浅谈高层框架结构设计

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摘要：建筑设计不仅须要保证建筑结构的安全，还要考虑其总体的经济效益和使用舒适性。在建筑设计中，建筑框架设计在保证建筑结构安全的前提下，对整个建筑的布局也有一个统筹全面的规划，对实现建筑发挥其最大的使用价值有着至关重要的作用。因此，在此文中，笔者将从个人工作经验出发，具体分析概括一下框架结构设计的几点设计意见。

关键词：柜架结构设计板梁柱基础

从专业的定义讲来，框架结构是指由梁和柱子，以钢接或者铰接相连接的方式来构成承重体系的一种建筑结构，即由梁和柱子组成建筑的基本框架来共同抵抗使用过程中可能出现的水平荷载和竖向荷载。采用结构的房屋墙体在根本上并不是用于承重的，而是仅起到围护和分隔的作用，一般的建筑结构所选用的材料是用预制的加气混凝土、膨胀珍珠岩、空心砖或多孔砖、浮石、蛭石、陶粒等轻质板材等材料砌筑或装配而成。

框架结构设计步骤及要点主要包括：建筑结构的设计依据、建筑的抗震等级和人防等级、具体的地基情况及建筑承载力、防潮抗渗设计方案，所用材料的等级，施工中应该引起注意的事项、选用的详细设计图案、通用详图以及在建筑施工图中未画出而通过文字或者图纸说明来表达的信息。

在建筑结构设计时的具体计算步骤如下：

（1）根据各杆件的线刚度计算各节点的杆端弯矩分配系数，并计算竖向荷载作用下各跨梁的固端弯矩。

（2）计算框架各节点的不平衡弯矩，并对所有节点的不平衡弯矩计进行第一次分配（其间不进行弯矩传递）。

（3）将所有杆端的分配弯矩同时向其远端传递，（对于刚接框架，递系数均取1/2），递系数均取。

（4）将各节点因传递弯矩而产生的新的不平衡弯矩进行第二次分配，使各节点处于平衡状态。至此，整个弯矩分配和传递过程即告结束。

（5）将各杆端的固端弯矩，分配弯矩和传递弯矩叠加。

在建筑结构设计中，最常用的建筑结构是混凝土框架（其方式有现浇整体式、装配式、装配整体式，也可根据具体的需要对建筑结构的梁和板施加预应力）。之所以在建筑结构设计时采用框架建筑设计的原因是：框架结构可以将建筑空间灵活地分隔开来从而方便配合建筑平面布置，利于安排需要较大空间的建筑结构，以达到资源的最大化利用；再者由于其自重轻而有利于抗震，同时也有利于节省建筑材料；建筑框架结构因为梁、柱构件设计的标准化、定型化，便于采用装配的整体式结构，方便统一施工，以缩短施工工期；尤其在采用现浇混凝土框架时，建筑的整体结构和刚度较好，良好的建筑结构设计在一定程度上还做到了抗震的效果。

当然，框架结构体系也不是完美无瑕的美玉。它本身也是存在缺点的，比如：框架结构因为其侧向刚度小，在属性上属于柔性结构框架，在强烈地震作用下，建筑整体结构所产生的水平位移偏大，易造成严重的非结构性破性而损坏建筑结构；另外，因为建筑结构构建的巨大工程量，钢材和水泥用量相应的也很大，机械吊装的次数多，工程之间的接头工作量也大，耗费人力物力，再者，建筑工程作为一种户外活动，其施工工程容易受季节、环境的影响；从定义上可以知道建筑结构框架是由梁柱构成的杆系结构系统，其水平方向上的承载力和刚度都较低。尤其是与各楼层相比而言，由于承重程度的不同，层间变形上小下大，因此，在建筑结构设计过程中如何提高框架的刚度以及如何控制好结构侧移是整个兼职结构设计所考虑当然重要因素。对于钢筋混凝土框架，在建筑高层建筑时，由于其承重过多，其结构底部各层不但柱的轴力很大，而且梁和柱由水平荷载所产生的弯矩和整体的侧移亦显著增加，从而就导致截面尺寸和配筋增大，给建筑平面布置和空间处理带来一些结构性地困难，从而影响建筑空间的最优使用。这些缺点也正是当前建筑结构设计领域的难题，因此，在结构设计方面，规范科学的操作是必要且迫切的。下面，笔者将从建筑结构设计的操作规范角度对建筑结构设计做一些总结。

首先，对于建筑结构设计中梁的要求如下：

截面宽度不宜小于200mm； 截面高宽比不宜大于4；净跨与截面高度之比不宜小于4。其次关于梁宽，在梁宽大于柱宽的扁梁时，楼板应采取现浇的方式，在普遍建筑结构设计时，梁小线最好能与柱中线重合，在布置梁时，采用双向布置的方式，且这种方式并不适用于一级框架结构。在满足现行有关规范对挠度和裂缝宽度的规定的前提下，要做到粱端的纵向受拉钢筋的配筋率最大不能大于2.5%。且包括受压钢筋的梁端混凝土受压区高度和有效高度之比，其中，一级不应大于0.25。二级不应大于0.35。对于按计算确定的梁端截面底面和顶面的纵向钢筋配筋量比值，一级最小0.5，二、三级最小为0.3。对于建筑结构一、二级的框架梁内贯通结构中柱的纵向钢筋的直径和矩形截面柱，不能超过柱在该方向截面尺寸的1/20，如果截面柱是圆形的，最大的纵向钢筋所在位置是柱截面弦长的1/20。

其次，对于建筑结构中柱的要求如下：建筑结构截面的宽度和高度均最小为300mm，圆柱直径最小为350mm。

再次，对于建筑结构中板的要求如下：

板的设计：根据经验，板厚―般取120、140规定的取值范围梁端弯矩的调幅系数取0.85， 在建筑结构设计时，也总会遇到一些建筑技术和建筑环境的特殊情况和难题。下面，我将对一些常见问题进行一下分析。

（1）在建筑结构基础平面设计图上应加指北针。

（2）当结构基础下有防空洞或枯井等时，可采用厚板跨过阻碍的方式越过建筑结构障碍，当然在混凝土基础下要做垫层。

（3）当建筑结构下穿过防水层时，应考虑防水层厚度并依据具体情况设计建筑板的厚度。

（4）当施工的建筑地段较好，并且有大于3米的基础埋深的地段时，应设计为地下室。且地下室应有相同的埋深。因为设置地下室可以降低地基的附加应力，从而能提高地基的承载力（尤其是在周围有建筑时是更实用的），减少地震作用对上部结构的影响。但是也不应设局部地下室。

（5）当地下室底板地基承载力满足设计要求时，可不再外伸来达到防水的目的。在底板上每隔30或40米设一个后浇带，并注明在地下室施工的两个月后会使用微膨胀混凝土浇注。

（6）当地下室外墙为混凝土时，为减少工序、节约资源可减少或取消相应的楼层处梁和基础梁的工程。

（7）抗震缝、伸缩缝在地面以下可以不设计接缝，但是在建筑结构的连接处应加强以保证质量。

（8）出于与周边环境的和谐共建，新建的建筑物基础不能深于周围建筑物的已有基础。但是如果深于周围建筑物的基础，并其两建筑物间的基础净距最小为两者基础之间高差的1.5至2倍，否则必须使用抗滑移桩，防止对周边建筑物造成破坏。尤其是当建筑层数相差较大时，应在层数较低的建筑物的基础方格的中心区域内使用焦碴来调整基底的附加应力保护已有建筑。

对于结构设计员而言，在进行多层框架房屋结构设计时，一方面在掌握设计规范的前提下，还应根据自己在工程设计中所积累的经验，结合设计时所计算的结果选择出最适合的结构体系，正确的处理结构设计中问题，从而提高结构的设计质量。