概念设计在钢框架中的应用

【摘要】随着建筑造型和建筑功能要求日趋多样化，无论是工业建筑还是民用建筑，在结构设计中遇到的各种难题也日益增多，建筑结构设计是建设工程设计的重要环节，是保障建筑结构安全、实现建筑使用功能的灵魂。文章针对框架结构设计中常见的几个问题进行分析，并提出相应的解决措施。

【关键词】钢框架；抗震概念；设计；应用；问题

一、概念设计与抗震概念设计

概念设计的提法起源于英美等国，他们将设计工作分成“概念设计”、“基本设计”与“详细设计”。它是以工程概念为依据，用符合工程规律和本质的方法，对设计对象作客观的控制。具体而言就是制定方案，包括总体系和分体系布局及处理原则。其宗旨是在特定的建筑空间和环境条件下用整体概念考虑总体方案，有意识发挥和利用总体系与各基本分体系之间的力学特性关系。在建筑方案阶段，应用概念性近似计算方法，能迅速有效对结构体系进行构思、比较和选择。

抗震概念设计是概念设计的一个重要方面。我国《建筑抗震设计规范GB5011-2001》中指出建筑抗震概念设计是指根据地震灾害及工程经验等所形成基本设计思想。进行建筑和结构总体布置，并确定细部构造过程。即在建筑抗震设计之前，为了实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”三水准抗震预防标准。本着以预防为主的方针，以工程实践经验为基础，对建筑物造型、平立面布局、结构体系选取、建筑材料的使用等方面采取一系列有利于增强建筑物抗震性能的方法、措施和手段。

二、抗震概念设计在钢筋混凝土框架中的应用

2.1 梁的抗震措施

为了保证梁有足够的延性，提高塑性铰区压区混凝土的极限压应变值，并防止在塑性铰区内最终发生斜裂缝破坏，在梁端纵筋屈服范围内加密封闭式箍筋，对提高梁的变形能力十分有效。同时，为了防止压筋过早压曲，应严格遵照《抗震规范》限制箍筋的间距。

梁内纵筋锚固在反复恒载作用下，在纵向钢筋埋入梁柱节点的相当长度范围内，混凝土与钢筋之间的粘结力将发生严重破坏。因此，应注意在地震作用下框架梁中纵向钢筋的锚固长度，一般应比《结构规范》中所规定的受拉钢筋基本锚固长度大。

2.2 柱的抗震措施

柱的平均剪应力太大，会使柱产生脆性的剪切破坏。平均压应力或轴压比太大会使柱产生混凝土压碎破坏。为了使柱有足够的延性，柱截面尺寸应符合以下要求：柱截面的长边应小于柱净高的1/4，且柱截面的宽度不宜小于300mm；当剪压比保持较低时，可获得较好的延性，为此柱端截面的平均剪应力一般宜小于3N/mm。

柱纵向钢筋的配置。柱中纵向钢筋宜对称配筋：为了保证柱有足够的延性，柱的最小配筋率必须满足《抗震规范》要求；纵向钢筋的接头，一级框架应采用焊接接头；二级宜采用焊接接头，而底层柱根应焊接；三级可采用搭接，而底层柱根宜焊接；直径大于32mm的钢筋必须采用焊接。在纵向钢筋连接区段内宜加密箍筋，防止纵向钢筋的压曲，增加粘结度。

柱的箍筋。在地震力的反复作用下，柱端钢筋保护层往往首先碎落。这时，如无足够的箍筋约束，纵筋就会向外膨曲，柱端破坏。箍筋对柱的核心混凝土起着有效的约束作用，提高配箍率可以显著提高受压混凝土的极限压应变，从而有效增加柱的延性。因此，设计人员应遵照《抗震规范》对框架柱的箍筋构造要求。

2.3 计算简图的处理

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，其中比较典型的是基础梁的处理。一般情况下，基础梁设置在基础高度范围内，作为基础的一部分，此时结构的底层计算高度应取基础顶面至一层楼板顶面的高度。基础梁仅考虑承担上部墙体荷载，构造满足普通梁的要求即可。当按规范要求需设置基础拉梁时，其断面和配筋可按构造设计，截面高度取柱中心距的1/12～1/18，纵向受力钢筋取所连接的柱子的最大轴力设计值的10%作为拉力来计算。但是，当基础埋深过大时，为了减少底层的计算高度和底层的位移，设计者往往在±0.000以下的某个适当位置设置基础拉梁。此时，基础拉梁应作为一层输入，底层计算高度应取基础顶面至基础拉梁顶面的高度，二层计算高度应取基础拉梁顶面至一层楼板顶面的高度。拉梁层无楼板，应开洞处理，并采用总刚分析方法进行计算。基础拉梁截面及配筋按实际计算结果采用。若因此造成底层框架柱形成短柱，应采取构造措施予以加强。另一个需要注意的是，当框架结构的电梯井道采用钢筋混凝土井壁时（设计时应尽量避免），计算简图一定要按实际情况输入，否则可能会造成顶部框架柱设计不安全。

注意重点。抗震验算时不同的楼盖及布置（整体性）决定了采用刚性、刚柔、柔性理论计算。抗震验算时应特别注意场地土类别。8度超过5层有条件时，尽量加剪力墙，可大大改善结构的抗震性能。框架结构应设计成双向梁柱刚接体系，但也允许部分的框架梁搭在另一框架梁上。应加强垂直地震作用的设计，从震害分析，规范给出的垂直地震作用尚存异议。雨篷不得从填充墙内出挑。大跨度雨篷、阳台等处梁应考虑抗扭。框架梁、柱的混凝土等级宜相差一级。由于某些原因造成梁或过梁等截面较大时，应验算构件的最小配筋率。出屋面的楼电梯间不得采用砖混结构。框架结构中的电梯井壁宜采用粘土砖砌筑，但不能采用砖墙承重。

三、从概念设计上着手注意几个问题

3.1 关于强柱弱梁节点

这是为了实现在罕遇地震作用下，让梁端形成塑形铰，柱端处于非弹性工作状态，而没有屈服，但节点还处于弹性工作阶段。强柱弱梁措施的强弱，也就是相对于梁端截面实际抗弯能力而言柱端截面抗弯能力增强幅度的大小，是决定由强震引起柱端截面屈服后塑性转动能否不超过其塑性转动能力，而且不致形成侧移机构，从而使柱不被压溃的关键控制措施。柱强于梁的幅度大小取决于梁端纵筋不可避免的构造超配程度的大小，以及结构在梁、柱端塑性铰逐步形成过程中的塑性内力重分布和动力特征的相应变化。因此，当建筑许可时，尽可能将柱的截面尺寸做得大些，使柱的线刚度与梁的线刚度的比值尽可能大于1，并控制柱的轴压比满足规范要求，以增加延性。验算截面承载力时，人为地将柱的设计弯距按强柱弱梁原则调整放大，加强柱的配筋构造。梁端纵向受拉钢筋的配筋不得过高，以免在罕遇地震中进入屈服阶段不能形成塑性铰或塑性铰转移到立柱上。注意节点构造，让塑性铰向梁跨内移。

3.2 关于“强剪弱弯”措施

强剪弱弯是保证构件延性，防止脆性破坏的重要原则，它要求人为加大各承重构件相对于其抗弯能力的抗剪承载力，使这些部位在结构经历罕遇地震的过程中以足够的保证率不出现脆性剪切失效。对于框架结构中的框架梁应注意抗剪验算和构造，使其满足相关规范要求。

3.3 注意构造措施

对于大跨度柱网的框架结构，在楼梯间处的框架柱由于楼梯平台梁与其相连，使得楼梯问处的柱可能成为短柱，应对柱箍筋全长加密。这一点，在设计中容易被忽视，应引起重视。对框架结构外立面为带形窗时，因设置连续的窗过梁，使外框架柱可能成为短柱，应注意加强构造措施。对于框架结构长度略超过规范限值，建筑功能需要不允许留缝时，为减少有害裂缝（规范规定裂缝宽度小于0.3mm），建议采用补偿混凝土浇筑。采用细而密的双向配筋，构造间距宜小于150mm，对屋面宜设置后浇带，后浇带处按构造措施宜适当加强。其它构造措施限于篇幅，这里不再赘述，请详见新规范。

参考文献

[1] 虞莹. 浅论钢筋混凝土框架结构设计. 城市建设与商业网点.2009

[2] 陈敬文. 建筑框架结构设计原则及注意事项. 轻工设计.2011