钢筋混凝土框架结构设计与计算探讨

2023-02-14

框架是由横梁和立柱联合组成能同时承受竖向荷载和水平荷载的结构构件[1]。在一般的工业和民用建筑中, 框架的横梁和立柱都是刚性连接的, 它们间的夹角在受力前后是保持一致的。钢筋混凝土框架结构是由楼板、粱、柱及基础四种承重构件组成的, 由主梁、柱与基础构成平面框架, 各平面框架再由连续梁连接起来而形成的空间结构体系。钢筋混凝土多层框架结构是一种常用的结构形式, 具有传力明确、结构布置灵活、抗震性和整体性好的优点, 目前已被广泛地应用于各类多层的工业与民用建筑中。近年来, 随着计算机技术的不断发展, 框架结构的计算也由手算转向电算, 计算精度日益提高[2]。在进行钢筋混凝土框架结构设计时, 必须充分考虑诸如《建筑工程抗震设防分类标准》、《建筑抗震设计规范》、混凝土结构设计规范 (GB50010-2002) 等标准和规范。本文将对钢筋混凝土框架结构的设计、计算和构造措施等进行探讨, 从而为框架结构的分析和设计提供一定的参考。

1 框架结构设计与计算

1.1 框架结构的设计特点

在进行框架结构设计时, 必须同时竖向荷载和水平荷载的组合, 而且在竖向荷载和水平荷载的共同作用下, 由梁、柱变形所引起的侧向位移往往是设计的控制因素。框架结构的特点、结构受力使得结构方案的选择十分重要。罗福午等[1]认为框架结构有以下的特点: (1) 梁柱间的连接为刚结点; (2) 梁端一般有负弯矩, 但梁在荷载作用下只考虑弯曲和剪切; (3) 柱在荷载作用下剪切不计, 只受弯曲和压缩; (4) 不能采用“几何可变体系”的框架, 提倡选用超静定框架结构。

框架结构方案的选择与框架结构的抗震是密切相关的。结构抗震概念设计的目标是使整体结构能发挥耗散地震能量的作用, 避免结构出现敏感的薄弱部位, 地震能量的耗散仅集中在极少数薄弱部位, 导致结构过早破坏。杨永青[3]认为钢筋混凝土框架结构结构方案的选择应具有结构的简单性、整体性、规则性、均匀性、具有刚度和抗震能力。

《建筑抗震设计规范》[4]2 0 0 8修订版里对框架结构的设计提出了一些新的明确规定:框架结构的围护墙和隔墙, 应考虑其设置对结构抗震的不利影响, 避免不合理设置而导致主体结构的破坏;框架结构和框架-抗震墙结构中, 框架和抗震墙均应双向设置, 柱中线与抗震墙中线、梁中线与柱中线之间偏心距大于柱宽的1/4时, 应计入偏心的影响。高层的框架结构不应采用单跨框架结构, 多层框架结构不宜采用单跨框架结构。

1.2 框架结构的计算

在进行设计时, 很重要的一环是框架结构的内力计算。过去都是采用近似的手算法, 随着计算机科学技术的发展, 运用矩阵位移法原理、利用计算机这一先进的计算工具, 使超静定结构内力的精确求解已成为可能[5]。对于框架结构这样复杂的超高次静不定结构的内力计算也可以利用计算机求得精确解。结构计算模型的确定影响计算结果的合理性以及后期对框架结构的设计。选取合适的软件是进行框架结构设计高效、准确, 是决定结构设计质量的关键。

1.2.1 计算简图的确定

计算简图是计算模型及作用在结构上的荷载共同构成的。结构计算中, 计算简图选取的正确与否, 直接影响到计算结果的准确性。实际结构复杂, 如果完全按照实际结构进行计算, 必然会带来相当大的计算量, 而且实践证明也没有必要如此精确地按照实际结构进行计算。因此, 在进行结构计算时, 就应该进行计算模型的简化。计算简图要反映实际结构的主要力学性能, 与实际结构尽可能相吻合, 能够进行结构计算;根据不同的计算手段, 采用相应的计算简图;使用计算机软件计算, 可以采用空间结构计算简图, 或者采用实体模型进行有限元分析[6]。

最具有代表性的例子是当基础埋深较大时, 为增大结构的整体性而设置了基础连梁, 此时, 框架结构的计算简图应将基础连系梁以下的部分看作底层, 框架柱的H值应取基础顶面至连系梁顶面的高度, 把建筑的底层作为第二层考虑, 层高H取连系梁顶层至一层楼面高度 (如图1所示) 。某1 1层框架结构大楼, 乙类建筑, 建筑场地为Ⅱ类, 大楼首层层高3.5 m, 其他层高均为3 m, 基础埋深5 m, 基础高度1 m, 室内外高差0.45m, 在地面标高-0.05m左右设有基础连梁。该框架结构大楼宜按l 2层进行整体分析计算。计算简图的首层层高H的计算应为H=5-1-0.05=3.95m, 二层H1取值应为H1=3.5+0.05=3.55m。

1.2.2计算软件的选择

当计算简图已经确定完毕以后, 就选择恰当的软件进行结构计算。在进行计算机软件算前后, 设计人员必须对软件的计算原理及适用范围有一个清晰的认识。在结构计算与分析阶段, 如何准确, 高效地对工程进行内力分析并按照规范要求进行设计和处理, 是决定结构设计质量好坏的关键。目前比较通用的计算软件有:S A T W E、T A T、T B S A或E T A B S、S A P等。不同的计算软件在采用的计算模型和计算简图上存在差异, 因此导致了各个软件计算结果之间有所不同。因此, 在进行框架结构的结构计算和分析时必须选择适合框架结构特点的合理的计算软件。如果选择了不合适的计算软件, 不但会浪费大量的人力物力, 而且有可能使结构有不安全的隐患存在。

比如T A T软件计算程序主要适用于各种体型的框架, 是计算框架结构的主流软件之一。其具体解题能力为:计算结构层数≤100;每层柱+无柱节点数≤500;每层墙数≤200;每层斜柱+支撑数≤200;每层梁数≤1000。

1.2.3 结构计算软件参数的合理选取

(1) 振型组合数的合理选取。建筑抗震设计规范在条文说明中明确指出:振型数表1周期折减系数选取可以取振型参与质量达到总质量9 0%所需的振型数。比如对某一大楼, 选取的振型数为15 (大于9且为3的倍数) , 但如果振型参与质量系数不足9 0%。则表明振型数取得不够, 可能的原因是该大楼结构较复杂或由于某些杆件不连续导致局部震动引起的。

(2) 周期折减系数。叶倩[6]认为在弹性阶段的早期, 填充墙的刚度很大, 可以吸收了较多的地震力, 若按计算周期计算地震作用结果偏小。因此结构类型的不同和填充墙的多少确定了周期折减系数的选取, 如表1所示。

1.2.4 计算结果的分析

当采用合适的计算软件得到计算结果以后, 设计人员不能够直接就利用电脑计算出来的结果, 还应该对计算结果进行分析和比较。

在框架结构计算中, 不论是采用平面框架模型或者空间框架模型, 都没有考虑地基不均匀沉降对框架结构计算不利影响[7]。框架结构这种结构形式又对不均匀沉降十分敏感。若地质条件不好, 则结构必然产生不均匀沉降, 主要依靠上部结构整体刚度及结构的整体性来抵抗地基的不均匀沉降。因此在结构设计中设计人员就应该加强上部结构的刚度, 提高结构构件的承载力和延性, 以提高结构抵抗不均匀沉降的能力, 不能仅按计算结果进行设计。设计人员根据计算结果进行设计时, 还应该重视框架结构的柱、梁和节点构造措施[8]。

2 结语

框架结构的设计与计算是密切相关的。本文通过对框架结构的设计与计算的探讨, 得出以下结论: (1) 设计人员应该明确框架结构所特有的优点, 也应该重视框架结构的缺陷;在结构方案构思中显得尤其重要, 框架结构的设计应该满足一定的要求。 (2) 计算机已经广泛应用于结构设计当中, 合理结构计算简图和计算模型是十分重要的, 因为错误的结构计算模型必将导致计算结果的错误, 错误计算结果作为结构设计的依据可能导致结构设计的错误;任何结构计算软件都有其局限性, 设计人员应该对各种计算软件有相当的理解, 对软件的力学模型有比较深人的了解, 才能选择合适的计算软件进行框架结构的内力计算。

摘要：钢筋混凝土框架结构是我国目前工业和民用建筑中应用广泛的结构形式之一。汶川大地震后, 新修订的《建筑工程抗震设防分类标准》和《建筑抗震设计规范》对钢筋混凝土框架结构的抗震设计、结构计算和构造措施等提出了新的要求。本文针对钢筋混凝土框架结构的特点, 探讨钢筋混凝土的结构设计和计算的问题, 介绍了钢筋混凝土结构的计算机模型, 并为钢筋混凝土结构的分析和设计提供一定的参考价值。

关键词：钢筋混凝土框架结构,抗震设计,结构设计,结构计算