多层建筑装备结构设计中框架结构的问题分析与处理方法研究

2022-09-15刘艳军李光耀

中国设备工程 2022年16期

刘艳军，李光耀

（潍坊市建筑设计研究院有限责任公司，山东潍坊 261205）

良好的框架结构需要具备较强的灵活性和抗震性能，采用框架结构体系能够在多层建筑内部形成较大的内部空间，有利于设计人员更灵活的布置建筑平面。目前，钢筋混凝土框架结构在现代建筑中应用范围最广，在具备较多优势的同时，若设计把握度没有控制好也会出现一些问题，因此本文主要围绕建筑框架结构存在的问题及处理方法展开全面的分析研究。

1 多层建筑框架结构设计

多层建筑主要是指建筑高度介于10～24m之间且建筑层数介于3～7层间的建筑，除住宅以外的民用建筑不大于24m的多为单层或多层建筑。多层建筑采用钢筋混凝土结构设计时通常需要考虑竖向抗侧力结构体系和水平楼盖承重体系，其框架结构是指以梁和柱为基础用刚接或铰接的方式连接而成，从而构成抗侧力、承重体系结构，即由梁和柱共同构成结构框架来分散建筑水平荷载和承重力。多层框架结构设计按照所用的材料可分为混凝土框架、钢框架以及组合框架，按照节点的连接方式可分为铰接和刚接。目前多采用混凝土框架结构，主要施工方法有现浇、装配式以及装配整体式施工。多层建筑框架结构在布置方面主要包括柱网布置和承重框架布置，柱网布置需要充分考虑建筑多功能需求，在保证建筑受力合理的基础上进行施工；而承重式框架布置需要特别注重考虑建筑如何承受竖向荷载和重力荷载的传递路径，对于多层建筑而言竖向荷载是主要荷载，整体框架结构主要分为横向、纵向和混合式框架，不同框架承重与建筑楼盖布置有着密切的联系。例如横向承重框架的纵向布置与梁紧密连接，横向抗侧刚度较大，有利于采光和通风；而纵向承重框架的横向布置与梁紧密连接，横向抗侧刚度较小，有利于设备管线的穿行；对于混合承重框架而言则是综合了两者的优势，纵横两个方向均具有良好的抗侧刚度，如下图为纵横向框架承重的具体分布。

图1 混合承重框架

此外，对于多层框架结构内力与侧移需要经过严格计算得出通过构建纵横两个方向正交的多层框架结构分析模型来获取纵横向框架计算单元，在保证框架结构均匀、荷载均匀的状态下选择合适的面积作为纵横向框架计算单元。

2 多层建筑框架结构设计存在的问题

2.1 框架结构计算简图不够规范

多层建筑框架结构设计必然要经过准确的计算来确定具体的施工工序和结构承重框架图，关于建筑框架结构计算简图需要注重从结构形式、轴线尺寸以及截面特征等方面重点把握，轴线跨度、层高以及钢柱、砼柱刚度等参数都需要经过计算得出。同时，多层建筑计算工序贯穿于建筑工程施工的全过程，从施工之前到工程验收环节的计算工序不可避免，因而计算工序与施工内容有着密切的联系，且十分复杂，框架结构计算简图设计的不规范会对施工过程的任何一道工序构成质量和安全威胁。实际施工过程中，施工图纸的设计是最容易出现大量计算问题的环节，同时在框架结构施工过程中需要结合建筑实际情况考虑建筑的长度、宽度以及具体面积，由于涉及的计算专业知识范围较广，因而对于计算的精确度非常高，计算简图本身的计算难度是重要的问题。例如采用混凝土多层结构框架建设房屋时需要考虑基础梁的设置深度，结合建筑层高、建筑场地、基础埋深、高度以及室内外相差数值、建筑的抗震等级来设计计算简图，在基础梁需要按照层1来埋深输入时却按照三层框架来设计框架结构，必然会直接影响基础梁中心受压情况，导致计算简图与实际受压情况存在差异，进而影响建筑框架结构施工质量。

2.2 多层建筑抗震设计存在问题

抗震性能是多层建筑框架结构设计中需要重点考虑的问题，建筑结构施工需要结合不同地区的实际地质情况，对于部分属于地震频发地带的地区需要重点考虑框架结构设计的抗震性能。经过研究实践表明，未经过抗震设计的框架结构明显存在薄弱环节，较容易出现震害、房屋倒塌等问题。在考虑抗震设计的状态下，采用钢筋混凝土框架结构容易发生震害的关键节点在于建筑梁端、柱端以及梁柱间的关键连接点，从梁、柱的震害程度来看，柱的震害程度要高于梁，同时柱顶的震害要高于柱底。从建筑框架结构设计层面来看，柱的两端由于弯矩过大而容易出现裂纹的问题，梁柱两端在经过反复受力之后更容易发生破坏问题，主要原因可能由于框架结构配筋设计不足或者钢筋关键点固定不足等问题，由于钢筋配置的不足而直接影响钢筋配置密度和混凝土浇筑质量。因此，框架结构配筋的不合理也是框架结构施工需要注意的核心问题，框架结构施工过程中，配筋环节最容易出现失误。关于框架配筋需要考虑建筑面积的限制、结构施工要求以及建筑内外框架梁的尺寸，一些细节问题更容易暴露在框架施工过程。关于柱的配筋与建筑层高产生的水平荷载、结构受压情况有较大的关系，水平荷载与结构产生的受力力矩应当形成正比关系，注意框架结构荷载与柱总受力的协调问题，避免出现柱顶受压偏心的现象。

2.3 短柱问题

从抗震震害角度来看，短柱的震害程度要高于一般柱，通常认定柱高与截面高度≤4或者柱跨度比≤2的情况下为短柱，短柱发生震害的主要问题在于脆性破坏，若短柱的受剪力与变形能力欠缺则会严重影响建筑框架结构性能，因而在框架结构设计时需要着重考虑短柱设计问题，分析短柱形成的原因。一方面由建筑结构布局或者平台错层导致框架梁之间柱的净高较小；另一方面由于建筑填充墙的设置不足，出现建筑一侧无填充墙或者部分有填充墙的情况，无填充墙的部分柱高与截面高度显然≤4，因而会形成短柱。同时考虑到短柱受剪力和变形能力的不足，在框架设计中需要着重从短柱出现的问题入手，合理配置钢筋，保证纵横向钢筋分布对称且密度合格，以此来改善短柱受剪力或变形能力不足的问题。

3 多层建筑框架结构设计问题的处理方法

3.1 合理设计计算简图

关于计算简图的分析设计需要明确完整的计算数据，对现场施工环境进行勘察之后分析相关数据，例如不同施工点框架结构受力状态、钢筋配置密度等，由于涉及的数据信息较为复杂，为保证数据分析的精确性和简图计算的准确性，可灵活借用一些辅助分析工具来完成数据分析计算，如三维立体空间分析软件。计算简图需要全面考虑建筑框架结构形式、轴线尺寸以及截面特征，关于结构形式需要保证柱与基础顶面实现固接，把握梁柱的铰接、刚接两种节点连接方式；关于轴线尺寸跨度可考虑使用等截面柱、截面形心线或不等截面柱，层高可选用横梁形心线；关于截面特征需要考虑型钢和砼柱抗弯钢度之和。

3.2 抗震设计问题处理

（1）需要严格遵循框架结构设计原则来把握框架结构抗震性能和设计灵活性，一方面要注重框架结构的刚柔协调性，过柔的框架无法抵御结构变形能力的增强，也无法消减结构外力，随着外力作用的持续加强而导致结构变形严重；同时过钢的框架结构会导致结构变形能力不断降低，在遇到突然的冲击力时很容易导致结构发生脆裂，建筑物从局部受损逐渐上升到全部受损，因而对于多层建筑框架结构设计要注意结构刚度与柔度的协调合理，从而能够增强结构抗震性能。另一方面要善于抓取重点，多层建筑框架结构设计只能将结构安全性不断提高，将风险控制在合理范围内，但绝对的结构安全是不存在的，不同构件承担的角色和任务有所不同，通过对框架结构进行合理设计要尽可能保证结构的协调维稳，面对突然袭来的外界冲击力量能够同步调动各个构件的抵抗力来分散冲击风险，保证多层建筑安全稳定，构件免遭破坏，为此需要明确不同构件承担的责任，例如框架结构中柱的承载责任要高于梁，为此需要保证柱的稳固性，在产生破坏问题时也要确保薄弱环节构件先行被破坏，而柱作为支撑核心要尽可能避免产生较大的破坏和损失。下图为建筑框架结构设计基础平面图，直观显示了多层建筑结构设计的协调性。

图2 多层建筑结构设计平面图

（2）可考虑对建筑框架结构进行层层设防，布置多层安全防护体系，增强框架结构抵抗外力来达到共同抵御外力冲击的目的。抵御外力的增强必然要寄托在多层次结构上才能实现，仅凭借单一的结构所承担的抵御外力有限，通过设置层层结构安全体系的方式在增强地域外力的同时还能加固多层建筑局部结构与建筑整体刚度，从而更好地抵御抗震危害。

3.3 短柱问题的处理

上文中提到短柱形成的问题及原因，在对多层建筑进行框架结构设计时要尽量避免出现短柱，由于短柱的抗震性能更加薄弱，为此需要通过合理的设计来避免更多短柱的形成。针对建筑楼梯间平台梁或者其他原因不可避免产生短柱时要采取相应的措施，遵循结构设计原则和抗震性能设计要求进行处理，目的在于尽可能提高短柱的抗震性能。对于短柱的处理可采用外包钢板或者配置x形钢筋的方式来增强短柱稳固性和抗震性，也可利用复合箍筋对短柱进行加密，以此来增强短柱的受剪力和变形能力，在结构设计施工过程中要保证短柱纵向布局对称，且不同位置钢筋设置密度需要保证配筋的合理性。

3.4 薄弱层问题及处理

关于薄弱层的判定通常由个人经验、分析计算或者强制指定等方式来确定框架结构中的薄弱层。通常利用软件对薄弱层进行计算，以结构的抗侧移刚度、楼层承载力数值以及楼层侧向刚度平均值来自动指定结构薄弱层。多层建筑整体框架结构中，薄弱层是对抗震构成最大威胁的结构层，为此可通过加强楼层的抗侧移刚度或者拓宽结构层柱、梁截面面积来改善薄弱层问题。目前在多层建筑框架结构设计时若遇到无可避免的薄弱层，需要经过结构计算和设计图纸额度方式来对薄弱层的受剪力、变形能力和抗震性能进行分析计算，按照建筑抗震设计规范相关规定来放大薄弱层地震受剪力系数，从而准确计算出薄弱层楼层强度系数。