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钢筋混凝土框架结构的设计浅析

信息来源:hunningtu.biz  时间:2009-02-11  浏览次数:136

  [摘要]在我国现在的多高层建筑中,钢筋混凝土结构应用最普遍,其中钢筋混凝土框架结构是最常用的结构形式。依据GB5002022002混凝土结构设计规范和GB5001122001建筑结构抗震设计规范,对抗震等级的选取,振型组合数的合理选取,轴压比限值等问题的计算容易被设计人员,进行初步探讨,并取得较好的效果,可供设计人员参考。
  [关键词]钢筋混凝土框架结构结构设计
  一、概述
  在我国现在的多高层建筑中,钢筋混凝土框架结构是最常用的结构形式。因为其具有足够的强度,良好的延性和较强的整体性,目前广泛用于地震设防地区。
  在多层钢筋混凝土框架结构的设计过程中,笔者通过切身体会,总结归纳了一些不符合规范要求的问题。较常见的有在结构施工图中将场地类别写成了场地土类别,结构设计使用年限与建筑施工图不一致,抗震措施和抗震构造措施不明确,柱纵筋在基础内锚固长度不足,周期该折减而未折减等,应引起足够的重视。
  二、框架结构的耗能机理
  框架结构主要是以压弯构件——竖向框架柱和以弯剪构件——水平框架梁组成的。实际工程计算的例子表明,框架结构的延性很大程度上取决于框架梁和框架柱构件本身的延性和屈服弯矩。
  在地震作用下,框架结构每经过一个循环,加载时先是结构吸收或储存能量,卸载时释放能量,但两者不相等。两者之差为结构或构件在一个循环中的“耗失能量”(耗能),也即一个滞回环内所含的面积。结构吸收的地震能量可以由力——位移曲线所包围的面积来表示。
  三、钢筋混凝土框架结构设计中的两个注意问题
  (一)抗震等级的选取
  对于乙类建筑,建筑抗震设计规范3.1.322规定:地震作用应符合本地区抗震设防烈度的要求,但是抗震措施(主要体现为抗震等级)在一般情况下,当抗震设防烈度为6度~8度时,应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求。实际设计中经常发生抗震等级选错的情况,如:位于8度区的某乙类建筑,应按9度由建筑抗震设计规范表6.1.2确定,为一级抗震等级。
  (二)振型组合数的合理选取
  应按以下规则选取:对于较高层建筑,当不考虑扭转耦联时,振型数应不小于3;当振型数多于3时,宜取为3的倍数(由于程序按3个振型一页输出),但不能多于层数。当房屋层数不大于2时,振型数可取层数。对于不规则建筑,当考虑扭转耦联时,振型数应不小于9,但不能超过结构层的3倍,只有定义弹性楼板且按总刚分析法分析时,才可以取更多的振型。建筑抗震设计规范在条文说明中明确指出:振型数可以取振型参与质量达到总质量90%所需的振型数。
  目前satwe等程序已有这种功能,这是一个重要指标。如:对于某一建筑,选取的振型数为15,但振型参与质量系数只有50%,说明振型数取得不够,可能由于此建筑过于复杂或由于某些杆件不连续导致局部震动引起的,应仔细复核。
  四、独立基础拉梁的问题
  当基础埋置较深,为了减小底层柱计算高度及底层侧向位移,可在±0.000附近设置基础拉梁,但不宜按构造设置,宜按照框架要求设计,应注意此时需将板厚取为0,定义弹性结点,按总刚分析法分析计算,且基础应设成短柱基础。
  五、构造方面的若干问题
  (一)框架梁的通常面积配筋率ρsv不满足规范要求
  GB5001022002混凝土结构设计规范11.3.9明确规定了最小面积配筋率,容易被忽视。如:二级框架,500mm×800mm,C40,非加密区箍筋<8@200,四肢箍要求ρsv≥0.28ft/fyv=(0.28×1.71)/210=0.00228,实际ρsv=(50.3×4)/(200×500)=0.00200<0.00228,不满足设计规范。
  (二)当框架梁端纵向受拉筋配筋率大于2%时,箍筋直径没有增大2mm
  设计中经常碰到梁端纵向受拉筋配筋率大于2%的情况,往往不注意GB5001022002混凝土结构设计规范11.3.623的规定,导致箍筋直径偏小。如:某二级框架梁截面尺寸为250mm×400mm,梁端负筋为4Φ25,混凝土为C30,箍筋为<8@100,可知梁端纵向受拉筋配筋率为(490.9×4)/(250×365)=2.15%>2%,故箍筋直径应至少为10mm,原配箍筋直径偏小。
  (三)框架梁加密区箍筋肢距不满足规范要求
  如:宽300mm框架梁,箍筋为<10@100,两肢箍,此时箍筋肢距为260mm。当抗震等级为1级~3级时,不满足GB5001022002混凝土结构设计规范11.3.8的规定,应在加密区范围内加一根拉筋,成三肢箍,可满足要求。
  (四)框架柱纵筋间距和净距不满足规范要求
  按GB5001022002混凝土结构设计规范10.3.123和11.4.13的规定,框架柱纵筋的净距不宜小于50mm,且当柱截面尺寸大于400mm时纵筋的间距不宜大于200mm。边柱有可能会遇到这种情况,特别是当边跨较长,柱的计算长度较长,沿边跨方向框架的抗侧刚度较弱时。这时框架柱边跨方向计算配筋较大,另一方向配筋较小,如某框架柱高7.0m,截面尺寸为500mm×700mm,短边配8Φ25,长边配4Φ25,两方向均不满足规范要求。
  (五)地下室顶板厚度不够
  按建筑抗震设计规范6.1.4的规定,当作为上部嵌固部位时,应避免开大洞口,采用现浇结构,且板厚不宜小于180mm,实际设计中在此种情况下经常会忽视此条规定,导致板厚偏小。
  (六)短柱位置未明确
  楼梯平台梁或者雨篷梁支撑在框架柱上,容易形成短柱,应按要求全长加密箍筋。框架外围填充墙开窗,由于窗台处砌体对框架柱作用,容易形成短柱,也应全长加密。若不加密,可将砌体墙与框架柱设成柔性连接(如:墙柱之间留有缝隙,填充一些松散材料,但应有钢筋与柱拉结),或从边框梁处出挑挑耳,上砌砌体填充墙,消除对框架柱的作用。
  六、关于框架结构电梯井的问题
  由于在地震作用下高层框架结构的位移较难控制,而多层框架结构的位移控制要比其容易许多,故对于多层的钢筋混凝土框架结构电梯井,完全可以采用框架加填充墙形式,只是这时应加密填充墙构造柱,且应注意加强电梯井周围的框架梁柱的配筋,因其刚度影响在计算中无法反映出来。若要将电梯井做成钢筋混凝土形式,由于井筒会吸收较大地震力,相应减少框架部分吸收的地震力,则框架部分偏于不安全,且井筒基础设计也较为困难,故应对整个结构按有无钢筋混凝土井筒分别计算,取最不利结果配筋,且对井筒墙壁采取做薄墙厚、构造配筋、开竖缝、开计算洞等办法来弱化电梯井刚度。这样的墙体布置,在地震作用下不至于由于电梯井筒的破坏,而导致结构整体丧失稳定性。
  参考文献:
  [1]GB5001022002,混凝土结构设计规范[S].
  [2]GB5001122001,建筑抗震设计规范[S].
  [3]GB5000722002,建筑地基基础设计规范[S].
  [4]龚思礼.建筑抗震设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1994.57273.  [摘要]在我国现在的多高层建筑中,钢筋混凝土结构应用最普遍,其中钢筋混凝土框架结构是最常用的结构形式。依据GB5002022002混凝土结构设计规范和GB5001122001建筑结构抗震设计规范,对抗震等级的选取,振型组合数的合理选取,轴压比限值等问题的计算容易被设计人员,进行初步探讨,并取得较好的效果,可供设计人员参考。
  [关键词]钢筋混凝土框架结构结构设计
  一、概述
  在我国现在的多高层建筑中,钢筋混凝土框架结构是最常用的结构形式。因为其具有足够的强度,良好的延性和较强的整体性,目前广泛用于地震设防地区。
  在多层钢筋混凝土框架结构的设计过程中,笔者通过切身体会,总结归纳了一些不符合规范要求的问题。较常见的有在结构施工图中将场地类别写成了场地土类别,结构设计使用年限与建筑施工图不一致,抗震措施和抗震构造措施不明确,柱纵筋在基础内锚固长度不足,周期该折减而未折减等,应引起足够的重视。
  二、框架结构的耗能机理
  框架结构主要是以压弯构件——竖向框架柱和以弯剪构件——水平框架梁组成的。实际工程计算的例子表明,框架结构的延性很大程度上取决于框架梁和框架柱构件本身的延性和屈服弯矩。
  在地震作用下,框架结构每经过一个循环,加载时先是结构吸收或储存能量,卸载时释放能量,但两者不相等。两者之差为结构或构件在一个循环中的“耗失能量”(耗能),也即一个滞回环内所含的面积。结构吸收的地震能量可以由力——位移曲线所包围的面积来表示。
  三、钢筋混凝土框架结构设计中的两个注意问题
  (一)抗震等级的选取
  对于乙类建筑,建筑抗震设计规范3.1.322规定:地震作用应符合本地区抗震设防烈度的要求,但是抗震措施(主要体现为抗震等级)在一般情况下,当抗震设防烈度为6度~8度时,应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求。实际设计中经常发生抗震等级选错的情况,如:位于8度区的某乙类建筑,应按9度由建筑抗震设计规范表6.1.2确定,为一级抗震等级。
  (二)振型组合数的合理选取
  应按以下规则选取:对于较高层建筑,当不考虑扭转耦联时,振型数应不小于3;当振型数多于3时,宜取为3的倍数(由于程序按3个振型一页输出),但不能多于层数。当房屋层数不大于2时,振型数可取层数。对于不规则建筑,当考虑扭转耦联时,振型数应不小于9,但不能超过结构层的3倍,只有定义弹性楼板且按总刚分析法分析时,才可以取更多的振型。建筑抗震设计规范在条文说明中明确指出:振型数可以取振型参与质量达到总质量90%所需的振型数。
  目前satwe等程序已有这种功能,这是一个重要指标。如:对于某一建筑,选取的振型数为15,但振型参与质量系数只有50%,说明振型数取得不够,可能由于此建筑过于复杂或由于某些杆件不连续导致局部震动引起的,应仔细复核。
  四、独立基础拉梁的问题
  当基础埋置较深,为了减小底层柱计算高度及底层侧向位移,可在±0.000附近设置基础拉梁,但不宜按构造设置,宜按照框架要求设计,应注意此时需将板厚取为0,定义弹性结点,按总刚分析法分析计算,且基础应设成短柱基础。
  五、构造方面的若干问题
  (一)框架梁的通常面积配筋率ρsv不满足规范要求
  GB5001022002混凝土结构设计规范11.3.9明确规定了最小面积配筋率,容易被忽视。如:二级框架,500mm×800mm,C40,非加密区箍筋<8@200,四肢箍要求ρsv≥0.28ft/fyv=(0.28×1.71)/210=0.00228,实际ρsv=(50.3×4)/(200×500)=0.00200<0.00228,不满足设计规范。
  (二)当框架梁端纵向受拉筋配筋率大于2%时,箍筋直径没有增大2mm
  设计中经常碰到梁端纵向受拉筋配筋率大于2%的情况,往往不注意GB5001022002混凝土结构设计规范11.3.623的规定,导致箍筋直径偏小。如:某二级框架梁截面尺寸为250mm×400mm,梁端负筋为4Φ25,混凝土为C30,箍筋为<8@100,可知梁端纵向受拉筋配筋率为(490.9×4)/(250×365)=2.15%>2%,故箍筋直径应至少为10mm,原配箍筋直径偏小。
  (三)框架梁加密区箍筋肢距不满足规范要求
  如:宽300mm框架梁,箍筋为<10@100,两肢箍,此时箍筋肢距为260mm。当抗震等级为1级~3级时,不满足GB5001022002混凝土结构设计规范11.3.8的规定,应在加密区范围内加一根拉筋,成三肢箍,可满足要求。
  (四)框架柱纵筋间距和净距不满足规范要求
  按GB5001022002混凝土结构设计规范10.3.123和11.4.13的规定,框架柱纵筋的净距不宜小于50mm,且当柱截面尺寸大于400mm时纵筋的间距不宜大于200mm。边柱有可能会遇到这种情况,特别是当边跨较长,柱的计算长度较长,沿边跨方向框架的抗侧刚度较弱时。这时框架柱边跨方向计算配筋较大,另一方向配筋较小,如某框架柱高7.0m,截面尺寸为500mm×700mm,短边配8Φ25,长边配4Φ25,两方向均不满足规范要求。
  (五)地下室顶板厚度不够
  按建筑抗震设计规范6.1.4的规定,当作为上部嵌固部位时,应避免开大洞口,采用现浇结构,且板厚不宜小于180mm,实际设计中在此种情况下经常会忽视此条规定,导致板厚偏小。
  (六)短柱位置未明确
  楼梯平台梁或者雨篷梁支撑在框架柱上,容易形成短柱,应按要求全长加密箍筋。框架外围填充墙开窗,由于窗台处砌体对框架柱作用,容易形成短柱,也应全长加密。若不加密,可将砌体墙与框架柱设成柔性连接(如:墙柱之间留有缝隙,填充一些松散材料,但应有钢筋与柱拉结),或从边框梁处出挑挑耳,上砌砌体填充墙,消除对框架柱的作用。
  六、关于框架结构电梯井的问题
  由于在地震作用下高层框架结构的位移较难控制,而多层框架结构的位移控制要比其容易许多,故对于多层的钢筋混凝土框架结构电梯井,完全可以采用框架加填充墙形式,只是这时应加密填充墙构造柱,且应注意加强电梯井周围的框架梁柱的配筋,因其刚度影响在计算中无法反映出来。若要将电梯井做成钢筋混凝土形式,由于井筒会吸收较大地震力,相应减少框架部分吸收的地震力,则框架部分偏于不安全,且井筒基础设计也较为困难,故应对整个结构按有无钢筋混凝土井筒分别计算,取最不利结果配筋,且对井筒墙壁采取做薄墙厚、构造配筋、开竖缝、开计算洞等办法来弱化电梯井刚度。这样的墙体布置,在地震作用下不至于由于电梯井筒的破坏,而导致结构整体丧失稳定性。
  参考文献:
  [1]GB5001022002,混凝土结构设计规范[S].
  [2]GB5001122001,建筑抗震设计规范[S].
  [3]GB5000722002,建筑地基基础设计规范[S].
  [4]龚思礼.建筑抗震设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1994.57273.

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