多层住宅框架结构设计实例与分析

多层住宅框架结构设计实例与分析摘要：本文基于现行规范，结合近年来参与的油田住宅项目工程实例，利用概念设计，对多层住宅框架结构的梁、柱等重要结构构件设计以及电算过程中需注意的问题进行了总结探讨，为以后类似的工程设计积累经验。关键字：现浇板共同作用梁铰接轴压比剪跨比Abstract：Basedonthepresentregulation,inthispaper,accordingtotheoilfieldhouseprojectconstructionsample,throughtheconceptdesign,itisnecessarytoconcludeanddiscussinthemulti-layerhouseframeconstructionbeam,columndesignandzoomingprocessforreferences.KeyWords:castplatecombinedaction;beampinjoint;axelpressureratio;snipspanratio一、概述胜南社区南苑新区二期住宅，以90型2单元为例，七层框架结构，建筑物总高度为19.8m，总建筑面积为2668m2。抗震设防烈度为七度、设计地震分组为第二组，设计基本地震加速度值为0.10g。场地土类型为软弱场地土，场地类别为III类。钢筋混凝土结构抗震等级：三级；地基基础设计等级:丙级；结构的设计使用年限:50年。二、梁设计在框架梁的弹性受力分析和承载力计算时，是否考虑现浇板的共同作用效应？如果和对梁端跨进行调整？下面结合本工程从概念设计的角度做粗浅的探讨，以利于工程的优化设计。2.1关于现浇板共同作用的考虑目前框架结构均采用梁板整体现浇，在水平荷载作用下，通过框架梁和现浇板的共同受弯来约束柱顶的转动，使柱子产生自上而下的反弯曲。由于梁板的共同作用，不仅提高了框架梁的截面刚度，还提高了梁端负弯矩承载能力。在现浇板共同作用下，对梁的设计采取以下措施进行调整：2.1.1为实现“强柱弱梁”的目的，形成具有延性的结构，梁端弯矩在SATWE程序的调整信息下调整，梁端弯矩的条幅系数取0.85；2.1.2本工程现浇楼板采用刚性楼板假定，考虑到现浇楼板对梁抗扭的有利作用，对梁的扭矩进行折减，折减系数取0.4；2.1.3梁和楼板连成一体按照“T”形截面梁工作，因此对梁的刚度进行放大，边框架梁刚度放大系数取1.2，中间框架梁取1.4.2.2关于梁铰接问题在平面布置错位的工程中，经常会遇到主次梁相交时次梁靠近主梁支座的情况，如图：胜南90型两单元错位的局部结构图L2与L1相交交点靠近柱A,此时L2并非仅是集中荷载作用在L1上，而是和L1相互支撑、共同作用的，L2的下部钢筋须锚入L1内，在这种情况下，L1受扭，要配置抗扭钢筋，但是在很多情况下，由于AB段扭矩很大，往往造成超筋。为了避免这种情况，只需在L2一端做成铰接即可。铰接之后,L2支撑在L1上面，L1的配筋减小，L2的下部钢筋明显增大，AB段扭矩为零。如此的人为调整，使得配筋结果和计算模型一致，才能保证结构的安全性。但是，在实际的设计中，应慎重考虑扭矩的作用，根据扭矩的大小采用相应的构造措施，或者进行抗扭设计，不可随意的把次梁两端假定为铰接而忽视扭矩的作用。2.3梁端混凝土受压区高度问题在本人设计的工程项目图纸审查过程中，出现过违反《建筑抗震设计规范》6.3.3.1条的情况，即：抗震等级三级的结构，梁端混凝土受压区高度和有效高度之比大于0.35.发生位置：这种情况一般出现在相邻两跨差距较大的梁；发生原因：相邻两跨支座处受拉钢筋的配置，计算软件往往是根据弯矩较大一侧进行钢筋配置，然后支座两侧钢筋配置相同，这样势必会造成短跨支座处混凝土受压高度超限。危害性：混凝土受压区高度过大会导致梁破坏时受压区混凝土提前被压碎，而此时，钢筋的应力尚小于屈服强度，仍处于弹性工作阶段。因此，梁在没有明显预兆的情况下因为受压区混凝土突然压碎而破坏，即“脆性破坏”。计算分析及解决办法：混凝土受压＋下部钢筋受压＝上部钢筋受拉fcbhx+fy’AS’=fyAS按照规范要求，须满足由上式可见，满足上式可采取增大梁截面尺寸或增大梁支座处下部受压钢筋面积或减小梁上部受拉钢筋面积等办法。经比较安全和性经济性，减小梁上部受拉钢筋面积最为合理。2.4扁梁的挠度由于建筑功能性的要求和限制，比如地下室门窗位置高度受限，在这种情况下需考虑采用宽扁梁。在计算结果的检查中，需要特别注意宽扁梁的挠度是否满足规范要求。柱设计3.1轴压比框架柱设计过程中最主要的是控制柱子轴压比问题。轴压比是影响框架柱破坏形态和延性的重要因素，控制柱子轴压比可以使柱子发生延性较好的受压破坏，从而保证有足够的变形能力，承受更大的荷载，保证框架柱“大震不倒”。本工程在设计过程中，通过不断的调整柱子截面尺寸和采取底层框架柱混凝土强度增大一级的办法控制轴压比和层间位移角，最终得到较为合理的框架柱截面尺寸。3.2短柱（剪跨比）在框架柱的抗震设计中，应特别注意短柱的设计，短柱即柱子的长细比小于4的柱子，一般出现在错层处的框架柱或楼梯间的梯柱，如本工程中的楼梯梯柱，长细比为3.6，为短柱。规范要求：框架柱的剪跨比宜大于2，如若剪跨比小于2，应在柱全高范围内加密箍筋。这是因为剪跨比是反应柱截面承受的弯矩与剪力之比的一个参数：当，柱的破坏为压弯型，只要构造合理一般都能满足斜截面受剪承载力大于正截面偏心受压承载力的要求，具有一定的变性能力；当，为短柱，柱将以剪切为主进行破坏，提高混凝土强度等级或者增配足够的箍筋，有可能出现具有一定延性的剪切破坏；当，为极短柱，柱的破坏为脆性剪切破坏，抗震性能差，设计中应计量避免。本工程中对楼梯间梯柱采取柱箍筋全高加密的措施提高柱的延性。3.3角柱框架结构在水平地震作用下会发生扭转，扭转发生时，各柱节点水平位移不等，距扭转中心较远的角柱剪力很大。为防止过大扭转，抗侧力结构应对称布置，宜设在结构两端，紧靠四面设置，以增大抗扭惯性矩。因此，尽管计算结果显示角柱轴压比较小，但其在抗扭过程中作用却很大，同时，在水平力的作用下，角柱轴力的变化幅度也会很大，这样势必要求角柱有较大的变形能力。由于角柱的上述作用，角柱设计时在承载力和变形能力上都应有较多考虑。本工程计算过程中，在计算软件“特殊构件”中将四周的框架柱定义为角柱，配筋结果便对角柱进行全长箍筋加密。计算过程中的几个问题分析4.1关于底层层高问题底层计算层高应算至底层柱的嵌固点，即基础顶面，在软件计算中，如果将底层层高作为计算层高输入，会造成底层计算刚度大于实际值，地震效应偏小，梁、柱配筋也随着偏小，这样将会造成结构的不安全。本工程底层层高2.5米，考虑室内地面至基础顶面距离为1.7米，故底层计算高度取4.2米。4.2关于周期折减系数Tc本工程墙体填充材料为轻质加气混凝土砌块，框架结构计算时，周期折减系数取0.9。周期折减系数的取值取决于填充墙对抗侧刚度的贡献值，贡献越大，折减系数越大，反之亦然。4.3关于混凝土重度Gc计算程序中默认的混凝土重度是25KN/m3,由于SATWE程序可以根据梁柱截面尺寸自动计算构件自重，故一般框架结构输入的荷载不包括梁、柱自重，亦不包括粉刷重，对于柱、梁来讲，Gc＝25KN/m3则偏小，因此，本工程取Gc＝26KN/m3。结语近年来，通过参与油田住宅工程项目的设计，对多层框架结构设计有了基本的掌握和理解。我的体会是：首先，结构设计人员一定要细心、耐心，注重细节设计，密切配合建筑专业人员完成建筑意图，特别注意雨篷、挑檐、阳台等构件的节点详图，要达到建筑与结构的完美统一；其次，应对结构设计中需要注意的重点构件（梁、柱）和节点等有透彻的认识，保证主体构件的安全度，充分利用概念设计进行优化设计；最后，目前框架设计大都依托计算软件完成，对计算软件中的各个参数和系数，应知其然，知其所以然，方能做到设计的最优化和最合理化。参考文献方鄂华编著《多层及高层建筑结构设计》.地震出版社，1992张维斌编著《多层及高层钢筋混凝土结构设计释疑及工程实例》.中国建筑工业出版社，2005国家标准.建筑抗震设计规范（GB50011-2001）（2008年版）.北京：中国建筑工业出版社，2008国家标准.建筑结构荷载规范（GB50009-2001）北京:中国建筑工业出版社，2006SATWE《多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件》用户手册及技术条件.中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部，2008