摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高,對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。本文作者對(duì)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中相關(guān)問(wèn)題的產(chǎn)生及處理措施進(jìn)行了闡述和分析,供同行參考。

　　關(guān)鍵詞：框架結(jié)構(gòu),計(jì)算,處理措施

　　1 框架結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用要素

　　(1)考慮建筑功能的要求。例如多層建筑空間大、平面布置靈活時(shí)。

　　(2)考慮建筑高度和高寬比、抗震設(shè)防類(lèi)別、抗震設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件等因素。

　　(3)框架結(jié)構(gòu)體系是介于砌體結(jié)構(gòu)與框架-剪力墻結(jié)構(gòu)之間的可選結(jié)構(gòu)體系。框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)符合安全適用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、方便施工的原則(結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則)。

　　(4)非抗震設(shè)計(jì)時(shí)用于多層及高層建筑。抗震設(shè)計(jì)時(shí)一般情況下框架結(jié)構(gòu)多用多層及小高層建筑(7度區(qū)以下)。

　　(5)框架結(jié)構(gòu)由于其抗側(cè)剛度較差，因此在地震區(qū)不宜設(shè)計(jì)較高的框架結(jié)構(gòu)。在7度(0.15g)設(shè)防區(qū)，對(duì)于一般民用建筑，層數(shù)不宜超過(guò)7層，總高度不宜超過(guò)28米。在8度(0.3g)設(shè)防區(qū)，層數(shù)不宜超過(guò)5層，總高度不宜超過(guò)20米。超過(guò)以上數(shù)據(jù)時(shí)雖然計(jì)算指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求，但是不經(jīng)濟(jì)。

　　2 框架結(jié)構(gòu)平面及豎向布置設(shè)計(jì)

　　2.1為了保證框架結(jié)構(gòu)的抗震安全，結(jié)構(gòu)應(yīng)具有必要的承載力、剛度、穩(wěn)定性、延性及耗能等性能。設(shè)計(jì)中應(yīng)合理地布置抗側(cè)力構(gòu)件，減少地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng);平面布置宜規(guī)則、對(duì)稱(chēng)，并應(yīng)具有良好的整體性;結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度宜均勻變化，豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和材料強(qiáng)度宜自下而上逐漸減小(不應(yīng)在同一層 同時(shí)改變構(gòu)件的截面尺寸和材料強(qiáng)度)，避免抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載力突變。

　　2.2框架結(jié)構(gòu)宜設(shè)計(jì)成雙向梁柱剛架體系以承受縱橫兩個(gè)方向的地震作用或風(fēng)荷載。特殊情況下也可以采用一向?yàn)閯偧埽�另一向�(yàn)殂q接排架的結(jié)構(gòu)體系。但在鉸接排架方向應(yīng)設(shè)置支撐或抗震墻，以保證結(jié)構(gòu)的承載力、剛度和穩(wěn)定。

　　2.3抗震設(shè)計(jì)的框架結(jié)構(gòu)，不宜采用單跨框架。如果不可避免的話(huà)，可設(shè)計(jì)為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，多層建筑也可僅在單跨方向設(shè)置剪力墻。后者框架結(jié)構(gòu)部分的抗震等級(jí)應(yīng)按框架結(jié)構(gòu)選用，而剪力墻部分的抗震等級(jí)應(yīng)按框架-剪力墻結(jié)構(gòu)選用。

　　2.4框架結(jié)構(gòu)按抗震設(shè)計(jì)時(shí)，不應(yīng)采用部分由砌體墻承重之混合形式。框架結(jié)構(gòu)中的樓、電梯間及局部出屋頂?shù)碾娞輽C(jī)房、樓梯間、水箱間等，應(yīng)采用框架承重，不應(yīng)采用砌體墻承重。

　　2.5小高層結(jié)構(gòu)體系采用框架結(jié)構(gòu)，首先盡可能將過(guò)于狹長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)用伸縮縫脫開(kāi)。如果建筑專(zhuān)業(yè)不允許，可通過(guò)加大端部開(kāi)間的抗側(cè)剛度達(dá)到限制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的目的。具體可將邊框架的角柱斷面增大，加大框架梁的高度，如條件允許，中間增加框架柱，即增加框架的跨數(shù)。這些方法可以顯著增加結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。

　　3 計(jì)算分析和判斷

　　3.1合理性的判斷

　　(1)自振周期：

　　正常情況下，非耦聯(lián)計(jì)算地震作用時(shí)，框架結(jié)構(gòu)基本自振周期:T1=(0.12～0.15)N(N為結(jié)構(gòu)計(jì)算層數(shù))。如果計(jì)算周期偏離上述值太遠(yuǎn)，應(yīng)當(dāng)考慮本工程剛度是否合適，必要時(shí)調(diào)整構(gòu)件截面尺寸。如果構(gòu)件截面尺寸和布置正常，無(wú)特殊情況而計(jì)算周期相差太遠(yuǎn)，應(yīng)檢查輸入數(shù)據(jù)有無(wú)錯(cuò)誤，震動(dòng)模型有無(wú)異常等。

　　自振周期應(yīng)盡可能避開(kāi)場(chǎng)地土卓越周期，否則會(huì)發(fā)生類(lèi)共振。場(chǎng)地土卓越周期是根據(jù)覆蓋層厚度H和土層剪切波速νs按公式T0=4H/νs計(jì)算的周期。塘沽地區(qū)場(chǎng)地土的自振周期為0.8～1.0s。1976年唐山地震中7～10層框架結(jié)構(gòu)(自振周期為0.6～1.0s)破壞非常嚴(yán)重，許多甚至一塌到底。而3～5層的混合結(jié)構(gòu)住宅(自振周期小于0.3s)卻損毀輕微。這說(shuō)明建筑物的自振周期與地面特征周期一致或接近時(shí)，由于共振作用會(huì)使震害更加嚴(yán)重。

　　研究表明，由于土在地震時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為非線(xiàn)性的，在同一地點(diǎn)，地震時(shí)場(chǎng)地的卓越周期并不是不變的，而將因震級(jí)大小、震源機(jī)制、震中距離的變化而不同。

　　《抗規(guī)》GB50011不要求結(jié)構(gòu)自振周期避開(kāi)場(chǎng)地卓越周期。事實(shí)上，多自由度結(jié)構(gòu)體系具有多個(gè)自振周期，不可能完全避開(kāi)場(chǎng)地卓越周期。

　　(2)振型：

　　正常計(jì)算結(jié)果的振型曲線(xiàn)多為連續(xù)光滑曲線(xiàn)，當(dāng)沿豎向有非常明顯的剛度和質(zhì)量突變時(shí)振型曲線(xiàn)可能有不光滑的畸變點(diǎn)。框架結(jié)構(gòu)的基本振型為剪切型。

　　(3)位移：

　　結(jié)構(gòu)的彈性位移角需滿(mǎn)足《抗規(guī)》第5.5.1條的要求。即Δue/h≤[θc]=1/550。此時(shí)位移是在“樓板平面內(nèi)剛度無(wú)限大”假定條件下計(jì)算的，且應(yīng)在單向水平地震作用時(shí)不考慮偶然偏心的影響。如果位移值偏小，則可以減小整體結(jié)構(gòu)剛度。如果位移值偏大，則可以增加整體結(jié)構(gòu)剛度。

　　3.2漸變性的判斷

　　豎向剛度、質(zhì)量變化較均勻的結(jié)構(gòu)，在較均勻變化的外力作用下，其內(nèi)力、位移等計(jì)算結(jié)果自上而下也應(yīng)均勻變化，不應(yīng)有較大的突變，否則應(yīng)檢查結(jié)構(gòu)截面尺寸或輸入數(shù)據(jù)是否正確、合理。

　　3.3平衡性的判斷

　　在重力荷載作用下，柱軸力應(yīng)基本符合近似計(jì)算的結(jié)果。即Ni=qAi。此處q為單位面積重力荷載，對(duì)框架結(jié)構(gòu)約為12～14kN/ m²，對(duì)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)約為13～15kN/ m²，對(duì)剪力墻和筒體結(jié)構(gòu)約為14～16kN/m²。

　　3.4需要注意計(jì)算結(jié)果的如下數(shù)值

　　(1)柱軸壓比：N/ fcbh0。用于限制內(nèi)力，保證延性。一般多層框架結(jié)構(gòu)的柱截面是由水平地震作用下為滿(mǎn)足位移(抗側(cè)力剛度)確定，高層框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的柱截面一般是由柱軸壓比要求確定。

　　(2)剛度比：《抗規(guī)》第3.4.2條規(guī)定。控制剛度比是為了避免豎向剛度突變，形成薄弱層。

　　(3)剪重比：《抗規(guī)》第5.2.5條規(guī)定。目的是為了控制樓層的最小地震剪力，保證結(jié)構(gòu)的安全。

　　(4)位移比：《抗規(guī)》第3.4.3條規(guī)定。控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)程度。避免地震作用下扭轉(zhuǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)造成的不利影響。

　　(5)周期比：多層建筑無(wú)要求，但基本自振周期不能以扭轉(zhuǎn)為主。對(duì)于高層建筑應(yīng)滿(mǎn)足《高規(guī)》第4.3.5條規(guī)定。

　　(6)剛重比：《高規(guī)》第5.4.4條給出了剛重比的限值。控制剛重比的目的是為了控制結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生整體失穩(wěn)。

　　4 產(chǎn)生問(wèn)題的處理措施

　　4.1角柱

　　位于建筑平面的凸角部、與柱的正交兩個(gè)方向各只有一根框架梁與之相連接的框架柱。而位于建筑平面的凹角處，若柱的四邊各有一根框架梁與之相連，則可不按角柱對(duì)待。

　　考慮到角柱承受雙向地震作用，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)內(nèi)力影響較大且受力復(fù)雜等，抗震設(shè)計(jì)中對(duì)其抗震措施和抗震構(gòu)造措施有一些專(zhuān)門(mén)的要求。

　　4.2梁的撓度、裂縫寬度較大

　　當(dāng)梁的撓度不滿(mǎn)足規(guī)范要求時(shí)，可增加梁高或采用梁起拱的措施來(lái)解決。不要增加梁寬或加大縱筋。

　　當(dāng)梁的裂縫寬度不滿(mǎn)足規(guī)范要求時(shí)，首先在保證鋼筋面積不變的情況下鋼筋根數(shù)增加而直徑減小，或者在鋼筋相同外形情況下降低鋼筋級(jí)別。

　　4.3非框架梁箍筋不加密

　　非框架梁主要承受豎向荷載作用，無(wú)抗震設(shè)計(jì)均不考慮延性，梁端箍筋不加密，其箍筋按內(nèi)力計(jì)算確定，不要求135度彎鉤及10倍直徑直段。當(dāng)利用程序自動(dòng)形成施工圖時(shí)應(yīng)選擇非抗震計(jì)算。

　　4.4板縱向受力鋼筋最小配筋率與分布筋、構(gòu)造筋的確定

　　(1)單向板及雙向板的判定：四邊支承的板，當(dāng)長(zhǎng)邊(lx)與短邊(ly)長(zhǎng)度之比小于或等于2時(shí)，應(yīng)按雙向板計(jì)算;當(dāng)長(zhǎng)邊與短邊長(zhǎng)度之比大于2，但小于3時(shí)，宜按雙向板計(jì)算;當(dāng)按沿短邊方向受力的單向板計(jì)算時(shí)，應(yīng)沿長(zhǎng)邊方向布置足夠的構(gòu)造鋼筋;當(dāng)長(zhǎng)邊與短邊長(zhǎng)度之比大于或等于3時(shí)，可按沿短邊方向受力的單向板計(jì)算。

　　(2)荷載分配：假設(shè)四邊簡(jiǎn)支板單位面荷載為q，沿x方向和y方向分配的荷載分別為qx和qy，則：

　　當(dāng)lx/ly=1時(shí)，qx=qy=0.5q

　　當(dāng)lx/ly=2時(shí)，qx=0.0588q qy=0.9412q

　　當(dāng)lx/ly=3時(shí)，qx=0.0122q qy=0.9878q

　　(3)當(dāng)受力方向計(jì)算配筋小于最小配筋率時(shí)，實(shí)配鋼筋應(yīng)不小于最小配筋率，即0.2﹪和45ft/fy﹪中的較大值。與單向板受力筋垂直的鋼筋可按分布筋考慮。

　　(4)分布筋及構(gòu)造筋選用可查手冊(cè)。

　　4.5框架柱混凝土等級(jí)高而梁板混凝土等級(jí)低時(shí)的處理方法

　　考慮施工難度大的因素，不宜采用梁柱節(jié)點(diǎn)局部與柱同等級(jí)混凝土，而宜采用樓板和梁同一強(qiáng)度等級(jí)混凝土。對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)度核算時(shí)，節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土強(qiáng)度可以按提高后的“折算強(qiáng)度”采用。

　　4.6關(guān)于梁柱中心線(xiàn)不重合時(shí)的處理方法

　　《抗規(guī)》第6.1.5條規(guī)定“框架結(jié)構(gòu)和框架-抗震墻結(jié)構(gòu)中，框架和抗震墻均應(yīng)雙向設(shè)置，柱中線(xiàn)與抗震墻中線(xiàn)、梁中線(xiàn)與柱中線(xiàn)之間偏心距不宜大于柱寬的1/4”。

　　《高規(guī)》第6.1.3條“……非抗震設(shè)計(jì)和6～8度抗震設(shè)計(jì)時(shí)不宜大于柱截面在該方向?qū)挾鹊?/4，如偏心距大于該方向柱寬的1/4時(shí)，可采取增設(shè)水平加腋等措施。……”。

　　4.7鋼筋、混凝土等級(jí)的選用

　　鋼筋、混凝土等級(jí)的選用既要考慮滿(mǎn)足規(guī)范基本要求，又要考慮其經(jīng)濟(jì)性。例如框架梁混凝土，選用C20和C40都滿(mǎn)足規(guī)范要求。但是選用C20時(shí)比較經(jīng)濟(jì)。異型柱結(jié)構(gòu)的柱縱筋往往只是構(gòu)造要求，選用HRB335已滿(mǎn)足要求。這種情況下如果選用HRB400則不經(jīng)濟(jì)。