对高层建筑框架结构设计要点探讨

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摘要：本文结合多年的工作经验对在工程设计实践中的所积累的一些经验，及对结构内力调整的分类和方法，及其内力调整系数进行了归纳分析探讨。

关键词：建筑结构；柱截面; 抗震等级；内力调整

1 框架梁柱截面尺寸的选取及其影响因素

1. 1 框架梁截面尺寸的选取

在近些年来, 在一些设计单位在设计框架梁时，在其高度取值已突破上述规定,一般为跨度的1/ 18～1/15，且已有大量工程实践证明，在现行高层标准规程JGJ3 -2002〔2〕中已规定取跨度的1/ 18～1/ 10.。对于8m左右柱网的一般民用建筑,框架主梁高度取500mm 左右,宽度为350～400mm , 工程实例很多。

1. 2 框架柱截面尺寸的选取及其影响因素

高层建筑中,框架柱所受的轴向力较大。进行框架结构设计时,柱的截面尺寸要根据轴压比限值进行假定。

考虑抗震设计时,框架柱的轴压比要满足下列规定:

式中N ―柱轴力,N =(1. 1 ～ 1. 2)Nv,Nv = 负荷面积×(12 ～ 14) kN/ m2 ;

fc ―混凝土轴心抗压强度设计值; b 、h ―柱截面宽度和高度.。框架柱的轴压比限制条件是要保证柱的延性。

新规程中JGJ3 -2002 相对旧规程JGJ3-91，在柱的最小截面尺寸规定上,已有所降低.。矩形截面柱的边长,非抗震设计时不宜小于250mm , 抗震设计时不宜小于300mm。影响高层框架柱截面尺寸的因素主要是结构的侧移限制条件。高层建筑层数多、高度大,为保证高层建筑具有必要的刚度,应对其层位移加以控制. 这个控制实际是对柱截面尺寸控制的一个相对指标。

在正常使用条件下,限制高层建筑结构层间位移的主要目的有两点〕：

(1) 保证主结构基本处于弹性受力状态,即避免混凝土柱出现裂缝;同时,将混凝土梁等楼面构件的裂缝数量、宽度和高度限制在规范允许范围之内。

(2) 保证填充墙、隔墙和幕墙等非结构构件的完好,避免产生明显损伤。

迄今,控制层间变形的参数有三种:即层间位移与层高之比(层间位移角) 、有害层间位移角、区格广义剪切变形. 考虑到层间位移控制是一个宏观的侧向刚度指标,为便于设计人员在工程中应用,高层规程JGJ3 -2002 采用了层间最大位移与层高之比. 对框架结构,其限值为1/ 550。

因此,选择的柱截面尺寸既满足轴压比规定,又满足层间位移控制条件,是方案设计阶段需慎重处理的一个问题。

由于框架结构的抗侧移刚度较小,当层数较多时,框架柱的截面尺寸常常由侧移限制条件所控制,而框架柱的截面尺寸的增大对抗侧移刚度的贡献又较小,往往造成框架柱的截面尺寸较大,按内力计算的柱配筋常常是按构造配筋,并且过大的柱截面尺寸又影响建筑的合理使用,尤其是高层住宅,10 层左右时取柱截面为800mm×800mm , 墙体厚一般为240mm , 会严重影响住宅的内部布置,当然还有框架梁高的不利影响。

2 结构的内力调整

在高层规程JGJ3 -2002 根据高层建筑的自身特点又做了一些补充规定,增加了特一级。各抗震等级的梁、柱均对组合内力设计值进行不同系数的调整,用来限制大震下塑性铰区出现部位,避免或减少脆性剪切破坏先于弯曲破坏,加强柱根部推迟塑性铰形成,控制倒塌,做到“小震不坏,中震可修,大震不倒”。

2． 1 内力调整的分类

高层建筑结构在荷载作用下,经过结构分析计算,求得各构件的内力标准值,再进行各种修正和调整得到设计值. 内力修正和调整一般分为两类. 第一类属于结构整体内力调整,主要包括:楼层最小地震力限值控制、薄弱层地震剪力放大、框剪结构中框架部分所受地震总剪力的调整及框支转换层中框支柱地震剪力的调整等。这类调整的特点是,在不满足规范的某些规定时才进行调整,而且调整的部位和调整系数的大小一般均需在计算后才能确定。第二类则是梁、柱的构件内力或组合内力的调整. 此类调整的部位明确, 调整系数的大小可根据抗震等级确定。

2． 2 内力调整的方法

在《建筑抗震设计规范》6. 2 条中,给出了各种内力调整的表达式。例如,对框架结构柱端组合的弯矩设计值应符合下式要求：

ΣMc = ηc ΣMb 式中, ΣMc ―节点上下柱截面顺时针或逆时针方向组合的弯矩设计值之和。

ΣMb ―节点左右梁端截面顺时针或逆时针方向组合的弯矩设计值之和。ηc ―柱端弯矩调整系数,一级取1.4 , 二级取1.2 , 三级取1. 1。

这类调整又分以下3种情况:一是如上例,直接在柱端标准内力弯矩组合值上乘以增大系数. 二是对内力组合中的个别工况内力进行调整,例如框支柱的轴力调整只对地震作用下的轴力进行。此时,在对各工况内力组合之前,先把地震轴力进行放大后再组合。三是框架梁的剪力调整,只是对梁两端的固端弯矩引起的剪力进行调整,而对后迭加的竖向荷载引起的简支梁剪力不加调整。

2. 3内力调整系数

按照《建筑抗震设计规范》表6.1.2 , 进行现浇钢筋混凝土房屋抗震等级的划分。根据结构类型、设防烈度和房屋高度,可以决定结构的抗震等级。同抗震等级的内力调整方法和系数,经归纳、整理,对柱、梁的内力调整系数见表1、表2和表3。

表1框支柱设计内力调整系数

注:底层柱弯矩调整,只对底层柱下端和与转换层相连的柱上端,其他部位柱端弯矩调整按其他层柱执行。底层柱剪力调整,只对底层柱和与转换层相连的柱,其也部位柱剪力调整按其他层柱执行。框支柱的轴力调整系数只对地震作用引起的附加轴力进行调整;计算轴压比时可不乘以增大系数。框支角柱内力调整在框支柱基础上乘1. 1.

表2 框架梁、连梁设计剪力调整系数

表3 框架柱、角柱设计内力调整系数

注:设防烈度9 度、一级抗震等级时,框架柱柱端的弯矩调整、梁端剪力调整应按实配钢筋和材料强度标准值来计算。上表中按考虑梁、柱超配系数为1. 1 计算设计值的调整系数。

3箍筋加密

抗震设计中,框架梁的梁端1. 5 h ～ 2 h( h 为梁高) 范围内箍筋需要加密,这是为了使梁端可能产生塑性铰的区域有较好的延性,这也是抗震设计的构造要求。显然,构件除了要满足抗震构造要求外,还需保证在受力状态下的安全,如梁还应满足竖向荷载作用(或与水平荷载组合作用) 下抗剪承载能力的要求,以此确定抗剪箍筋的数量。不少设计人员用程序计算时在加密区1. 5 h ～2 h 长度内满足梁端部受力和构造要求(如箍筋间距取为100mm) ,而在非加密区长度内的箍筋数量则按加密区箍筋数量的50%配置(如箍筋间距取为200mm) ,这是不能保证安全的。分析如下：

框架梁在竖向荷载作用下,剪力图反对称,若中间的箍筋数量按加密区箍筋数量的50 % 配置,则加密区的长度至少需要L/ 4 (L 为梁长)。在一般情况下,梁高h 小于L/8 , 则L/ 4 就大于2h , 加密区长度取2h 就满足不了抗剪的要求。在水平荷载为主要荷载的情况下,剪力图偏于一边,中间部位的剪力一般情况下只比端部最大剪力小20 %～30 %, 有时甚至与端部剪力基本一致,此时梁全长都需要按端部剪力配置箍筋。

因此,设计人员应重视这一情况,最好按端部剪力和梁上荷载计算出中间部分的剪力进行计算配置; 如果简化,为安全起见,应在梁全长范围内都按端部最大剪力配置箍筋,最大间距为100mm(一、二级抗震) 或150mm(三、四级抗震)。

4 结语

对以上的梁柱截面尺寸选择、轴压比限制、侧移控制、箍筋加密及抗震设计内力的调整等几个方面进行了分析探讨总结,供同行设计人员在工程设计中参考应用学习。

注：文章中所涉及的公式和图表请用PDF格式打开

陕西省榆林建筑设计研究院高屿 姬晓鸣