关键词:多层框架房屋结构设计钢筋混凝土荷载计算
前言
钢筋混凝土多层框架结构由于具有结构传力明确、结构灵活、整体性强、抗震能力强等诸多优点,因此被广泛应用于现代建筑中。虽然该种结构形式看上去比较简单,但是在设计时,若把握不好,将会出现很多问题,以下是笔者根据多年的设计经验总结出来的几个多层框架结构设计中值得我们思考的问题,以供大家参考。
一、基础的选型
1.设计荷载取值
通常情况下,多层框架房屋采用的是柱下独立基础的形式,而《抗震规范》中明确指出,在地基的主要持力层没有软弱粘性土层的情况下,当建筑高度在25米以内且层数在8层以内的一般房屋建筑,可以不对地基和基础的抗震承载力进行验算。但是在进行基础设计时应该要将风荷载考虑进去。所以,不能因为一般建筑在地震区风荷载不是控制荷载而忽略了。还有些设计师在进行独立基础设计时,柱脚内力设计值取值不合理,只对轴力与弯曲采取了设计值,而未能考虑剪力,还有些甚至只取了轴力设计值。若独立基础的设计荷载取值不合理,将会导致建筑结构的不安全或者材料浪费。
2.基础拉梁层的计算模型问题
基础拉梁层进行框架整体计算一般都是采用TAT或者SATWE等程序,由于基础拉梁层无楼板,因此计算时楼板厚度应取零,并且定义弹性节点,分析计算式应该采用总刚分析方法。另外尤其是要注房屋平面不规则这一点。
二、基础拉梁设计问题
当多层框架房屋基础埋深较大时,可以在±0.000以下的合适的位置设置基础拉梁,以减小底层柱的计算长度以及底层位移。设计时可按照框架梁的要求,按照规范要求设置箍筋加密区。以抗震的角度来考虑,应该采用短柱基础方案。通常情况,若独立基础埋置深度较小,或者以前埋置较深且已经采用了短柱基础,但是当地基不良或者柱子荷载差异较大时,可设置构造基础拉梁,其方位为沿着两主轴方向。基础拉梁的截面尺寸为:宽、高分别为1/20～1/30,1/12～1/18倍柱中心距。而构造基础拉梁的截面的宽、高则可以可取其下限值,也就是1/30与1/18柱中心距离,纵向受力钢筋计算时则可以取其连接的柱子最大轴力设计值的十分之一,构造配筋的配筋率必须满足规范要求,同时,还要保证不得小于上下各2φ14,钢筋直径不得小于φ8mm,间距为200mm。当填充墙或者楼梯柱直接支撑于拉梁上时,则应该将拉梁的界面适当的增大,其配筋也应该适当的增加。若框架底层高度不高或者基础过去埋深不大时,可以利用拉梁平衡柱底弯矩,这时应该将基础拉梁的结构尺寸设计大点。此时,应正弯矩钢筋全跨拉通,而负弯矩钢筋至少应在半跨拉通。其余要求均与上部框架梁完全相同。
三、框架结构带楼电梯小井筒
井筒将会吸收地震剪力,以至于框架结构承受的地震剪减小。因此框架结构应该尽可能的不要设置钢筋混凝土楼电梯小井筒。若实在不可避免时,应该适当的减薄井筒的壁厚,并且可以通过竖缝,结构洞等方法将其刚度减弱。计算时,除按框架计算外,还应该按照带井筒的框架进行复核,并且将与井墙连接的柱子的配筋进行加强。另外,尤其要注意,出屋顶的楼电梯间与水箱间等结构物的承重结构必须采用框架梁结构,而不能采用砌体墙;雨篷等构件不能够从承重墙挑出,而是应该从承重梁上挑出;楼梯梁与夹层梁等不可以支承于填充墙上,而应该由承重柱来支承。
四、结构计算中几个重要参数选取问题
《抗震规范》中明确指出,采用计算机计算出来的所有结果,都必须在经过对其合理性、有效性认真分析判断后才能适用于工程设计。一般,电算的结果主要包括结构的自振周期,楼层弹性层间位移、楼层地震剪力系数、楼层的弹塑性层间位移。楼层的侧向刚度比,振型参与质量系数,墙和柱的轴压比及墙、柱、梁和板的配筋,底层墙和柱底部截面的内力设计值。框架—抗震墙结构中抗震墙承受的地震倾覆力矩与总地震倾覆力矩的比值。要想对电算结果的合理性有一个正确的判断,这就要求计算时必须选用正确的计算简图与合理的结构方案,还得分别将抗震设防烈度以及场地类别正确的输入,除此之外,还必须将电算程序中的其他参数准确合理的输入。
1.结构的抗震等级的确定
在建筑工程设计中,按照抗震设防来分类,一般的房屋住宅建筑、公寓、办公楼等,很多房屋建筑是属于丙类建筑。当我确定这些建筑的抗震等级时,通常是根据本地区的抗震设防烈度、结构类型以及建筑高度,来查《抗震规范》中的6.1.2表来确的。但是对于交通、电讯、消防、能源以及医疗类建筑,大型商场与体育场馆等公共建筑,首先,就应该确定其中哪些建筑物是乙类建筑。我们通常按照抗震设防烈度来计算乙、丙类建筑的地震作用。通常情况,乙类建筑,当抗震设防烈度在6～8度时,应该采取抗震措施。一般是在本地区的抗震设防烈度的基础上再增加一度,再查表来确定其抗震等级。若该乙类建筑处于7度地区,而其高度又超过规定的范围,此时,就应该采取更为有效的其他抗震措施。
2.地震力的振型组合数
多层建筑结构,若不需要进行扭转耦联计算,其地震力的振型组合数不应小于3;若振型组合数大于3,则应该取3的倍数,但与小于建筑物的层数;若房屋层数少于3层,振型组合数就取层数。不规则的高层建筑,当需要考虑扭转耦联时,其振型数不应小于9。建筑结构层数比较多或者其刚度变化较大时,其振型组合数应越大,比如有转换、小塔楼等建筑,其振型组合数不应小于12,但是也不得多于3倍层数。我们一般可以采取振型参与质量为总质量的90%时所需要的振型数作为合适的振型数。在应用SATWE等程序进行电算时,便可以将这种参与质量的比值输入进去。但是,有些设计人员重视程度不够,往往比较随意的选取振型数,这是不行的。另外,只有在建筑结构的扭转比较明显时,才采用耦联计算,若必要时还是需要补充非耦联计算。
3.结构周期折减系数的确定
框架结构建筑结构中,因为存在填充墙,其实际刚度往往比计算刚度大。计算周期比实际周期大,因而,计算出来的地震剪力偏小,显得结构的安全性较差,所以应该对结构的计算周期进行适当的折减,但是折减系数不得过大。若框架结构采用砌体填充墙,则其计算周期折减系数为0.6～0.7;若采用轻质砌体或者砌体填充墙较少则可取0.7～0.8;当全部用轻质墙体板材时,折减系数为0.9。而只有无填充墙的纯框架,才可以不进行计算周期折减。
五、结语
随着我国建筑行业的发展,钢筋混凝土多层框架结构由于具有结构传力明确、结构灵活、整体性强、抗震能力强等诸多优点,因此被广泛的应用于现代建筑中。虽然,其结构形式看上去比较简单,但是设计时若考虑不周全、不仔细就会出现这样或者那样的错误,给建筑工程的建设造成不良的影响,有些错误甚至会给建筑结构的安全造成影响,因此我们在进行设计时,必须针对以上问题逐一进行落实,确保建筑结构设计质量。
参考文献：
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[2]程伟权,张文光.浅析建筑全框架结构及框剪结构设计布置[J].今日科苑,2009,(2).
[3]曹长龙.多层钢筋混凝土框架结构设计探讨[J].河南建材,2008,(6).
【关键词：】多层框架；房屋建筑；结构设计
引言
框架结构是人们追求大空间、低成本的建筑空间的产物，满足了人们不断追求使用个性化的要求。框架形式多样，在建筑中等跨或不等跨、层高各异、抽梁抽柱等，为建筑提供了灵活的使用空间，同时框架结构的承载力较低，属于柔性结构，自振周期较长，地震反应较小，经过合理的布局和结构设计可以具有较好的延性性能。框架结构的这些优点，促进了其在住宅、公共建筑等方面的发展。
1多层框架房屋建筑结构设计研究现状和优缺点分析
1.1框架结构的定义及设计研究的现状
（1）框架结构的定义
框架结构主要是指由立柱和横梁组成的杆件体系，其节点全部或大部分为刚架或铰接。框架结构主要用于多层住宅、办公楼、厂房、旅馆等，其特点是双向柱网拉接，也可局部抽梁或抽柱。框架结构的种类按不同的标准可分为不同的类型，按照施工方法可以分为装配式、整体式和装配整体式，按照楼层数可分为单层、多层和高层，另外框架结构的布置方式主要包括横向承重、纵向承重和纵横双向承重。
（2）框架设计研究的现状
目前，框架结构设计的研究主要侧重于设计的计算理论、计算机软硬件、材料研究和结构型式等方面。
设计的计算理论方面，基于概率论和数理统计分析的可靠度理论有待完善，混凝土的微观断裂机理和多轴强度理论、非线性变形的计算理论等方面突破不够；计算机软硬件方面。随着计算机的普及和功能的多样化，各类结构CAD软件系统的开发及应用，使建筑结构设计的时间和工作量减少，从而提高经济效益；材料研究方面，目前主要侧重于研究易成型、耐久、高强的高性能混凝土和高强、防腐、延性好的钢筋；结构型式方面。预应力混凝土结构由于抗裂性好、高强度材料利用程度高而发展迅速，高性能新型组合结构由于材料强度利用充分、延性好、施工简单而得到广泛应用。
1.2多层框架房屋建筑结构设计优缺点分析
（1）框架结构的优点
框架结构的优点主要体现在：第一，结构轻巧，便于布置。框架结构的空间分隔比较多样，可以灵活地配合建筑平面布置，有利于安排需要较大空间的建筑结构；第二，框架整体性较好。相比于砖混结构和内框架结构，多层框架结构的整体性更好；第三，能形成大的使用空间。建筑平面的布置更加灵活，方便安排较大的空间结构；第四，施工方便。框架结构的梁、柱构件易于标准化、定型化，便于采用装配整体式结构，施工更方便；第五，造价、成本低。多层框架结构自重轻，节省材料，施工方便，便于缩短施工工期，降低施工成本。
（2）框架结构的缺点
框架结构虽然存在诸多优点，但是也存在着一些局限性，其主要表现在以下两个方面：第一，建筑高度受限：多层框架结构灵活性较强，但是不应用于高层建筑；第二，抗震性能低：框架结构节点应力集中显著，框架结构的侧向刚度小，属柔性结构框架，在强烈地震作用下，结构所产生水平位移较大，易造成严重的非结构性破坏，因此，在抗震要求比较高时，选择框架结构及其设计要谨慎。
2多层框架房屋建筑计算方法
2.1竖向荷载作用下内力计算
内力计算时，在竖向荷载作用下框架结构的内力可用分层法、弯矩二次分配法等近似方法计算。分层法在分层计算时，将上、下柱远端的弹性支承改为固定端，同时将除底层外的其他各层柱的线刚度乘以系数0.9，相应地柱的弯矩传递系数由1/2改为1/3，底层柱和各层梁的线刚度不变且其弯矩传递系数仍为1/2。弯矩二次分配法是先对各节点的不平衡弯矩都进行分配（其间不传递），然后对各杆件的远端进行传递。分层法和弯矩二次分配法的计算精度较高，可用于工程设计。
2.2水平荷载作用下内力计算
水平荷载作用下框架结构内力可用D值法、反弯点法等简化方法计算。各种计算方式中D值法的计算精度较高，但当梁、柱线刚度比大于3时，反弯点法也有较好的计算精度。D值是框架结构层间柱产生单位相对侧移所需施加的水平剪力，可用于框架结构的侧移计算和各柱间的剪力分配。D值是在考虑框架梁为有限刚度、梁柱节点有转动的前提下得到的，故比较接近实际情况。柱的反弯点是D值法的特例，反弯点位置也可根据以下规律确定：影响柱反弯点高度的主要因素是柱上、下端的约束条件。柱两端的约束刚度不同，相应的柱端转角也不相等，反弯点向转角较大的一端移动，即向约束刚度较小的一端移动。
2.3软件辅助计算
在手算前，用广厦结构CAD等软件对初选方案进行结构刚度、效应分析、杆件内力标准值的计算，基本掌握模型建立、荷载输入、参数确定、整体计算、结果分析等各重要环节。如若电算通过，则继续进行手算；若不通过，则应变换截面尺寸，直至电算通过。此外，还可利用SAP2000等数值分析软件，对设计方案进行建模模拟，验算内力、变形等。
3多层框架房屋建筑结构设计实例分析
3.1多层框架房屋建设结构设计原始资料
某办公楼建筑，室外气温：年平均气温最冷月份-20℃，年平均气温最高月份25℃；冻土深度：最大冻土深度为1.2m；基本雪压：0.40kN/m2；基本风压：0.25kN/m2；地质资料：20m以上为轻亚粘土，f=210kPa，地下水位深18m。抗震设防烈度为Ⅶ度，设计基本地震加速度值为0.10g，场地设计分组为第三组，场地土类型为Ⅱ类。地面粗糙度类别C类。建筑场地：70m×40m。
提供的建筑材料：钢筋：HPB300级，HRB335级，HRB400～HRB500级。混凝土：C30～C40。砌体（填充墙）：加气砌块、空心砌块，强度等级≥MU7.5（加气砌块、空心砌块容重不大于8kN/m3），采用M7.5混合砂浆砌筑。焊条：HPB300级（准）级钢筋用E43××焊条，HRB400级（准）级钢筋用E60××焊条。
3.2多层框架房屋建筑物组成及功能要求
办公大楼拟建6层总建筑面积3000～5000m2左右。其中办公室：35～45m2左右，50个左右；会议室：80～90m2左右，2个，分布在上部。设电梯一部，入口门庭两层通高。要求采用框架结构，建筑设计要求有标志性并体现时代气息。建筑物防火等级为二级。
3.3多层框架房屋建筑结构设计步骤
（1）建筑设计部分
平面设计：合理确定平面柱网尺寸；布置房间；确定楼（电）梯数量、位置及形式；满足室内采光、通风要求。剖面设计：确定合理层高；给出楼（地）面、屋面、墙身工程做法。立面设计：建筑风格、造型应富有创意，有时代感。要求完成的建筑施工图有：首层平面图（1：100）；标准层平面图（1：100）；建筑详图（50或1：25）；立面图（1：100或1：50）：正立面、侧立面；剖面图（1：100或1：50，剖切位置必须在楼梯部位）；建筑设计说明书（在建筑设计说明中，应说明自己所选取的方案的设计意图，注意从平、立、剖等方面分别说明）。
（2）结构设计部分
首先，结构选型方面，可以根据建筑设计方案及设计原始资料，选择适当的结构体系；其次，确定承重方案，框架结构的平面布置形式非常的灵活，按照承重方式的不同分为横向框架承重方案、纵向框架承重方案、纵横向框架混合承重方案三种类型；最后，合理进行结构布置，可以先确定柱在平面上的排列方式，一般柱网有内廊式和等跨式两种，确定好排列方式后，再合理布置结构构件，初步确定材料强度等级及构件截面尺寸。要确定构件的截面尺寸，只能先估算，等构件的内力和结构的变形计算好后，如果估算的截面尺寸符合要求，便以估算的截面尺寸作为框架的最终截面尺寸。如果所需的截面尺寸与估算的截面尺寸相差很大，则要重新估算和重新进行计算。结构内力分析及构件设计：根据现行国家设计规范，计算结构荷载及地震作用；手算完成结构一个主轴方向的内力分析，进行框架梁、柱、的内力组合，完成构件截面设计；同时，可采用工程设计软件计算结构构件的内力及配筋，进行正误对比（如图2为某工程卫生间处错误配筋图和卫生间处正确配筋图），并与手算结果进行对比分析，以选择出更合理有效的正确配筋图，完善设计内容。同时，完成楼梯梯板梯梁、附属结构级细部大样的计算和配筋，组合好后绘制结构施工图。
4结束语
随着社会发发展，人们在生产和生活过程中，对大空间的要求越来越高，同时又希望最大化的节约成本，而多层框架房屋建筑结构具有大空间、布局灵活、节省材料的特点，恰好可以满足人们个性化的要求，因此框架结构的设计研究具有广阔的前景。但是发展和研究的过程中，必然会遇到困难，比如在设计中会遇到一些规范或规程未论及的问题，这就需要专业设计人员不断探索、积累经验，设计出理想的多层框架房屋建筑结构，从而促进我国建筑行业的良性发展，也体现出这一课题的现实意义。
参考文献
[1]熊丹安.建筑设计与结构设计概要[M].武汉：武汉理工大学出版社，
2005（02）.
[2]徐秀丽.混凝土框架结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2008
（09）.
【关键词】多层建筑框架，结构设计，问题，措施
中图分类号：S611文献标识码：A文章编号：
一、前言
结构设计中，多层建筑框架结构的设计比较基础，也是较为重要和常见的一种结构形式。实际的设计过程中，应当根据相关的规范要求进行科学合理的设计，当然其中不可避免将遇到各式各样的问题，这些都值得结构设计人员进行探讨、分析和研究。
二、常见问题和相应措施
多层建筑框架结构设计中最常见同时也是最关键的问题，如下所述：
1.基础系梁的设置问题
当基础埋置深度较深时，可用基础系梁减少底层柱的计算长度。系梁宜按一层框架梁进行设计，同时系梁以下的柱应当按短柱处理。如果工程条件符合相关规定，应当设基础系梁。为满足抗震要求，可以沿着两个主轴方向设构造基础系梁。对于构造基础系梁纵向受力钢筋，可以按照连接柱的最大轴力设定值的10%，按拉力或者压力进行计算。如果是构造配筋，应当满足最小配筋率。
如果基础系梁上作用有来自填充墙或楼梯柱等的荷载，应该和所连接柱子的最大轴力设定值的10%进行叠加计算。基础系梁截面也应当适当地增加，计算出来的配筋，应当充分满足受力要求以及构造配筋要求。对于构造基础系梁顶标高，它一般都和基础顶标高保持一致。为了使基础系梁计算跨度减少，可以采取把基础梁下和独立基础台阶或者锥形斜坡间的那些空隙部分，用素混凝土浇筑，直到和基础顶面保持平齐，然后再进行基础系梁的浇筑。
当用基础系梁平衡柱底弯矩时，其截面尺寸和配筋，需要按照框架梁来设计。拉梁正弯矩钢筋，应当全部都拉通，而负弯矩钢筋则至少应该在二分之一跨拉通，基础系梁的纵筋在框架柱内的锚固、箍筋的加密及其余抗震构造要求，应当和上部框架梁保持一致，而且此时拉梁应当设在基础顶部。
总之，不设基础系梁时，填充墙可用素混凝土条形基础。设基础拉梁时，可以设在框架柱间，不在框架柱间的墙体基础则可以使用素混凝土基础。
2.对框架结构薄弱层的判定和处理
所谓薄弱层，就是强烈地震作用下，结构发生较大的弹塑性位移的那些部位，它们承载力需要满足抗震承载力要求，在地震烈度不小于7度的地区才会发生。
有三种方式可判断薄弱层，分别是个人指定、计算判定以及强制认定。在PKPM的SATWE软件里，可以根据相关规范规定或是技术人员的个人经验，直接指定薄弱层，此为个人指定。软件计算时，当结构的抗侧移刚度出现不规则现象，某层的抗侧移刚度比相邻上一层的70%小，或比其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%小，或是楼层承载力发生突变，软件将自动指定该层为薄弱层，此为计算判定。当结构存在转换层，也就是竖向抗侧力构件不连续，不管该层刚度或楼层承载力如何，该层都将被强制认为薄弱层，此为强制认定。
薄弱层不利于抗震，建筑中原则上应当避免薄弱层的存在，最基本的办法是加大该层的抗侧移刚度，也就是加大这层的柱截面或者梁截面。在条件允许下，可通过改变该层的层高或是减少基础埋置的深度来实现。
如果薄弱层无法避免，在进行结构计算和出图时需要严格按照规范规定，针对具体情况，采取相应的措施，除了对薄弱层地震剪力乘以1.15倍的放大系数外，还应当验算结构的楼层屈服强度系数。应当对结构也进行弹塑性变形验算。不符合要求的话，应当及时调整结构布置。
3.楼板开大洞结构计算时应注意的问题
楼板开洞的结构比较普通，如果开洞面积大于该层楼面面积的30%，就属于平面不规则，计算时必须进行处理。以PKPM软件为例，TAT和SATWE分别采用了两种方式处理。TAT软件中，无楼板的节点被定义为弹性节点，该节点。即梁柱交点，不受刚性楼板假定的限制，其平动自由度独立。SATWE软件中，所有楼板被定义为弹性膜，软件真实计算楼板的平面内刚度，对楼板的片面外刚度则忽略处理。当某层洞口面积为楼层面积的30%以上时，应当把全楼所有楼板都定义为弹性膜，或者也可以不考虑楼板的刚度，把该层洞口边缘节点定义为弹性节点，当屋面是钢结构网架时，应当输入板厚，将其定义为弹性膜，真实计算楼板的平面内刚度，这样和实际比较相符。
对弹性节点或弹性膜进行正确定义后，后续计算中应严格按照总刚计算法进行计算，要不然，侧刚度计算法仍会按照刚性楼板，对结构内力和配筋进行计算。此点，需要特别注意。
4.框架梁柱偏心问题
实践工程中，出于建筑专业需要，外墙和柱边需保持平齐，就容易出现框架梁柱偏心问题，可供选择的措施有2个：要么设挑耳，要么与柱偏心。选择前者，可保证框架梁和框架柱中心保持对齐，有利于梁和柱受力，但容易导致填充墙的构造柱下部和上部纵筋难以锚固。若选择后者，地震作用下容易引起梁柱节点核芯区受剪面积严重不足，柱易产生扭转效应。所以，针对外框架梁，建议采用设挑耳解决外填充墙偏心。
5.短柱问题
框架结构中的所谓短柱，其柱净高与柱截面高度比不大于4，或者剪跨比不大于2。地震作用容易导致短柱的脆性破坏。短柱的受剪承载力和变形能力，严重不足，容易引发建筑物严重破坏，设计时需要尽可能避免短柱。
短柱的形成成因主要有两个：一是楼梯间的半休息平台或者结构局部错层，导致两个框架梁间的框架柱净高比较小；二是填充墙的设置不正确，造成某层的框架柱的两侧中一部分没有填充墙，另部分有填充墙，而没有填充墙的那侧，柱净高与柱截面之比通常不大于4，从而形成短柱。
可以通过增加柱的抗剪承载力、改善变形能力，来处理短柱。通常情况下，使用复合箍筋，箍筋沿全高加密，可以保证短柱的纵向钢筋形成对称布置。
6.使用平法图集时应当注意的问题
应用图集时应当注意以下几个问题。
一是框架柱，若用剖面列表法来表示配筋，应当注意每一层的楼面标高以下的箍筋加密区的长度，必须是框架梁高和规范要求的箍筋加密区长度之和，规范要求的加密区长度在1/6柱净高、柱截面高度、500mm三个数值中取较大值。由于PKPM软件出图的时候，加密区长度并没有把梁高包含在内，容易造成施工错误，导致箍筋加密区的高度不够。
二是一层建筑地面，在浇筑主体结构浇筑结束之后才开始施工，若一层地面是刚性地面，根据相关规定，柱箍筋应当在刚性地面上下各500mm范围内进行加密，而这一点容易被忽视，设计图纸中最好对此有明确交待。
三是当梁截面过于小，或者承载力比较大的时候，框架梁如果需要设置三排纵筋的话，建议可以对梁截面或是纵筋直径进行调整，改为两排。如果没有采取此种措施，那么对于第三排纵筋的外伸长度，应当做出明确交待。
三、结束语
以上几条都是在进行多层建筑框架结构设计过程中较常遇到的基本问题，实践工作中当然会遇到更多的问题，设计人员应当仔细分析，根据相关规范采取适当解决措施。在进行多层建筑框架结构的设计时，应当首先判断此结构设计方案的可行性，预测可能出现的问题，并提前采取措施，所有的计算结构都应当认真分析、准确判断，然后才能应用到实际工程项目中。
参考文献：
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[3]肖军浅析框架结构设计原则及应注意的问题[期刊论文]《中国房地产业》2011
[4]吴晓样框架结构设计若干问题探讨[期刊论文]《中国新技术新产品》2010