鋼筋混凝土多層框架房屋結構設計中應注意的問題論文

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1.獨立基礎設計荷載取值不當

鋼筋混凝土多層框架房屋結構設計中應注意的問題論文

鋼筋混凝土多層框架房屋多采用柱下獨立基礎,《抗震規範》(GB50011-2001)第4.2.1條指出,當地基主要受力層範圍內不存在軟弱粘性土層時,不超過8層且高度在25m以下的一般民用框架房屋或荷載相當的多層框架廠房,可不必進行地基和基礎的抗震承載力驗算。這就是説,在8度地震區,大多數鋼筋混凝土多層框架房屋可不必進行地基和基礎的抗震承載力驗算。但這些房屋在基礎設計時應考慮風荷載的影響。因此,在鋼筋混凝土多層框架房屋的整體計算分析中,必須輸入風荷載,不能因為在地震區高層建築以外的一般建築風荷載不起控制作用就不輸入。

另一種情況是,在設計獨立基礎時,作用在基礎頂面上的外荷載(柱腳內力設計值)只取軸力設計值和彎矩設計值,無剪力設計值,或者甚至只取軸力設計值。以上兩種情況都會導致基礎設計尺寸偏小,配筋偏少,影響基礎本向和上部結構的安全。

2.框架計算簡圖不合理

無地下室的鋼筋混凝土多層框架房屋,獨立基礎埋置較深,在-0.05m左右設有基礎拉樑時,應將基礎拉樑按層1輸入。以某學生宿舍樓為例,該項目為3層鋼筋混凝土框架結構,丙類建築,建築場地為Ⅱ類;層高3.3m,基礎埋深4.0m基礎高度0.8m,室內外高差0.45m.根據《抗震規範》第6.1.2條,在8度地震區該工程框架結構的抗震等級為二級。設計者按3層框架房屋計算,首層層高取3.35m,即假定框架房屋嵌固在-0.05m處的基礎拉樑頂面;基礎拉樑的斷面和配筋按構造設計;基礎按中心受壓計算。顯然,選取這樣的計算簡圖是不妥當的。因為,第一,按構造設計的拉樑無法平衡柱腳彎矩;第二,《混凝土結構設計規範》(GB50010-2002)第7.3.11條規定,框架結構底柱的高度應取基礎頂面至首層樓蓋頂面的高度。工程設計經驗表明,這樣的框架結構宜按4層進行整體分析計算,即將基礎拉樑層按層1輸入,拉樑上如作用有荷載,應將荷載一併輸入。

這樣,計算剪力的首層層高為H1=4-0.8-0.05=3.15m,層2層高為3.35m,層3、4層高為3.3m.根據《抗震規範》第6.2.3條,框架柱底層柱腳彎矩設計值應乘以增大系數1.25.當設拉樑層時,一般情況下,要比較底層柱的配筋是由基礎頂面處的截面控制還是由基礎拉樑頂面處的截面控制。考慮到地基土的約束作用,對這樣的計算簡圖,在電算程序總信息輸入中,可填寫地下室層數為1,並復算一次,按兩計算結果的包絡圖進行框架結構底層柱的配筋。

3.基礎拉樑層的計算模型不符合實際情況

基礎拉樑層無樓板,用TAT或SATWE等電算程序進行框架整體計算時,樓板厚度應取零,並定義彈性節點,用總剛分析方法進行分析計算。有時雖然樓板厚度取零,也定義彈性節點,但未採用總剛分析,程序分析時自動按剛性樓面假定進行計算,與實際情況不符。房屋平面不規則,要特別注意這一點。

4.基礎拉樑設計不當

多層框架房屋基礎埋深值大時,為了減速小底層柱的計算長度和底層的位移,可在±0.000以下適當位置設置基礎拉樑,但不宜按構造要求設置,宜按框架樑進行設計,並按規範規定設置箍筋加密區。但就抗震而言,應採用短柱基礎方案。

一般説來,當獨立基礎埋置不深,或者過去時置雖深但採用了短柱基礎時,由於地基不良或柱子荷載差別較大,或根據抗震要求,可沿兩個主軸方向設置構造基礎拉樑。基礎拉樑截面寬度可取柱中心距的1/20~1/30,高度可取柱中心距的1/12~1/18.構造基礎拉樑的截面可取上述限值範圍的下限,縱向受力鋼筋可取所連接柱子的最大軸力設計值的10%作為拉力或壓力來計算,當為構造配筋,除滿足最小配筋率外,也不得小於上下各2Ⅱ14,配筋不得小於Ⅰ8-200.當拉樑上作用有填充牆或樓梯柱等傳來的荷載時,拉樑截面應適當加大,算出的配筋應和上述構造配筋疊加。構造基礎拉樑頂標高通常與基礎高或短柱頂標高相同。在這種情況下,基礎可按偏心有受壓基礎設計。

當框架底層層高不大或者基礎過去埋置不深時,有時要把基礎拉樑設計得比較強大,以便用拉樑來平衡柱底彎矩。這時,拉樑正彎矩鋼筋應全跨拉通,負彎矩鋼筋至少應在1/2跨拉通。拉樑正負彎矩鋼筋在框架柱內的錨固、拉樑箍筋的加密及有關抗震構造要求與上部框架樑完全相同。

此時拉樑宜設置在基礎頂部,不宜設置在基礎頂面之上,基礎則可按中心受壓設計。

5.框架結構帶樓電梯小井筒

框架結構應儘量避免設置鋼筋混凝土樓電梯小井筒。因為井筒的存在會吸收較大的地震剪力,相應地減少框架結構承擔的地震剪力,而且井筒下基礎設計也比較困難,故這些井筒多采用砌體材料做填充牆形成隔牆。當必須設計鋼筋混凝土井筒時,井筒牆壁厚度應當減薄,並通過開豎縫、開結構洞等辦法進行剛度弱化;配筋也只宜配置少量單排鋼筋,以減小井筒的作用。設計計算時,除按框架確定抗震等級並計算外,還應按帶井筒的框架(當平面不規則時,宜考慮耦聯)複核,並加強與井牆體相連的柱子的配筋。

此外,還要特別指出,對框架結構出屋頂的樓電梯間和水箱間等,應採用框架承重,不得采用砌體牆承重;而且應當考慮鞭梢效應乘以增大系數;雨篷等構件應從承重樑上挑出,不得從填充牆上挑出;樓梯樑和夾層樑等應承重柱上,不得支承在填充牆上。

6.結構計算中幾個重要參數的合理選取

《抗震規範》第條指出,所有的計算機計算結果,應經分析判斷確認其合理、有效後方可用於工程設計。通常情況下,計算機的計算結果主要是結構的自振週期、樓層地震剪力系數、樓層彈性層間位移(包括最大位移與平均位移比)和彈塑性變形驗算時樓層的彈塑性層間位移、樓層的側向剛度比、振型參與質量係數、牆和柱的軸壓比及牆、柱、樑和板的配筋、底層牆和柱底部截面的內力設計值、框架——抗震牆結構抗震牆承受的地震傾覆力矩與總地震傾覆力矩的比值。超筋超限信息等等。

為了分析判斷計算機計算結果是否合理,結構設計計算時,除了有合理的結構方案、正確的結構計算簡圖外,正確填寫抗震設防烈度和場地類別,合理選取電算程序總信息中的其他各項參數也是十分重要的。

現以空間有限元分析與設計程序SATWE為例,結合施工圖審查中發現的問題,來説明有關參數如何合理選取。

結構的抗震等級

在工程設計中,多數房屋建築按其抗震設防分類屬於丙類建築,如民用住宅、辦公樓及一般工業建築等等,其抗震等級可根據烈度、結構類型和房屋的高度按《抗震規範》表6.1.2確定。而電訊、交通、能源、消防和醫療等類建築以及大型體育場館、大型零售商場等公共建築,首先,應當根據《建築抗震設防分標準》(GB50223-95)確定其中哪些建築屬於乙類建築(可能還有甲類建築,本文不涉及)乙、丙類建築,地震作用均按本地區抗震設防烈度計算。對於乙類建築,一般情況下,當抗震設防烈度為6~8度時,抗震措施應符合本地區抗震設防列度提高一度的要求。所謂抗震措施,在這裏主要體現為按本地區設防烈度提高一度由《抗震規範》表6.1.2確定其抗震等級。例如,位於8度地震區(如北京)的乙類建築,應按9度由《抗震規範》表6.1.2確定其抗震等級為一級;當8度乙類建築的高度過表6.1.2規定的範圍時,還應經專門研究,採取比一級抗震等級更有效的抗震措施。如北京某大型零售商場和某***醫院的`門診樓本屬乙類建築,但設計人員錯當成丙類建築來設計,使建築物的抗震能力為降低,不得不對設計計算做重大修改。

地震力的振型組合數

地震力的振型組合數,對高層建築,當不考扭轉耦聯計算時,至少應取3;當振型數多於3時,宜取3 的倍數,但不應多於層數;當房屋層數≤2時,振型數可取層數。對於不規則的結構,當考慮扭轉耦聯時,對高層建築,振型數應取≥9;結構層數較多或結構剛度突變較大,振型數應多取,如結構有轉換層、頂部有小塔樓、多塔結構等,振型數應取≥12或更多,但不能多於房屋層數的3倍;只有當定義彈性樓板,且採用總剛分析,必要時,振型數才可以取的更多。《抗震規範》指出,合適的振型個數一般可以取振型參與質量達到總質量的90%所需的振型數。SATWE等電算程序已有這種功能,可以很方便地輸出這種參與質量的比值。有些設計人員不大重視電算程序使用手冊的應用,選取振型數時比較隨意,這是應當改進。此外,由耦聯計算的地震剪力通常小於非耦聯計算,僅當結構存在明顯示扭轉時才採用耦聯計算,但在必要時應補充非耦聯計算。

結構週期折減係數

框架結構及框架——抗震牆等結構,由於填充牆的存在,使結構的實際剛度大於計算剛度,計算週期大於實際週期,因此,算出的地震剪力偏小,使結構偏於不安全,因而對結構的計算週期進行折減是必要的,但對框架結構的計算週期不折減或折減係數取得過大都是不妥當的。對框架結構,採用砌體填充牆時,週期折減係數可取0.6~0.7;砌體填充牆較少或採用輕質砌塊時,可取0.7~0.8;完全採用輕質牆體板材時,可取0.9.只有無牆的純框架,計算週期才可以不折減。

框架樑、柱箍筋間距

《抗震規範》第6.3.3條及6.3.8條對不同抗震等級的框架樑、柱箍筋加密區的最小箍筋直徑和最大箍筋間距做了了明確規定。根據這些規定,工程習慣上常取樑、柱箍筋加密區最大間距為100mm,非加密區箍筋最大間距為200mm.電算程序總信息中通常也內定樑、柱箍筋加密區間距為100mm,並以此為依據計算出加密區箍筋面積,由設計人員要據規範確定箍筋直徑和肢數。

但是,在程序內定的條件下,當框架樑的跨中部位有次樑或有較大的其他集中荷載作用卻僅配兩肢箍筋時,多數情況下,非加密區箍筋間距採用200mm會使樑的非加密區配箍不足,因此建議程序內定樑箍筋改為取樑的非加密區間距200mm.這樣,既可保證樑非加密區的抗剪承載力,又可適當增加樑端箍筋加密區(箍筋間距為100mm)的抗剪能力,樑的強剪性能更能充分體現。當框架樑由於種種原因縱向鋼筋超筋時,樑端適當加大抗剪承載力對結構抗震非常有利。這也是為什麼當樑端縱向受拉鋼筋配筋率大2%時,規範規定樑的箍筋直徑應比最小構造直徑增大2mm的原因。

對於框架柱,當框架內定柱加密區箍筋間距為100mm時,在某些情況下,亦可能因非加密區箍筋間距採用200mm引起配箍不足。因此,我們也建議程序內定柱的箍筋間距改為取柱的非加密區的箍筋間距200mm.

這裏需要指出的是,樑、柱箍筋非加密區配箍驗算時可不考慮強剪弱彎的要求,即剪力設計值取加密區終點處外側的組合剪力設計值,並且不乘以剪力增大系數。

當然,如果電算程序能同時給出樑、柱箍筋加密區和非加密區的箍筋面積,則於設計者應更加方便了。

地下室層數的輸入處理

多層框架結構房屋有也設置地下室。由於隔牆少,常採用筏板式基礎。在電算時,應將地下室層數和上部結構一起輸入,並在總信息中按實際的地下室層數填寫 .這樣,計算地基和基礎底板的豎向荷載可以一次形成,並且在抗震計算時,程序會自動對框架底層柱底截面的彎矩設計值乘以增大系數。同時通過對層側移剛度比的分析比較,還可以正確判斷和調整房屋的嵌固位置,並採取相應的抗震構造措施,保證樓板有必要的厚度和最小配筋率等等;當結構表現為豎向不規側時,不僅要驗算薄弱層,而且還要對薄弱層的地震剪力乘以1.15的增大系數。如果在結構總體計算時,總信息中填寫的地下室層數少於實際輸入的層數,彎矩設計值增大系數將會乘錯位置,從而在發生地震時,會使極易發生震害的底層柱底部位因抗震能力降低而破壞。