高烈度区多层钢筋混凝土框架结构设计分析
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[摘要] 在抗震设防高烈度区，由于地震作用很大，多层钢筋混凝土框架结构设计难度较大，本文通过一个工程实例，分析了多层钢筋混凝土框架结构设计需要考虑的几个要点，从位移角限值、结构方案布置、侧向刚度调整、计算参数控制等方面进行分析和探讨。
[关键词] 高烈度;多层;框架;设计
中图分类号： TU318 文献标识码： A 文章编号：
在我国，混凝土框架结构形式被普遍应用于各种多层建筑中，框架结构具有建筑平面布置灵活、空间尺度容易实现、改造余地大等特点。
在抗震设防高烈度区（以下称高烈度区，主要指8度（0.20g）、8度（0.30g）及以上地区），由于地震作用很大，使得即便是结构总高度在20m以下的多层建筑，其结构设计也变得比较困难。本文通过一个工程实例，分析了多层钢筋混凝土框架结构设计需要考虑的几个要点，从位移角限值、结构方案布置、侧向刚度调整、计算参数控制等方面进行分析和探讨。
一、工程实例
某建筑主体层数五层，功能主要为办公。结构形式为钢筋混凝土框架结构，主要柱网尺寸为8mx8m。总长57.2m，总宽为18.5m。一层层高3.6m，二层、三层、四层层高3.5m，五层层高3.6m。总高度17.7m。楼板采用现浇钢筋混凝土楼盖主次梁形式，板厚120mm。抗震设防烈度为8度（0.20g），设计地震分组为第一组，框架抗震等级为二级，场地类别Ⅱ类，抗震设防类别为丙类建筑。主要框架柱截面尺寸：角柱700mm×750mm，中柱550mm×700mm，主要框架梁截面尺寸400mm×700mm，350mm×650mm。
材料：柱混凝土强度等级为C40，梁、楼板、楼梯的混凝土为C35。钢筋：选用HRB400级钢筋。填充隔墙：采用加气混凝土砌块，强度MU5.0，砂浆M5.0。
计算采用PKPM 软件SATWE（2010版），最大层间位移角：X向1/ 560，Y向1/ 559。底层柱最大轴压比0.45，最小轴压比0.33。
二、设计要点及措施
作为建筑抗震设防三个水准的要求之一,结构弹性层间位移的限值,是保证结构在多遇地震作用下,建筑主体结构不受损坏，非结构构件(包括维护墙、隔墙、幕墙、内外装修等) 没有破坏并导致人员伤亡,保证建筑的正常使用功能的基本控制指标。根据《建筑抗震设计规范》表5.5.1中，规定钢筋混凝土框架结构弹性层间位移角限值为1/550。
通过以上工程实例及其他类似的高烈度区多层框架结构设计中，笔者发现多层框架结构柱截面的控制基本不是轴压比控制，框架梁的截面尺寸也均大于在非高烈度区时。框架柱、框架梁截面尺寸的取值主要是为了提高结构整体刚度, 以便在水平地震力的作用下，满足《建筑抗震设计规范》对结构弹性层间位移角限值的要求。如果在设计过程中，没有采取其他措施，只是一味的增加梁柱截面尺寸，过大的梁、柱尺寸不仅会影响建筑使用，也会导致设计保守，不够经济的后果。
因此我们在设计过程中，要从结构方案调整、材料选取、计算参数控制等方面采取措施，高烈度区下进行框架结构的合理设计。
（1）结构方案平面竖向布置合理。
建筑物的体形设计对抗震设计至关重要，尤其在高烈度地震区。造型新颖的结构，其平面立面往往不规则，平面上的凹进凸出，立面上的错落有致，容易形成结构某些部位刚度和强度上的突变，引起应力集中和变形集中，形成薄弱部位，往往造成比较严重的灾害。同时建筑物体形的规则与否，将直接影响抗侧力构件布置时的合理有效，从而影响建筑造价。例如楼板平面开洞过大，开洞总面积超过楼面面积的30%，按照《建筑抗震设计规范》3.4.3条，应列为楼板局部不连续的不规则类型中。在高烈度区，计入楼板局部变形的影响。
另外建筑过于狭长的矩形平面，其侧向刚度难以符合规范要求，在必要的情况下需要在适当部位设置抗震缝划分成接近方形的平面，对位移控制更为有利,同时在抗震分析上,扭转效应可相应减小,最大位移与平均位移比值也容易控制。
（2）平面两个方向的侧向刚度接近。
由于场地限制及建筑方案的规定下，不宜设置抗震缝，导致结构平面形状经常为矩形，导致平面X、Y两个方向的侧向刚度不宜接近。因此在设计过程中，通过调整框架柱、框架梁在X、Y两个方向不同的截面尺寸，实现两个方向侧向整体刚度的平衡。以达到以最经济的截面尺寸，控制两个方面最大层间位移角，减小结构的扭转的影响。
如本文中所列举的工程实例。X向总长57.2m，Y向总宽为18.5m。而框架柱截面尺寸除角柱外，其余中柱及边柱为550mm×700mm。减小X向柱截面尺寸，增大Y向柱截面尺寸。以减小X向的侧向刚度，增大Y向的侧向刚度，使两个方向侧向刚度接近，减小结构的扭转影响。
（3）提高最大位移发生区域角部的局部刚度。
为了满足建筑净高的要求和对结构经济性的控制,不可能也没有必要为控制位移将整体结构的框架柱和框架梁的截面都设计的很大。根据多个工程实例可得出以下结论：多层框架结构的最大层间位移角多出现在结构的第2、3 层,且控制点均在远离结构刚度中心的角柱。
由于最大弹性层间位移角限值是多遇地震作用标准值产生的楼层内最大的弹性位移与楼层层高的比值,因此最需要控制好最大位移发生区域的刚度,进而直接控制最大层间位移角。那么在设计过程中，需要采取的措施是增大角柱的截面尺寸，以及增大与角柱相连的两个方向的边框梁的截面尺寸,这样一般既不会影响建筑的功能和使用,还可直接增加角区的刚度，减少角区的位移值。此外如果建筑容许,在角区局部增设框架柱,即增加框架的跨数,提高角部边框梁的线刚度,也是减少角区位移值的有效方法。
本工程实例中采取了增加角柱的截面尺寸，以及在角区增设框架柱来替代楼梯梯柱的方法，增加了角布区域的刚度，从而控制了层间位移角。
（4）合理设置结构计算的设计参数。
目前结构计算都是使用PKPM等相应的计算软件，而各种软件为适应各类不同的工程，设计参数都有一定选取范围，并且都设置了默认值，这就需要结构设计师们在规范允许的范围之内选取用合理的参数。
例如对大多数框架结构而言，考虑到填充墙对建筑结构自振周期的影响，《高层建筑混凝土结构技术规程》第4.3.17 条要求，在非承重墙体为填充砖墙情况下，应对高层建筑的计算自振周期进行折减，在多层混凝土结构中也同样存在这种情况。规范建议框架结构可取0.6～0.7，并表明对采用其他非承重墙体时，可根据工程情况确定该系数。在高烈度区，为了减轻结构的地震作用，在多层框架结构设计时，应尽可能采用空心轻质填充墙，减轻结构自重。该折减系数可取0.8左右，不宜折减太多。
三、结语
在高抗震烈度区多层框架结构设计应注意以下几点：(1)层间位移角是控制框架柱截面尺寸的主要因素；(2) 合理的建筑物平面竖向布置，对抗震设计至关重要；(3)调整平面两个方向的侧向刚度，提高最大位移发生区域角部的局部刚度，是调整弹性位移角的关键；（4）合理设置结构计算的设计参数。
参考文献
[1] GB50011- 2010,建筑抗震设计规范
[2] JGJ3- 2010,高层建筑混凝土结构技术规范