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民建多层框架结构设计要点与注意事项

来源:原创论文网 添加时间:2020-08-26

  摘    要: 多层框架结构为一种典型的民用建筑结构,其以梁、柱为主要承重单元,具备设计简单、施工灵活等特点。本文总结民用建筑多层框架结构设计要点及注意事项,搭建完善的多层框架结构设计理论体系,供相关人员借鉴参考。

  关键词: 民用建筑; 多层框架结构; 结构设计;

  0、 引言

  多层框架结构将梁、柱以刚接或铰接的方式连接为受力整体,承担民用建筑的水平及竖向荷载。多层框架结构的设计成本较低,但其承载能力却十分突出,因此在民用建筑建设中应用广泛。为进一步提高多层框架结构设计水平,需要对其设计要点及注意事项做分析总结。

  1 、民用建筑多层框架结构设计要点

  1.1、 结构设计

  民用建筑多层框架结构设计中,梁、柱结构设计是基础也是要点。

  1.1.1、 梁结构设计

  梁结构设计中存在的主要问题为梁板整体错位。如以下案例:某民用多层建筑结构布局如图1所示,其中L1、L2分别为主梁和次梁,A为主梁的支座柱,B为主梁与次梁的连接节点。该框架结构体系中,主梁与次梁的交点与支座柱之间的距离非常近,因此次梁并未将全部荷载转移至主梁上,其中的部分由次梁自身承担。此类结构将次梁下部钢筋全部锚入主梁中,易引发主梁受扭的问题,因此需额外设置抗扭钢筋。但当局部结构扭矩过大时,还可能引发超筋现象。基于以上问题,给出如下优化方案:将次梁一端的连接方式设计为铰接,以便将次梁支撑在主梁之上,降低主梁配筋;提高次梁下部钢筋,将A、B点之间的扭矩调节为0。

  多层框架结构中梁结构的设计要点在于扭矩的调整,通过设计方案优化,尽可能将扭矩降到最低。注意梁结构设计应尽可能避免使用多级次梁,优化结构传力路径,同时适当降低梁高,以实现民用建筑的最大净高。
 

民建多层框架结构设计要点与注意事项
 

  1.1.2、 柱结构设计

  多层框架结构中柱结构的设计要点有两个:(1)轴压比选择。柱结构设计一般会调高底层框架柱的混凝土强度等级,以缩小轴压比及层间位移角,在设计过程中,设计人员需连续调节柱截面,以找到最佳的轴压比。(2)短柱设计。短柱指结构中长细比小于4的柱[1]。在多层框架结构中,短柱与结构抗震性能有关,常用短柱包括楼梯间梯柱、错层框架柱等。短柱设计应重点关注其剪跨比的选择,即柱截面承受弯矩与剪力的比值。若剪跨比小于1.5,柱结构的破损机理为脆性剪切,此时建筑结构的抗震能力较差,无法达到多层民用建筑的抗震性能要求;若剪跨比在(1.5,2)区间,此时柱的破坏机理为剪切,为强化整体结构抗震性能,可适当提高混凝土强度或设置箍筋;若剪跨比达到2,柱的破坏机理变为压弯,可基本达到民用多层建筑结构对抗震性能的要求,且柱本身具备一定的变性空间,因此若条件允许,应保证短柱的剪跨比不低于2。

  图1 框架结构布局
图1 框架结构布局

  1.2、 配筋设计

  1.2.1、 框架柱配筋

  框架柱多采用低配筋率,若依照0.8%的构造配筋率进行配筋,最终的配筋率仅能达到额定标准的30%~50%,因此该参数一般不被使用。当多层框架结构受地震作用时,其角柱以及开间和进深较大的边柱为双向偏心受压,在使用专业软件进行配筋计算时,会出现配筋不足的情况。因此在具体设计中,应注意以下问题:(1)在最不利状态下进行框架计算,或从两方向计算,取其中的最大值,使用对称配筋。(2)根据柱宽调节柱单边钢筋根数,当柱宽在450 mm以下时,单边钢筋不应少于3根;当柱宽在750 mm以下时,单边钢筋不应少于4根;当柱宽在900 mm以下时,单边钢筋不应少于5根。(3)提高框架柱配筋,控制在1.2~1.6倍之间,若为角柱,放大倍数应在1.4以上;若为中柱,可放大至1.2倍;若为边柱,可放大至1.3倍。(4)框架柱配筋的放大倍数还需综合考虑温度应力、地基沉降等因素的影响,例如当民用建筑基地土层不均或存在软土地基时,应适当提高放大倍数。(5)框架柱箍筋应采用井字形或菱形,以将箍筋对混凝土的绑扎能力释放到最大。(6)柱底纵筋连接应使用焊接后再机械连接的方式,若柱筋直径达到22,优先选择机械连接。

  1.2.2、 梁裂缝宽度

  梁裂缝宽度与民用建筑多层框架结构的稳定性息息相关,在设计过程中,可通过调整配筋率级配或受力筋截面对梁裂缝宽度进行控制。

  梁、柱截面及配筋率达标的情况下,需在配筋计算后对梁的裂缝宽度及满足梁端斜截面强剪弱弯要求的配筋率进行调整。依照有关技术指标划定柱截面尺寸范围,结合实际建设需求及以往的设计经验,初步预估构件尺寸,要求尽量确保柱线刚度与梁线刚度比值大于1。该做法能够确保发生罕遇地震时,梁端可形成塑性铰,连接节点处于弹性状态,而柱仍处于非弹性状态不发生屈服。依照以上要求确定具体尺寸参数,并将其录入到专业计算软件当中,若部分梁、柱结构采用构造配筋,需依照系统给出的梁裂缝宽度及柱轴压比,适当缩小截面尺寸然后重新计算;若系统提示部分梁超筋或裂缝宽度超过0.3 mm,且部分柱的轴压比超限或配筋率过高,需适当提高提高截面尺寸然后重新计算;若系统显示梁柱截面尺寸合格,无需进行调整,可进一步检验配筋率是否达标。

  1.2.3、 梁端斜截面配筋

  多层框架结构设计应确保结构受地震作用时梁端斜截面受剪承载力不低于正截面的受弯承载力。对于梁端斜截面的设计,其负弯矩钢筋可适当调低,同时将梁跨中部分的受拉钢筋放大至1.1~1.3倍,提高梁端箍筋截面2 mm左右,若梁跨度超过6 m,需依照相关技术标准设置弯起钢筋[2]。

  2、 民用建筑多层框架结构设计注意事项

  2.1 、结构类型统一

  民用建筑多层框架结构设计必须确保框架结构类型一致,禁止使用两种或以上的框架结构,尤其在建筑电梯间、楼梯等位置,严禁使用砖墙结构。主要是由于多层框架结构为一种柔性结构,砖墙结构则为刚性,依照结构类型统一的要求,两种结构不可混用。

  2.2 、截面尺寸合理

  民用建筑框架结构设计中框架简图计算及配筋率设置与建筑安全性、稳定性高度相关,因此在设计过程中需将梁、柱的截面尺寸控制在合理范围。为提高建筑整体抗震性能,在保证柱线刚度与梁线刚度比值不小于1的同时,还应合理设计梁、柱结截面尺寸。在计算过程中,若民用建筑无地下室,且采用钢筋混凝土结构,其基础拉梁可依照第一层进行计算,在层数确定上,可结合地基土层约束能力,并及时进行核对,确保计算简图可靠、合理。

  2.3 、短柱构造加强

  民用建筑顶棚多设置吊顶,因此在建筑建设过程中,填充墙往往不到顶,或在墙上设置门窗洞,形成短柱结构。由于短柱的刚度较大,当建筑受地震作用时,其主要承担剪力。若短柱混凝土强度等级较低,在承担剪力时会发生脆性断裂,形成交叉裂缝,进而导致整体结构失稳,引发建筑物受严重破坏甚至倒塌的事故[3]。因此在设计过程中,短柱需被重点关注。例如,尽量削弱短柱的楼层约束,可适当降低连梁标高,并采用铰接的梁、柱连接方式;设置箍筋,且要求箍筋间距不超过100 mm,纵向钢筋间距不超过150 mm;使用优良的箍筋结构,如螺旋箍筋、复合箍筋等。

  2.4 、框架梁设计优化

  框架梁在民用建筑多层框架结构体系中占有重要位置,合理设计外挑框架梁,可显着提高整个多层框架结构的力学性能,结合具体施工需求选择添加钢筋混凝土柱。因柱结构主要受偏心压力的影响,因此在计算过程中应注意悬臂梁两端协调变形的影响。在竖向结构的设计上,应正确处理梁、柱节点的关系,以消除结构安全隐患,确保民用建筑后期使用安全。

  2.5 、薄弱层设计优化

  框架结构多层民用建筑薄弱层即发生强烈地震或其他重大自然灾害时,结构易出现屈服并产生塑性位移的结构层。为确保建筑使用安全,结构设计中设计人员应对建筑薄弱层做重点关注,提高薄弱层的承载能力,确保建筑抗震性能达标。例如,适当提高薄弱层梁、柱的截面尺寸,调整薄弱层整体刚度,以达到消除薄弱层的目的。若因施工条件限制无法对梁、柱截面进行调整,可降低基础埋深或薄弱层的层高,提高其本身的抗震能力。

  3 、结论

  民用建筑多层框架结构设计应做好结构设计和配筋设计两项工作,同时重点关注结构类型统一、截面尺寸合理、短柱构造加强、框架梁设计优化、薄弱层设计优化等问题,确保民用建筑多层框架结构稳定及安全。

  参考文献

  [1] 张莉莉.浅谈民用建筑多层框架结构设计[J].门窗,2019(19):157.
  [2] 张光洁.浅谈民用建筑多层框架结构设计[J].中国标准化,2018(18):143-144.
  [3] 岳晓愿,韩哲.民用建筑多层框架结构设计基本原则与要点探析[J].科技风,2018(11):198.

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