浅谈多层混凝土框架结构设计

摘要：钢筋混凝土结构是由钢筋和混凝土两种性质截然不同的材料组成的,因其具有诸多的优点而广泛应用于土木工程中。钢筋混凝土框架结构是由楼板、梁、柱及基础4种承重构件组成的，由主梁、柱与基础构成平面框架，各平面框架再由连续梁连接起来而形成的空间结构体系。在合理的高度和层数的情况下，框架结构能够提供较大的建筑空间，其平面布置灵活，可适合多种工艺与使用功能的要求。


一、结构设计原则
1.1结构的整体性原则
多层建筑结构中，楼盖对于结构的整体性起到非常重要的作用，它不仅聚集和传递惯性力到各个竖向抗侧力子结构，而且要使这些子结构能协同承受地震作用，特别是当竖向抗侧力子结构布置不均匀或布置复杂或各抗侧力子结构水平变形特征不同时，整个结构就要依靠楼盖使各抗侧了子结构能协同工作。楼盖体系提供足够的面内刚度和抗力，并与竖向各子结构有效连接，当结构空旷、平面狭长或平面凸凹不规则或楼盖开大洞口时，更应特别注意；多、高层建筑结构基础的整体性以及基础与上部结构的可靠连接是结构整体性的重要保证。
1.2结构简单性原则
结构简单是指结构具有直接和明确的传力途径，结构的计算模型、内力和位移分析以及限制薄弱部位出现都易于把握。在荷载作用下，结构的传力路线越短、越直接，结构的工作效能越高，所耗费的建材也就越少。
1.3结构的规则和均匀性原则。
沿建筑物竖向，建筑造型和结构布置比较均匀，避免刚度。承载能力和传力途径的突变，以限制结构在竖向某一楼层或极少数几个楼层出现敏感的薄弱部位，这些部位将产生过大的应力集中或过大的变形，容易导致结构过早倒塌；建筑平面比较规则，平面内结构布置比较均匀，使建筑物分布质量产生的地震惯性力能以比较短和直接的途径传递，并使质量分布与结构刚度分布协调，限制质量与刚度之间的偏心。
二、重要设计参数的选取
《建筑抗震设计规范》第3.6.4条指出，建筑结构抗震设计应按照楼、屋盖在平面内变形情况确定为刚性、半刚性和柔性的横隔极，再按抗侧力系统的布置确定抗侧力构件间的共同工作并进行各构件的地震内力分折并经判断确认其合理、有效后方可用于工程设计。
为了分析判断计算机计算结果是否合理，结构设计计算时，除了有合理的结构方案、正确的结构计算简图外，正确填写抗震设防烈度和场地类别，合理选取电算程序总信息中的其他各项参数也是十分重要的。
2.1结构的抗震等级的确定
在工程设计中，多数房屋建筑按其抗震设防分类属于丙类建筑，如民用住宅、办公楼及一般工业建筑等等，其抗震等级可根据烈度、结构类型和房屋的高度按《建筑抗震设计规范》表6.1.2确定。而电讯、交通、能源、消防和医疗等类建筑以及大型体育场馆、大型零售商场等公共建筑，首先，应当根据《建筑抗震设防分类标准》(gb50223-95)确定其中哪些建筑属于乙类建筑(可能还有甲类建筑，本文不涉及)。乙、丙类建筑，地震作用均按本地区抗震设防烈度计算。对于乙类建筑，一般情况下，当抗震设防烈度为6～8度时，抗震措施应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求。
2.2合理确定地震力的振型组合数
地震力的振型组合数，对多层建筑，当不考扭转耦联计算时，至少应取3；当振型数多于3时，宜取3的倍数，但不应多于层数；当房屋层数≤2时，振型数可取层数。对于不规则的结构，当考虑扭转耦联时，对多层建筑，振型数应取≥9；结构层数较多或结构刚度突变较大，振型数应多取，如结构有转换层、顶部有小塔楼、多塔结构等，振型数应取≥12或更多，但不能多于房屋层数的3倍；只有当定义弹性楼板，且采用总刚分析，必要时，振型数才可以取的更多。《建筑抗震设计规范》指出，合适的振型个数一般可以取振型参与质量达到总质量的90%所需的振型数。sat we等电算程序已有这种功能，可以很方便地输出这种参与质量的比值。有些设计人员不大重视电算程序使用手册的应用，选取振型数时比较随意，这是需要应当改进的。此外，由耦联计算的地震剪力通常小于非耦联计算，仅当结构存在明显扭转时才采用耦联计算，但非耦联计算往往是不可缺少的。
2.3结构周期折减系数的确定
框架结构及框架-抗震墙等结构，由于填充墙的存在，使结构的实际刚度大于计算刚度，计算周期大于实际周期，因此，算出的地震剪力偏小，使结构偏于不安全，因而对结构的计算周期进行折减是必要的，但对框架结构的计算周期不折减或折减系数取得过大也是不妥当的。对框架结构，采用砌体填充墙时，周期折减系数可取0.6～0.7；砌体填充墙较少或采用轻质砌块时，可取0.7～0.8；完全采用轻质墙体板材时，可取0.9。只有无墙的纯框架，计算周期才可以不折减。
2.4框架梁、柱箍筋间距的确定
《建筑抗震设计规范》第6.3.3条及6.3.8条对不同抗震等级的框架梁、柱箍筋加密区的最小箍筋直径和最大箍筋间距做出了明确规定。根据这些规定，工程设计中习惯上常取梁、柱箍筋加密区最大间距为100mm，非加密区箍筋最大间距为200mm。电算程序总信息中通常也内定梁、柱箍筋加密区间距为100mm，并以此为依据计算出加密区箍筋面积，由设计人员据规范确定箍筋直径和肢数。
对于框架柱，当框架内定柱加密区箍筋间距为100mm时，在某些情况下，亦可能因非加密区箍筋间距采用200mm引起配箍不足。因此，我们也建议程序内定柱的箍筋间距改为取柱的非加密区的箍筋间距200mm及某些特殊要求。
这里需要指出的是，梁、柱箍筋非加密区配箍验算时可不考虑强剪弱弯的要求，即剪力设计值取加密区终点处外侧的组合剪力设计值，并且不乘以剪力增大系数。当然，如果电算程序能同时给出梁、柱箍筋加密区和非加密区的箍筋面积，则于设计者应更加方便了。
2.5框架梁刚度的放大系数的取值应合理
在用tat或satwe等电算程序进行框架整体计算时，框架梁刚度的放大系数应根据楼面的结构形式合理确定。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(jgj3-2002)第5.2.2条的规定，对于现浇楼面和装配整体式楼面，框架梁(包括中梁及边梁)可考虑翼缘的作用，刚度放大系数可取1.3～2.0，进行分析计算；而对于无现浇面层的装配式结构，可不考虑框架梁刚度的放大。在工程设计过程中，这一点很容易被有些设计人员忽视，要特别注意这一点。
2.6地下室层数的输入处理
多层框架结构房屋也有设置地下室的。由于隔墙少，常采用筏板式基础。在电算时，应将地下室层数和上部结构一起输入，并在总信息中按实际的地下室层数填写。这样，计算地基和基础底板的竖向荷载可以一次形成，并且在抗震计算时，程序会自动对框架底层柱底截面的弯矩设计值乘以增大系数。同时通过对层侧移刚度比的分析比较，还可以正确判断和调整房屋的嵌固位置，并采取相应的抗震构造措施，保证楼板有必要的厚度和最小配筋率等等；当结构表现为竖向不规侧时，不仅要验算薄弱层，而且还要对薄弱层的地震剪力乘以1.15的增大系数。如果在结构总体计算时，总信息中填写的地下室层数少于实际输入的层数，弯矩设计值增大系数将会乘错位置，从而在发生地震时，会使极易发生震害的底层柱底部位因抗震能力降低而破坏。
三、结论
总而言之，在框架结构设计中，不论工程简单还是复杂，其实终究是由梁、柱、板形成的基本单元组合而成，因此我们在设计过程中对梁、柱、板以及结构体系中的一些注意点应该有清晰的认识，使设计的工程既经济又合理。