论混凝土框架结构设计中存在问题及对策

时间：2013-11-29 分类：机械

摘 要：随着经济的发展及地产市场的开发，目前国内设计市场越来越活跃，各地设计公司数量也不断增多，设计质量也差次不齐。介绍了目前工程上在结构设计时经常被广大设计人员忽略的一些问题并提出了自己见解，供参考。

关键词：混凝土;框架;结构设计;问题

前 言

框架结构是指由梁和柱连接构成承重体系的结构，即由梁和柱组成框架共同抵水平荷载和竖向荷载。墙体仅起到围护和分隔作用，一般用轻质板材等材料砌筑。混凝土框架结构广泛用于住宅、学校、办公楼，有时为了争取较大的跨度，对混凝土梁或板施加预应力，以达到使用要求。比如由于缺乏规范依据及相应的设计规定，加之对结构体系概念设计缺乏了解，有些设计人员往往对结构设计把握不够，在实际工程中出现了不少规则性很差、对结构抗震十分不利的结构。

1、电算参数及结果分析

随着我国计算机技术的飞速发展，我国的设计软件也日趋完善。目前，国内在结构设计中，工程中应用较多的结构分析软件主要有两类： 一类是利用薄壁杆件理论的三维杆系结构有限元分析软件，目前工程中常用的TAT、TBSA属于这一类。第二类是利用壳元理论的三维组合结构有限分析软件，SATWE软件属于这类软件。不同的软件有其不同的控制参数，作为设计人员，应理解规范的前提下合理的选择相应的设计参数。以PKPM为例，其结构控制参数就有几十个，比如在SATWE参数地震信息中有：结构平面规则性判断(见《抗规》表3.4.2-1、《高规》4.3节)、结构竖向规则性判断(见《抗规》表3.4.2-2、《高规》4.4节)、框架抗震等级(见《抗规》表6.1.2)、活载质量折减系数(见《抗规》表5.1.3)等。每个参数对应了规范的不同条款，设计时应认真对照规范，合理选择，在此前提下再对结果认真分析，做到经济、安全。轴压比不满足要求，结构的延性要求无法保证，应增大该墙、柱截面或提高该楼层墙、柱混凝土强度;轴压比过小，则说明结构的经济技术指标较差，宜适当减少相应墙、柱的截面面积。

2、框架短柱

短柱效应则是在设计时易被忽视的一个问题。短柱由于其刚度大，吸收地震作用使其时容易受剪，当混凝土抗剪强度不足时，则产生交叉裂缝及脆性破坏，从而引起建筑物或构筑物的破坏甚至倒塌。

其破坏形态多为剪切破坏，无明显征兆，一般而言以多层建筑中设置构造柱的楼梯间、宽度较大的窗台等部位最为典型。如同鞭梢效应一样，这也是一种与地震效应密切相关的效应。

规范规定，房屋建筑中的短柱一般是指柱净高H与截面高度h之比H/h≤4为短柱，工程界许多工程技术人员也都据此来判定短柱，这是一个值得注意的问题。因为确定是不是短柱的参数是柱的剪跨比λ，只有剪跨比λ=M/Vh≤2的柱才是短柱，而柱净高与截面高度之比H/h≤4的柱其剪跨比λ不一定小于2，亦即不一定是短柱。按H/h≤4来判定的主要依据是：①λ=M/Vh≤2;②考虑到框架柱反弯点大都靠近柱中点，取M=0.5VH，则λ=M/Vh=0.5VH/Vh=0.5H/h≤2，由此即得H/h≤4。但是，对于高层建筑，梁、柱线刚度比较小，特别是底部几层，由于受柱底嵌固的影响且梁对柱的约束弯矩较小，反弯点的高度会比柱高的一半高得多，甚至不出现反弯点，此时不宜按H/h≤4来判定短柱，而应按短柱的力学定义λ=M/Vh≤2来判定才是正确的。目前,在工业与民用建筑的框架、框剪设计中,普遍采用PKPM等设计软件进行设计,但目前的软件设计还不完善,在进行电算时,对短柱不能进行自动判别,因此短柱需要设计人员利用电算结果另行设计。

其实，短柱出现时，可以通过多种方法来提高短柱的承载力或变形能力，使短柱的抗震性能获得提高，从而避免发生脆性破坏,保证结构安全。比如可以加强短柱的构造措施：① 尽量减弱短柱的楼层约束，如降低梁的高度、梁与柱采用铰接等;③合理采用箍筋类型，如螺旋箍筋、复合螺旋箍筋、双螺旋箍筋等②增加箍筋的配置，在短柱范围内箍筋的间距不应大于100 mm，柱的纵向钢筋间距≤150 mm;

3、强柱弱梁

目前一些设计人员却并不重视规范这个概念的精神。多次的地震震害表明：混凝土结构，尤其是框架结构的\"强柱弱梁\"概念在工程实际中较难实现。其原因主要有：1结构计算。现行的一些结构计算软件中，在结构内力分析时考虑了楼板对梁的刚度贡献,然而却在梁的承载力配筋中未考虑，造成梁配筋偏大; 2计算梁端截面配筋时，由于考虑了梁的裂缝，由此而控制梁端截面的配筋;3梁端配筋采用柱中线处内力，实际上柱中线截面弯矩比柱边截面的弯矩要大些，目前在PKPM中的梁柱结点是否形成刚域对此有控制开关，可供设计人员控制;4钢筋归并及人为放大梁支座配筋及跨中配筋。

我们知道框架结构是超静定结构，如在柱上出现塑性铰，结构就有可能成为机构，整个结构就会失稳倒塌，但是如果在梁上出现塑性铰后结构仍为超静定结构，对整个结构的影响较少，也不至于结构整体的失稳;为了使框架结构在地震作用下塑性铰首先在梁中出现，这就必须做到在同一节点柱的抗弯能力大于梁的抗弯能力，即满足\"强柱弱梁\" 的要求。因此规范提出\"强柱弱梁\"这一概念设计是十分的重要的，规范中的梁端负弯矩调幅及抗震设计时的柱端弯矩放大系数都体现了\"强柱弱梁\"这种抗震理念。强柱弱梁只是一种抗震概念，没有人为了体现强柱弱梁这个概念故意把柱截面做大，层高做小来增加其线刚度，也不是说梁的线刚度比柱的线刚度大就没有体现强柱弱梁这个概念，要体现\"强柱弱梁\"是多方面的原因，除了刚度比之外，配筋及一些构造措施也不能忽视。#p#分页标题#e#

规范保证\"强柱弱梁\"的措施是对柱端弯矩乘以放大系数，强柱弱梁就是要保证在梁上先出现塑性铰而不是在柱子上先出现，因此，要柱子的承载力要大于梁的承载力，规范里就是根据各种抗震等级规定了各种各样的柱端弯矩放大系数来实现它的,与梁柱线刚度比并无直接的关系，我们可以通过加强柱的配筋来做到强柱弱梁的要求，但要适当控制其可能对柱端内力调整造成的影响。

4、关于板面设置温度应力筋

《混凝土结构设计规范》( G B50010-2002)第10.1.9条规定在温度收缩应力较大的现浇板区域内， 钢筋间距宜取为150~200mm，并应在板的未配筋表面布置温度收缩钢筋，板的上下表面沿纵横两个方向的配筋率均不宜小于0.1% ，河北省地方技术措施中也有对于屋面板板面负筋宜通长布置的说法。对于规范中所提\"温度收缩应力较大区域\"这一条设计人员的理解又会产生出入。工程中什么区域属于温度收缩应力较大的区域，仅是板跨较大还是屋面板等这些外露构件为温度收缩应力较大的区域，这其实是一个难题。不过，根据工程经验来说，一般认为对于一般结构形式规则且较短的建筑，我们可以在各楼面边跨及屋面层设置相应的温度应力钢筋，而对于超长结构，则建议在超长结构的长向均应设置双层钢筋或设后浇带来处理。其余部位则可因人而异但不必过于强调。

5、结束语

对于结构设计人员来说，先应对其设计计算的软件功能有确切的了解，再选取切合实际情况参数和符合现行规范要求的计算方法，通过合理控制各项指标，认真仔细比对结构方案和分析相应计算结果进行正确的判别。

参考文献

[1] 中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部《PKPM用户手册及技术条件》及《SATWEE用户手册及技术条件》[CP].

[2] 唐世润.钢筋混凝土框架结构设计的智能CAD系统[D].哈尔滨工业大学，2006.

[3] 《建筑抗震设计规范》 [Z] 中国建筑工业出版社.2001