建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計問題

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20世紀(jì)90年代以后，隨著我國鋼材量的不斷提高，鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)在建筑行業(yè)得到了迅速發(fā)展，隨著建筑造型和建筑功能要求日趨多樣化，無論是工業(yè)建筑還是民用建筑，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中遇到的各種難題也日益增多，因而作為一個結(jié)構(gòu)設(shè)計者需要在遵循各種規(guī)范下大膽靈活的解決一些結(jié)構(gòu)方案上的難點、重點。

　　一、框架結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

　　1、剛?cè)岵?/p>

　　合理的建筑結(jié)構(gòu)體系應(yīng)該是剛?cè)嵯酀摹＝Y(jié)構(gòu)太剛則變形能力差，強大的破壞力瞬間襲來時，需要承受的力很大，容易造成局部受損最后全部毀壞；而太柔的結(jié)構(gòu)雖然可以很好的消減外力，但容易造成變形過大而無法使用甚至全體傾覆。結(jié)構(gòu)是剛多一點好，還是柔多一點好?剛到什么程度或柔到什么程度才算合適呢?我個人認(rèn)為剛多點使工程不經(jīng)濟，造成造價過高，而且應(yīng)變能力差。柔多一點雖然造價便宜但是必然產(chǎn)生變形以適應(yīng)外力，太柔的結(jié)果必然是太大的變形.甚至?xí)?dǎo)致立足不穩(wěn)而失去根本。這些問題歷來都是專家們爭論的焦點，現(xiàn)今的規(guī)范給出的也只是一些控制的指標(biāo)，但無法提供精確答案。

　　2、多道防線

　　安全的結(jié)構(gòu)體系是層層設(shè)防的，災(zāi)難來臨，所有抵抗外力的結(jié)構(gòu)都在通力合作，前仆后繼。這時候，如果把“生存”的希望全部寄托在某個單一的構(gòu)件上，是非常非常危險的。如土建結(jié)構(gòu)中多肢墻比單片墻好，框架剪力墻比純框架好等等，就是體現(xiàn)了多道防線的設(shè)計思路。

　　3、抓大放小

　　在框架結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體系中具有“強柱弱粱”、“強剪弱彎”等的說法也是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中非常重要的概念。有人問：為什么不是“強柱強梁”“強剪強彎”呢?為什么所有構(gòu)件都很強的結(jié)構(gòu)體系反而不好，甚至?xí)邪踩[患呢?這里面首先包含著一個簡單的道理：絕對安全的結(jié)構(gòu)是沒有的。簡單地說，雖然整個結(jié)構(gòu)體系是由各科，構(gòu)件協(xié)調(diào)組成一體，但各個構(gòu)件擔(dān)任的角色不盡相同，按照其重要性也就有輕重之分。一旦不可意料的破壞力量突然襲來，各個構(gòu)件協(xié)作抵抗的目的，就是為了保住最重要的構(gòu)件免遭摧毀或者至少是最后才遭摧毀，這時候犧牲在所難免，讓誰犧牲呢?明智之舉是要讓次要構(gòu)件先去承擔(dān)災(zāi)難。“寧為玉碎，不為瓦全”，如果平均用力，可能會“玉石俱粉”，損失則更大矣!在鋼框架結(jié)構(gòu)中，柱倒了，粱會跟著倒；而梁倒了，柱還可以不倒的。可見柱承擔(dān)的責(zé)任比梁大，柱不能先倒。為了保證柱是在最后失效，我們故意把梁設(shè)計成相對薄弱的環(huán)節(jié)，使其破壞在先，以最大限度減少可能出現(xiàn)的損失。如果梁柱等同看待，企圖讓他們都“堅不可摧”，則可能會造成同時破壞，后果會更糟糕，損失會更大。 所以關(guān)鍵時刻要分清主次，抓大放小，也就是要取大舍小。有舍才有得，舍是為了得。

　　4、打通關(guān)節(jié)

　　理想的結(jié)構(gòu)體系當(dāng)然是渾然一體的一也就是沒有任何關(guān)節(jié)的，這樣的結(jié)構(gòu)體系使任何外力都能迅速傳遞和消減?；谶@個思路，設(shè)計者要做的就是要盡可能地把結(jié)構(gòu)中各種各樣的關(guān)節(jié)“打通”，使力量在關(guān)節(jié)處暢通無阻。中醫(yī)上云：“通則不痛，痛則不通”，結(jié)構(gòu)就像一個人，氣穴若不能暢通，癥結(jié)和隱患就會產(chǎn)生。在設(shè)計的四項基本原則中，“剛?cè)嵯酀?rdquo;，“多道防線”，“抓大放小”是設(shè)計概念中的戰(zhàn)略問題，但要想得讓這些戰(zhàn)略思想得以實現(xiàn)，靠的是“打通關(guān)節(jié)”這個原則作為保證的，結(jié)構(gòu)設(shè)計的具體操作，最后全都?xì)w到“打通關(guān)節(jié)”的貫徹和實施上來。 打通關(guān)節(jié)保持平衡的目的其實就是使其永遠(yuǎn)處于原始的靜態(tài)，當(dāng)力量不能暢通時，構(gòu)件與構(gòu)件之間，構(gòu)件的組成元素與元素之間的靜態(tài)平衡一旦被破壞，結(jié)構(gòu)變成機動，“動”即是死，即為終結(jié)?？梢娫O(shè)計者是協(xié)調(diào)者，其任務(wù)是讓所有互不相關(guān)的靜態(tài)構(gòu)件相聚之后依然處于靜態(tài)(也就是使其保持常態(tài))，或者是處在相對的靜態(tài)之中。其實處理和成就世間萬物，必須使動為動，靜為靜，才能平衡：必須動者動之，靜者靜之，才能持久；必須知其本源，施以規(guī)則，順之導(dǎo)之，才能達(dá)至繁榮昌盛。一切的一切，以順應(yīng)自然為始，達(dá)到平衡為終，諸多規(guī)則，只是手段，只為平衡，只為暢通。

　　二、應(yīng)從概念設(shè)計上著手注意幾個問題

　　1、關(guān)于強柱弱梁節(jié)點。這是為了實現(xiàn)在罕遇地震作用下，讓梁端形成塑形鉸，柱端處于非彈性工作狀態(tài)，而沒有屈服，但節(jié)點還處于彈性工作階段。強柱弱梁措施的強弱，也就是相對于梁端截面實際抗彎能力而言柱端截面抗彎能力增強幅度的大小，是決定由強震引起柱端截面屈服后塑性轉(zhuǎn)動能否不超過其塑性轉(zhuǎn)動能力，而且不致形成“層側(cè)移機構(gòu)”，從而使柱不被壓潰的關(guān)鍵控制措施。柱強于梁的幅度大小取決于梁端縱筋不可避免的構(gòu)造超配程度的大小，以及結(jié)構(gòu)在梁、柱端塑性鉸逐步形成過程中的塑性內(nèi)力重分布和動力特征的相應(yīng)變化。因此，當(dāng)建筑許可時，盡可能將柱的截面尺寸做得大些，使柱的線剛度與梁的線剛度的比值盡可能大于1，并控制柱的軸壓比滿足規(guī)范要求，以增加延性。驗算截面承載力時，人為地將柱的設(shè)計彎距按強柱弱梁原則調(diào)整放大，加強柱的配筋構(gòu)造。梁端縱向受拉鋼筋的配筋不得過高，以免在罕遇地震中進(jìn)入屈服階段不能形成塑性鉸或塑性鉸轉(zhuǎn)移到立柱上。注意節(jié)點構(gòu)造，讓塑性鉸向梁跨內(nèi)移。

　　2、關(guān)于“強剪弱彎”措施；強剪弱彎是保證構(gòu)件延性，防止脆性破壞的重要原則，它要求人為加大各承重構(gòu)件相對于其抗彎能力的抗剪承載力，使這些部位在結(jié)構(gòu)經(jīng)歷罕遇地震的過程中以足夠的保證率不出現(xiàn)脆性剪切失效。對于框架結(jié)構(gòu)中的框架梁應(yīng)注意抗剪驗算和構(gòu)造，使其滿足相關(guān)規(guī)范要求。

　　3、注意構(gòu)造措施。①對于大跨度柱網(wǎng)的框架結(jié)構(gòu)，在樓梯間處的框架柱由于樓梯平臺梁與其相連，使得樓梯間處的柱可能成為短柱，應(yīng)對柱箍筋全長加密。這一點，在設(shè)計中容易被忽視，應(yīng)引起重視。②對框架結(jié)構(gòu)外立面為帶形窗時，因設(shè)置連續(xù)的窗過梁，使外框架柱可能成為短柱，應(yīng)注意加強構(gòu)造措施。③對于框架結(jié)構(gòu)長度略超過規(guī)范限值，建筑功能需要不允許留縫時，為減少有害裂縫(規(guī)范規(guī)定裂縫寬度小于0.3into)，建議采用補償混凝土澆筑。采用細(xì)而密的雙向配筋，構(gòu)造間距宜小于150mm，對屋面宜設(shè)置后澆帶，后澆帶處按構(gòu)造措施宜適當(dāng)加強。④其它構(gòu)造措施限于篇幅，這里不再贅述，請詳見新規(guī)范。

　　三、設(shè)計構(gòu)造方面的問題

　　1、框架節(jié)點核芯區(qū)箍筋配置應(yīng)滿足要求

　　對于規(guī)范中規(guī)定的框架柱箍筋加密區(qū)的箍筋最小體積配箍率的要求，絕大部分設(shè)計人員都能給予足夠的重視，但對于《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2001)中規(guī)定的“一、二、三級框架節(jié)點核芯區(qū)配箍特征值分別不宜小于0.12、0.10、0.08且體積配箍率分別不宜小于0.6％、0.5％，0.4％。”設(shè)計中經(jīng)常被忽視，尤其是柱軸壓比不大時，常常不滿足要求。這一規(guī)定是保證節(jié)點核芯區(qū)延性的重要構(gòu)造措施，應(yīng)嚴(yán)格遵守。

　　2、底層框架柱箍筋加密區(qū)范圍應(yīng)滿足要求

　　《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2001)中規(guī)定：“底層柱，柱根處箍筋加密區(qū)范圍為不小于柱凈高的1／3”這是新增加的要求，設(shè)計中應(yīng)重點說明。

　　3、框架梁的縱向配筋率應(yīng)注意

　　《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2001)中規(guī)定：“當(dāng)框架梁梁端縱向受拉鋼筋配筋率大于2％時，梁箍筋最小直徑的數(shù)值應(yīng)比表6.3.3中規(guī)定的數(shù)值增大2mm。”在目前設(shè)計中，這一規(guī)定常被忽視，造成梁端延性不足。

　　4、框架梁上部縱筋端部水平錨固長度應(yīng)滿足要求

　　《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2002)中規(guī)定：“框架端節(jié)點處，當(dāng)框架梁上都縱筋水平直線段錨固長度不足時，應(yīng)伸至柱外邊并向下彎折，彎折前的水平投影長度不應(yīng)小于0.4LaE”當(dāng)框架柱截面尺寸小于400×400mm時，應(yīng)注意梁上部縱筋直徑的選擇，否則這一項要求不容易得到保證。

　　鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)雖然相對簡單，但設(shè)計中仍有很多需要注意的問題，只有熟練地掌握規(guī)范，并具有良好的結(jié)構(gòu)概念，才能設(shè)計出既安全又經(jīng)濟適用的優(yōu)秀作品。