工业出版社，2012（1）.
（编辑：蒋东旭）
关键词：多高层框架； 概念设计； 设计原则； 短柱
中图分类号：TU198 文献标识码：A 文章编号：1671-3362（2013）04-0008-01
1 引言
框架结构是多高层结构选型的基本形式，剪力墙结构及框剪结构均以框架设计为基础。因此，框架结构设计在结构设计中具有举足轻重的作用。框架结构体系主要承重构件为板、梁和柱，体系具有布置灵活以及易于满足建筑体型和内部空间使用等要求的优点。合理设计的框架结构具有较好的延性和强度，能够满足抗震区设计的要求。
2 概念设计
结构抗震概念设计的目标是使整体结构能发挥耗散地震能量的作用，避免结构出现敏感的薄弱部位，地震能量的耗散仅集中在极少数薄弱部位，导致结构过早破坏。现有抗震设计方法的前提之一是假定整个结构能发挥耗散地震能量的作用，在此前提下，才能以多遇地震作用进行结构计算、构件设计并加以构造措施，或采用动力时程分析进行验算，试图达到罕遇地震作用下结构不倒塌的目标。下面重点阐述结构抗震概念设计的基本原则：
2.1 结构的简单性
结构简单是指结构在地震作用下具有直接和明确的传力路径，结构的计算模型、内力和位移分析以及限制薄弱部位出现都易于把握，对结构抗震性能的估计也比较可靠。
2.2 结构的规则和均匀性
沿建筑物竖向，建筑造型和结构布置比较均匀，避免刚度、承载力和传力路径的突变，以限制结构在竖向某一楼层或极少数几个楼层出现敏感的薄弱部位。
建筑物平面比较规则，平面内结构布置比较均匀，使建筑物分布质量产生的地震惯性力能以比较短和直接的路径传递，并使质量分布与结构刚度分布协调，限制质量与刚度之间的偏心。
2.3 结构的刚度和抗震能力
水平地震方向是多向的，结构布置应使结构能抵抗任意方向的地震作用。通常使结构沿平面上两个主轴方向具有足够的刚度和抗震能力。结构刚度选择时，虽可考虑场地特征，选择结构刚度，以减少地震作用效应，但也要注意控制结构变形的增大，过大的变形将会因P-△效应过大而导致结构破坏。除此之外，还应具有足够的抗扭刚度和抗扭转振动的能力。现有抗震设计计算中不考虑地震地面运动的扭转分量，在概念设计中应注意提高结构的抗扭刚度和抗扭转振动能力。
3 抗震计算
多高层框架结构抗震计算应根据设防类别、烈度和房屋高度采用不同的抗震等级，并需符合相应的计算要求。
多高层框架结构应按下列原则考虑地震作用及地震计算：
（1）一般情况下，应允许在结构两个主轴方向分别考虑水平作用计算，对质量与刚度明显不对称、不均匀的结构，应计算双向水平地震作用下的扭转影响。
（2）7度（0.15g）、8度、9度抗震设防时，多高层建筑中的大跨和长悬臂结构应考虑竖向地震作用。
（3）多高层框架结构宜采用振型分解反应谱法。对质量和刚度不对称、不均匀的结构以及高度超过100m的高层建筑结构应采用考虑扭转耦联振动影响的振型分解反应谱法。
（4）高度不超过40m、以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的多高层建筑结构，可采用底部剪力法。
（5）7～9度设防的高层建筑，下列情况宜采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算，甲类高层建筑结构；表 1所示的乙、丙类高层建筑结构；不满足《高规》第3.5.2～3.5.6条规定的高层建筑结构；复杂高层建筑结构以及质量沿竖向分布特别不均匀的高层建筑结构。
表1 采用时程分析法的乙、丙类高层建筑结构
4 短柱处理
框架的柱端一般同时存在着弯矩M和剪力V，根据柱的剪跨比λ=M/Vh0来确定柱为长柱、短柱和极短柱，h0为与弯矩M平行方向柱截面有效高度。λ>2（当柱反弯点在柱高度H0中部时即H0/ h0>4）称为长柱；1.5<λ≤2称为短柱；λ≤1.5称为极短柱。试验表明：长柱一般发生弯曲破坏，短柱多数发生剪切破坏，极短柱发生剪切斜拉破坏，这种破坏属于脆性破坏。
抗震设计的框架结构柱，柱端的剪力一般较大，从而剪跨比λ较小，易形成短柱或极短柱，产生斜裂缝导致剪切破坏。柱的剪切受拉和剪切斜拉破坏属于脆性破坏，在设计中应特别注意避免发生这类破坏。
有抗震设计的框架短柱应符合下列要求：
（1）抗震等级为一级和特一级时，其单侧纵向受拉鋼筋的配筋率不宜大于1.2%。
（2）加密区范围箍筋的体积配箍率应按《高规》第6.4.7条第一款规定，且宜采用复合螺旋箍或井字复合箍，其体积配箍率不应小于1.2%，设防烈度为9度时不应小于1.5%。
5 “强柱”实现措施
（1）抗震设计时，框架梁、柱节点处，除顶层和柱轴压比小于0.15者及框支梁柱外，柱端考虑地震作用的组合弯矩值应按下列要求规定予以调整：
框架结构二级，∑Mc=1.5∑Mb；三级，∑Mc=1.3∑Mb；四级，∑Mc=1.2∑Mb。
（2）抗震设计时，一、二、三、四级框架结构的底层柱底截面弯矩设计值，应分别采用考虑地震作用组合的弯矩值与增大系数1.7、1.5、1.3和1.2的乘积。
（3）抗震设计时，框架角柱应按双向偏心受力构件进行正截面承载力设计。一、二、三、四级框架角柱经按前两条调整后的弯矩、剪力设计值应再乘以1.1的增大系数。
6 结论
本文详细论述了多高层框架结构设计中的疑难点，尤其从总体结构布置上进行把握，整体分析得到合理结构体系，再进行细部结构设计，探讨了短柱处理措施及强柱实现措施，对于实际工程设计具有比较重要的指导意义。
参考文献
[1] 高层建筑混凝土结构技术规程2010.北京：中国建筑工业出版社，2011（8）.
[2] 方鄂华，钱稼茹，叶列平.高层建筑结构设计.中国建筑工业出版社，2010（8）.
[3] 建筑抗震设计规范2010.北京.中国建筑工业出版社，2012（1）.
（编辑：蒋东旭）