多层框架房屋结构设计中几个常见问题

2022-09-10

1 独立基础设计荷载取值问题

钢筋混凝土多层框架房屋多采用柱下独立基础, 《抗震规范) (GB50011-2001) 第4.2.1条指出, 当地基主要受力层范围内不存在软弱粘性土层时, 不超过8层且高度在2 5 m以下的一般民用框架房屋或荷载相当的多层框架厂房, 可不必进行地基和基础的抗震承载力验算。这就是说, 在8度地震区, 大多数钢筋混凝土多层框架房屋可不必进行地基和基础的抗震承载力验算。但这些房屋在基础设计时应考虑风荷载的影口向。因此, 在钢筋混凝土多层框架房屋的整体计算分析中, 必须输入风荷载, 不能因为在地震区高层建筑以外的一般建筑风荷载不起控制作用就不输入。另一种情况是, 在设计独立基础时, 作用在基础顶面上的外荷载 (柱脚内力设计值) 只取轴力设计值和弯矩设计值, 无剪力设计值或者甚至只取轴力设计值。以上两种情况都会导致基础设计尺寸偏小, 配筋偏少, 影响基础本身和上部结构的安全。

2 框架计算简图不合理

无地下室的钢筋混凝土多层框架房屋, 其独立基础埋置较深, 在-0.0 5 m左右设有基础拉梁时, 应将基础拉梁按层1输入。以某学生宿舍楼为例, 该项目为3层钢筋混凝土框架结构, 丙类建筑, 建筑场地为Ⅱ类;层高3.3m, 基础埋深4.0m, 基础高度0.8m, 室内外高差0.4 5 m。根据《抗震规范》第6.1.2条, 在8度地震区该工程框架结构的抗震等级为二级。设计者按3层框架房屋计算, 首层层高取3.3 5 m, 即假定框架房屋嵌固在-0.0 5 m处的基础拉梁顶面;基础拉梁的断面和配筋按构造设计;基础按中心受压计算。显然, 选取这样的计算简图是不妥当的。因为, 第一, 按构造设计的拉粱无法平衡柱脚弯矩;第二, 《混凝土结构设计规范》 (GB50010-2002) 第7.3.11条规定, 框架结构底层柱的高度应取基础顶面至首层楼盖顶面的高度。工程设计经验表明, 这样的框架结构宜按4层进行整体分析计算, 即将基础拉梁层按层1输入, 拉梁上如作用有荷载, 应将荷载一并输入.

这样, 计算剪力的首层层高为H1=4-0.8-0.05=3.15m, 层2层高为3.35m, 层3、层4层高均为3.3 m。根据《抗震规范》第6.2.3条, 框架柱底层柱脚弯矩设计值应乘以增大系数1.2 5。当设拉梁层时, 一般情况下, 要弄清楚底层柱的配筋是由基础顶面处的截面控制还是由基础拉梁顶面处的截面控制。考虑到地基土的约束作用, 对这样的计算简图, 在电算程序总信息输入中, 可填写地下室层数为1, 并复算一次, 按两次计算结果的包络图进行框架结构底层柱的配筋。

3 基础拉梁设计问题

多层框架房屋基础埋深值大时, 为了减小底层柱的计算长度和底层的位移, 可在±0.0 0 0以下适当位置设置基础拉梁, 但不宜按构造要求设置, 宜按框架梁进行设计, 并按规范规定设置箍筋加密区。但就抗震而言, 应采用短柱基础方案。一般说来, 当独立基础埋置不深, 或者埋置虽深但采用了短柱基础时, 由于地基不良或柱子荷载差别较大, 或根据抗震要求, 可沿两个主轴方向设置构造基础拉梁。基础拉梁截面宽度可取柱中心距的1/20~1/30, 高度可取柱中心距的1/12~1/18。构造基础拉梁的截面可取上述限值范围的下限, 纵向受力钢筋可取所连接柱子的最大轴力设计值的1 0%作为拉力或压力来计算, 当为构造配筋, 除满足最小配筋率外, 也不得小于上下各214, 箍筋不得小于8@200。当拉梁上作用有填充墙或楼梯柱等传来的荷载时, 拉梁截面应适当加大, 算出的配筋应和上述构造配筋叠加。构造基础拉梁顶标高通常与基础高或短柱项标高相同。在这种情况下, 基础可按偏心有受压基础设计。当框架底层层高不大或者基础埋置不深时, 有时要把基础拉梁设计得比较强大, 以便用拉梁来平衡柱底弯矩。这时, 拉梁正弯矩钢筋应全跨拉通, 负弯矩钢筋至少应在1/2跨拉通。拉梁正负弯矩钢筋在框架柱内的锚固、拉梁箍筋的加密及有关抗震构造要求与上部框架梁完全相同。此时拉梁宜设置在基础顶部, 不宜设置在基础顶面之上, 基础则可按中心受压设计。

4 结构计算中几个重要参数的选取问题

4.1 结构的抗震等级

在工程设计中, 多数房屋建筑按其抗震设防分类属于丙类建筑, 如民用住宅、办公楼及一般工业建筑等, 其抗震等级可根据烈度、结构类型和房屋的高度, 按《抗震规范》表6.1.2确定, 而对于电讯、交通、能源、消防和医疗等类建筑以及大型体育场馆、大型零售商场等公共建筑, 首先, 应当根据《建筑工程抗震设防分类标准》 (G B 5 0 2 2 3-2004) 确定其中哪些建筑属于乙类建筑 (可能还有甲类建筑, 本文暂不涉及) 。对于乙、丙类建筑, 其地震作用均按本地区抗震设防烈度计算。对于乙类建筑, 一般情况下, 当抗震设防烈度为6~8度时, 抗震措施应符合按本地区抗震设防烈度提高一度的要求。所谓抗震措施, 在这里主要体现为按本地区设防烈度提高一度, 由《抗震规范》表6.1.2确定其抗震等级。例如, 位于8度地震区 (如北京) 的乙类建筑, 应按9度, 由《抗震规范》表6.1.2确定其抗震等级为一级;当8度地区的乙类建筑的高度超过表6.1.2规定的范围时, 还应采取比一级抗震等级更有效的抗震措施。如:某8度地震区城市的一个大型零售商场和一个三级医院的门诊楼本属乙类建筑, 但设计人员错当成丙类建筑来设计, 使建设物的抗震能力大为降低, 不得不对设计计算作重大修改。

4.2 地震力的振型组合数

对于高层建筑, 当不考虑扭转耦联计算时, 地震力的振型组合数至少应取3;当振型数多于3时, 宜取3的倍数, 但不应多于层数;当房屋层数小于等于2时, 振型数可取层数, 对于不规则的高层建筑结构, 当考虑扭转耦联时, 振型数应大于等于9;结构层数较多或结构刚度突变较大时, 振型数应多取, 如结构有转换层, 顶部有小塔楼、属多塔结构等, 振型数应大于等于l 2或更多, 但不能多于房屋层数的3倍;只有当定义弹性楼板, 采用总刚分析, 且必要时, 振型数才可以取得更多。《抗震规范》指出, 合适的振型个数一般可以取振型参与质量达到总质量的9 0%所需的振型数。J S A T W E等电算程序已有这种功能, 可以很方便地输出这种参与质量的比值。有人员不大重视电算程序使用手册的应用, 选取振型数时比较随意, 这是应当改进的。此外, 由耦联计算的地震剪力通常小于非耦联计算得来的数值, 仅当结构存在明显扭转时才采用耦联计算, 但在必要时应补充非耦联计算。

4.3 结构周期折减系数

框架结构及框架一抗震墙等结构中, 由于填充墙的存在, 使结构的实际刚度大于计算刚度, 计算周期大于实际周期, 因此, 算出的地震剪力偏小, 结构显得不安全。因而对结构的计算周期进行折减是必要的, 但若折减系数取得过大也是不妥当的。对于框架结构来说, 采用砌体填充墙时, 周期折减系数可取0.6~0.7;砌体填充墙较少或采用轻质砌块时, 可取0.7~0.8;完全采用轻质墙体板材时, 可取0.9, 只有无墙的纯框架, 计算周期才可以不折减。

4.4 框架粱、柱箍筋间距

《抗震规范》第6.3.3条及6.3.8条对不同抗震等级的框架梁、柱箍筋加密区的最小箍筋直径和最大箍筋间距都作了明确规定。根据这些规定, 工程习惯上常取的梁、柱箍筋加密区最大间距为1 0 0 m m, 非加密区箍筋最大间距为200mm。电算程序总信息中通常也内定梁、柱箍筋加密区间距为1 0 0 m m, 并以此为依据计算出加密区箍筋面积, 由设计人员根据规范确定箍筋直径和肢数。