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0前言
在框架结构设计过程中,特别是采用设计软件进行设计计算时,对设计软件不是很熟悉的设计人员常常会出现独立基础设计荷载取值不当、框架计算简图不合理、基础拉梁层的计算模型不符合实际情况、基础拉梁设计不当以及结构计算中几个重要设计参数的选取不合理等问题,由此将会造成设计结果不正确而使设计方案无法使用,从而浪费了设计人员的很大精力。本文就这些问题逐一进行分析,并结合设计实际情况对问题的解决提出一系列经验方法,希望给广大设计人员有所帮助。
1关于结构计算模式中几个问题
1. 1框架计算简图的确定
对于无地下室的钢筋混凝土多层框架结构设计,当独立基础埋置较深且- 0105 m左右设有基础拉梁时,是否应将基础拉梁按一个楼层记取于框架计算简图中,这是一个值得关注的问题。以某学生宿舍楼为例,该项目为3层钢筋混凝土框架结构,丙类建筑,建筑场地为Ⅱ类;层高3.3 m，基础埋深4.0m,基础高度0.8 m,室内外高差0.45 m。若根据《建筑抗震设计规范》第6. 1. 2条规定“在8度地震区该工程框架结构的抗震等级为二级”,设计者可按3层框架房屋计算:首层层高取3. 35 m,即假定框架房屋嵌固在- 0. 05 m处的基础拉梁顶面;基础拉梁的断面和配筋按构造设计;基础按中心受压计算。如果照此计算简图运算,就会出现2个问题:第1是按构造设计的拉梁无法平衡柱脚弯矩;第2是不符合GB50010 - 2002《混凝土结构设计规范》第7. 3. 11条的规定,即“框架结构底层柱的高度应取基础顶面至首层楼盖顶面的高度”。在实际工程设计中,为了能够达到设计与实践的高度吻合,我们可以将基础拉梁层按层1记取输入。为此,上例框架结构按4层进行整体分析计算(拉梁上如有荷载作用应将荷载一并输入) ,计算剪力的首层层高为H1= 4.0 – 0.8 – 0.05 = 3.15 m,第2层层高为3.35 m,第3、4层高为3.3 m。同时,根据《建筑抗震设计规范》第6. 2. 3 条规定,可以将框架柱底层柱脚弯矩设计值乘以增大系数1.25。考虑到地基土的约束作用,对这样的计算简图,在电算程序总信息输入中,可填写地下室层数为1,并复算1次,按两计算结果的包络图进行框架结构底层柱的配筋。
1. 2独立基础设计的荷载取值
钢筋混凝土多层框架房屋的基础形式多采用的是柱下独立基础。在基础设计中,合理地选取荷载设计值,是基础结构设计的重要环节。实际工作中,常会出现2种情况:一是依据GB50011 - 2001《建筑抗震设计规范》第4. 2. 1条指出的“当地基主要受力层范围内不存在软弱粘性土层时,不超过8层且高度在25 m以下的一般民用框架房屋或基础荷载相当的多层框架厂房,可不必进行天然地基和基础的抗震承载力验算”的要求,忽略风荷载的影响;二是在设计独立基础时,作用在基础顶面上的外荷载(柱脚内力设计值)只取轴力设计值、弯矩设计值而无剪力设计值,甚或只取轴力设计值。工程设计实践证明,这2种情况的设计结果都会导致基础尺寸偏小、配筋偏少。如果在涉及混凝土多层框架房屋的整体计算分析中输入风荷载,让轴力设计值、弯矩设计值和剪力设计值共同作用于柱脚,基础本身及其上部结构的安全就更为可靠。
1. 3基础拉梁层计算模型的选定
用TAT或SATWE等电算程序进行框架整体计算时,对于基础拉梁层无楼板的情况下,楼板厚度应取0,并定义弹性节点,用总纲分析方法进行分析计算。当房屋平面不规则时,虽然楼板厚度取0,也定义弹性节点但未采用总纲分析,程序分析时却自动按刚性楼面假定进行计算,这与实际情况不符,设计过程中要特别注意这一点。
1. 4基础拉梁设计方案的确定
多层框架房屋基础拉梁的设计方案应视具体情况而定。一般来说,当基础埋深值大时,为了减小底层柱的计算长度和底层的位移,可在±0.000以下适当位置设置基础拉梁,但不宜按构造要求设置,宜按框架梁进行设计,并规范规定设置箍筋加密区。当独立基础埋置不深或者埋置虽深但采用了短柱基础时,由于地基不良或柱子荷载差别较大,或根据抗震要求,可沿2个主轴方向设置构造基础拉梁;基础拉梁截面宽度可取柱中心距的1 /20～1 /30,高度可取柱中心距的1 /12～1 /18;构造基础拉梁的截面可取上述限值范围的下限,纵向受力钢筋可取所连接柱子的最大轴力设计值的10%作为拉力或压力来计算。若为构造配筋,除满足最小配筋率外,也不得小于上下各2φ14,配筋不得小于φ8@200；若拉梁上作用有填充墙或楼梯柱等传来的荷载时,拉梁截面应适当加大,算出的配筋应和上述构造配筋叠加。当框架底层层高不大或者基础埋置不深时,有时要把基础拉梁设计得比较强大,以便用拉梁来平衡柱底弯矩,这时拉梁正弯矩钢筋应全跨拉通,负弯矩钢筋至少应在1 /2跨拉通,拉通正负弯矩钢筋在框架柱内的锚固、拉梁箍筋的加密及有关抗震构造要求与上部框架梁完全相同;此时,拉梁宜设置在基础顶部,不宜设置在基础顶面之上。
2 关于结构计算中几个重要参数的选取问题
2. 1结构的抗震等级
在工程设计中,多数房屋建筑按其抗震设防分类属于丙类建筑,如民用住宅、办公楼及一般工业建筑等等,其抗震等级可根据烈度、结构类型和房屋的高度按《建筑抗震设计规范》表6. 1. 2确定。对于电讯、交通、能源、消防和医疗等类建筑以及大型体育场馆、大型零售商场等公共建筑, 可首先根据GB50223 - 2004《建筑抗震设防分类标准》确定其中哪些建筑属于乙类建筑(可能还有甲类建筑,本文不涉及) 。若为丙类建筑,其地震作用均按本地区抗震设防烈度计算;若为乙类建筑,一般情况下,当抗震设防烈度为6～8度时,抗震措施应符合本地区抗震设防烈度提高1度的要求。例如,位于8度地震区的乙类建筑,应按9度由《建筑抗震设计规范》表6. 1. 2确定其抗震等级为一级;当8度乙类建筑的高度超过表6. 1. 2规定的范围时,还应经专门研究,采取比一级抗震等级更有效的抗震措施。
2. 2地震力的振型组合数
地震力的振型组合数,对高层建筑,当不考虑扭转耦联计算时,至少要取3;当振型数多于3时,宜取3的倍数,但不应多于层数;当房屋层数≤2时,振型数可取层数。对于不规则的结构,当考虑扭转耦联时,对高层建筑,振型数应取≥9;结构层数较多或结构刚度突变较大,振型数应多取。如结构有转换层、顶部有小塔楼、多塔结构等,振型数应取≥12或更多,但不能多于房屋层数的3倍;只有当定义弹性楼板,且采用总刚分析,必要时振型数才可以取得较少。《建筑抗震设计规范》指出,合适的振型个数一般可以取振型参与质量达到总质量的90%所需的振型数。SATWE等电算程序已有这种功能,可以很方便地输出这种参与质量的比值。有些设计人员不大重视电算程序使用手册的应用,选取振型数时比较随意,这是应当改进的。此外,对于耦联计算,可在必要时补充非耦联计算。
2. 3结构周期折减系数
框架结构及框架—抗震墙等结构,由于填充墙的存在,使结构的实际刚度大于计算刚度,计算周期大于实际周期。因此,算出的地震剪力偏小,使结构偏于不安全,因而对结构的计算周期进行折减是必要的,但对框架结构的计算周期不折减或折减系数取得过大,都是不妥当的。对框架结构,采用砌体填充墙时,周期折减系数可取0.6～0.7;砌体填充墙较少或采用轻质砌块时,可取0.7～0.8;完全采用轻质墙体板材时,可取0.9。只有无墙的纯框架,计算周期才可能不折减。
2. 4框架梁、柱箍筋间距
《建筑抗震设计规范》第6. 3. 3 条及第6. 3. 8条对不同抗震等级的框架梁、柱箍筋加密区的最小箍筋直径和最大箍筋间距做了明确规定。根据这些规定,设计时习惯上常取梁、柱箍筋加密区最大间距为100 mm,非加密区箍筋最大间距为200 mm。电算程序总信息中通常也内定梁、柱箍筋加密区间距为100 mm,并以此为依据计算出加密区箍筋面积,设计人员可根据规范确定箍筋直径和肢数。
但是,在程序内定的条件下,当框架梁的跨中部位有次梁或有较大的其他集中荷载作用却仅配双肢箍筋时,多数情况下,非加密区箍筋间距采用200会使梁的非加密区配筋不足。因此,建议程序内定梁箍筋改为取梁的非加密区间距200 mm。这样,既可保证梁非加密区的抗剪承载力,又可适当增加梁端箍筋加密区(箍筋间距为100 mm)的抗剪能力,梁的强剪性能更能充分体现。当框架梁由于种种原因纵向钢筋超筋时,梁端适当加大抗剪承载力,对结构抗震非常有利。这也是为什么当梁端纵向受拉钢筋配筋率大2%时,规范规定梁的箍筋直径应比最小构造直径增大2 mm的原因。
对于框架柱,当框架内定柱加密区箍筋间距为100 mm时,在某些情况下,也可能因非加密区箍筋间距采用200 mm引起配筋不足。因此,也建议程序内定柱的箍筋间距改为取柱的非加密区的箍筋间距200 mm。
这里需要指出的是,梁、柱箍筋非加密区配筋验算时,可不考虑强剪弱弯的要求,即剪力设计值取加密区终点处外侧的组合剪力设计值,并且不乘以剪力增大系数。
3结束语
上文主要阐述了多层框架结构在设计过程中的基本问题，当然实际工程可能会遇到更多问题，在此不再赘述。设计多层框架结构，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，并对所有计算结果认真分析、判断，准确无误后方可应用于实际工程。
在框架结构设计过程中,特别是采用设计软件进行设计计算时,对设计软件不是很熟悉的设计人员常常会出现独立基础设计荷载取值不当、框架计算简图不合理、基础拉梁层的计算模型不符合实际情况、基础拉梁设计不当以及结构计算中几个重要设计参数的选取不合理等问题,由此将会造成设计结果不正确而使设计方案无法使用,从而浪费了设计人员的很大精力。本文就这些问题逐一进行分析,并结合设计实际情况对问题的解决提出一系列经验方法,希望给广大设计人员有所帮助。
1关于结构计算模式中几个问题
1. 1框架计算简图的确定
对于无地下室的钢筋混凝土多层框架结构设计,当独立基础埋置较深且- 0105 m左右设有基础拉梁时,是否应将基础拉梁按一个楼层记取于框架计算简图中,这是一个值得关注的问题。以某学生宿舍楼为例,该项目为3层钢筋混凝土框架结构,丙类建筑,建筑场地为Ⅱ类;层高3.3 m，基础埋深4.0m,基础高度0.8 m,室内外高差0.45 m。若根据《建筑抗震设计规范》第6. 1. 2条规定“在8度地震区该工程框架结构的抗震等级为二级”,设计者可按3层框架房屋计算:首层层高取3. 35 m,即假定框架房屋嵌固在- 0. 05 m处的基础拉梁顶面;基础拉梁的断面和配筋按构造设计;基础按中心受压计算。如果照此计算简图运算,就会出现2个问题:第1是按构造设计的拉梁无法平衡柱脚弯矩;第2是不符合GB50010 - 2002《混凝土结构设计规范》第7. 3. 11条的规定,即“框架结构底层柱的高度应取基础顶面至首层楼盖顶面的高度”。在实际工程设计中,为了能够达到设计与实践的高度吻合,我们可以将基础拉梁层按层1记取输入。为此,上例框架结构按4层进行整体分析计算(拉梁上如有荷载作用应将荷载一并输入) ,计算剪力的首层层高为H1= 4.0 – 0.8 – 0.05 = 3.15 m,第2层层高为3.35 m,第3、4层高为3.3 m。同时,根据《建筑抗震设计规范》第6. 2. 3 条规定,可以将框架柱底层柱脚弯矩设计值乘以增大系数1.25。考虑到地基土的约束作用,对这样的计算简图,在电算程序总信息输入中,可填写地下室层数为1,并复算1次,按两计算结果的包络图进行框架结构底层柱的配筋。
1. 2独立基础设计的荷载取值
钢筋混凝土多层框架房屋的基础形式多采用的是柱下独立基础。在基础设计中,合理地选取荷载设计值,是基础结构设计的重要环节。实际工作中,常会出现2种情况:一是依据GB50011 - 2001《建筑抗震设计规范》第4. 2. 1条指出的“当地基主要受力层范围内不存在软弱粘性土层时,不超过8层且高度在25 m以下的一般民用框架房屋或基础荷载相当的多层框架厂房,可不必进行天然地基和基础的抗震承载力验算”的要求,忽略风荷载的影响;二是在设计独立基础时,作用在基础顶面上的外荷载(柱脚内力设计值)只取轴力设计值、弯矩设计值而无剪力设计值,甚或只取轴力设计值。工程设计实践证明,这2种情况的设计结果都会导致基础尺寸偏小、配筋偏少。如果在涉及混凝土多层框架房屋的整体计算分析中输入风荷载,让轴力设计值、弯矩设计值和剪力设计值共同作用于柱脚,基础本身及其上部结构的安全就更为可靠。
1. 3基础拉梁层计算模型的选定
用TAT或SATWE等电算程序进行框架整体计算时,对于基础拉梁层无楼板的情况下,楼板厚度应取0,并定义弹性节点,用总纲分析方法进行分析计算。当房屋平面不规则时,虽然楼板厚度取0,也定义弹性节点但未采用总纲分析,程序分析时却自动按刚性楼面假定进行计算,这与实际情况不符,设计过程中要特别注意这一点。
1. 4基础拉梁设计方案的确定
多层框架房屋基础拉梁的设计方案应视具体情况而定。一般来说,当基础埋深值大时,为了减小底层柱的计算长度和底层的位移,可在±0.000以下适当位置设置基础拉梁,但不宜按构造要求设置,宜按框架梁进行设计,并规范规定设置箍筋加密区。当独立基础埋置不深或者埋置虽深但采用了短柱基础时,由于地基不良或柱子荷载差别较大,或根据抗震要求,可沿2个主轴方向设置构造基础拉梁;基础拉梁截面宽度可取柱中心距的1 /20～1 /30,高度可取柱中心距的1 /12～1 /18;构造基础拉梁的截面可取上述限值范围的下限,纵向受力钢筋可取所连接柱子的最大轴力设计值的10%作为拉力或压力来计算。若为构造配筋,除满足最小配筋率外,也不得小于上下各2φ14,配筋不得小于φ8@200；若拉梁上作用有填充墙或楼梯柱等传来的荷载时,拉梁截面应适当加大,算出的配筋应和上述构造配筋叠加。当框架底层层高不大或者基础埋置不深时,有时要把基础拉梁设计得比较强大,以便用拉梁来平衡柱底弯矩,这时拉梁正弯矩钢筋应全跨拉通,负弯矩钢筋至少应在1 /2跨拉通,拉通正负弯矩钢筋在框架柱内的锚固、拉梁箍筋的加密及有关抗震构造要求与上部框架梁完全相同;此时,拉梁宜设置在基础顶部,不宜设置在基础顶面之上。
2 关于结构计算中几个重要参数的选取问题
2. 1结构的抗震等级
在工程设计中,多数房屋建筑按其抗震设防分类属于丙类建筑,如民用住宅、办公楼及一般工业建筑等等,其抗震等级可根据烈度、结构类型和房屋的高度按《建筑抗震设计规范》表6. 1. 2确定。对于电讯、交通、能源、消防和医疗等类建筑以及大型体育场馆、大型零售商场等公共建筑, 可首先根据GB50223 - 2004《建筑抗震设防分类标准》确定其中哪些建筑属于乙类建筑(可能还有甲类建筑,本文不涉及) 。若为丙类建筑,其地震作用均按本地区抗震设防烈度计算;若为乙类建筑,一般情况下,当抗震设防烈度为6～8度时,抗震措施应符合本地区抗震设防烈度提高1度的要求。例如,位于8度地震区的乙类建筑,应按9度由《建筑抗震设计规范》表6. 1. 2确定其抗震等级为一级;当8度乙类建筑的高度超过表6. 1. 2规定的范围时,还应经专门研究,采取比一级抗震等级更有效的抗震措施。
2. 2地震力的振型组合数
地震力的振型组合数,对高层建筑,当不考虑扭转耦联计算时,至少要取3;当振型数多于3时,宜取3的倍数,但不应多于层数;当房屋层数≤2时,振型数可取层数。对于不规则的结构,当考虑扭转耦联时,对高层建筑,振型数应取≥9;结构层数较多或结构刚度突变较大,振型数应多取。如结构有转换层、顶部有小塔楼、多塔结构等,振型数应取≥12或更多,但不能多于房屋层数的3倍;只有当定义弹性楼板,且采用总刚分析,必要时振型数才可以取得较少。《建筑抗震设计规范》指出,合适的振型个数一般可以取振型参与质量达到总质量的90%所需的振型数。SATWE等电算程序已有这种功能,可以很方便地输出这种参与质量的比值。有些设计人员不大重视电算程序使用手册的应用,选取振型数时比较随意,这是应当改进的。此外,对于耦联计算,可在必要时补充非耦联计算。
2. 3结构周期折减系数
框架结构及框架—抗震墙等结构,由于填充墙的存在,使结构的实际刚度大于计算刚度,计算周期大于实际周期。因此,算出的地震剪力偏小,使结构偏于不安全,因而对结构的计算周期进行折减是必要的,但对框架结构的计算周期不折减或折减系数取得过大,都是不妥当的。对框架结构,采用砌体填充墙时,周期折减系数可取0.6～0.7;砌体填充墙较少或采用轻质砌块时,可取0.7～0.8;完全采用轻质墙体板材时,可取0.9。只有无墙的纯框架,计算周期才可能不折减。
2. 4框架梁、柱箍筋间距
《建筑抗震设计规范》第6. 3. 3 条及第6. 3. 8条对不同抗震等级的框架梁、柱箍筋加密区的最小箍筋直径和最大箍筋间距做了明确规定。根据这些规定,设计时习惯上常取梁、柱箍筋加密区最大间距为100 mm,非加密区箍筋最大间距为200 mm。电算程序总信息中通常也内定梁、柱箍筋加密区间距为100 mm,并以此为依据计算出加密区箍筋面积,设计人员可根据规范确定箍筋直径和肢数。
但是,在程序内定的条件下,当框架梁的跨中部位有次梁或有较大的其他集中荷载作用却仅配双肢箍筋时,多数情况下,非加密区箍筋间距采用200会使梁的非加密区配筋不足。因此,建议程序内定梁箍筋改为取梁的非加密区间距200 mm。这样,既可保证梁非加密区的抗剪承载力,又可适当增加梁端箍筋加密区(箍筋间距为100 mm)的抗剪能力,梁的强剪性能更能充分体现。当框架梁由于种种原因纵向钢筋超筋时,梁端适当加大抗剪承载力,对结构抗震非常有利。这也是为什么当梁端纵向受拉钢筋配筋率大2%时,规范规定梁的箍筋直径应比最小构造直径增大2 mm的原因。
对于框架柱,当框架内定柱加密区箍筋间距为100 mm时,在某些情况下,也可能因非加密区箍筋间距采用200 mm引起配筋不足。因此,也建议程序内定柱的箍筋间距改为取柱的非加密区的箍筋间距200 mm。
这里需要指出的是,梁、柱箍筋非加密区配筋验算时,可不考虑强剪弱弯的要求,即剪力设计值取加密区终点处外侧的组合剪力设计值,并且不乘以剪力增大系数。
3结束语
上文主要阐述了多层框架结构在设计过程中的基本问题，当然实际工程可能会遇到更多问题，在此不再赘述。设计多层框架结构，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，并对所有计算结果认真分析、判断，准确无误后方可应用于实际工程。