论建筑框架结构设计及计算

【摘 要】建筑框架结构设计是结构设计中较为基础的设计．也是建筑结构设计中较为重要的一种形式。本文作者对框架结构设计及问题处理措施进行了分析。供同行参考与借鉴。

【关键词】建筑框架构造；应用要素；平面布置设计；计算；判断；问题处理措施

1 建筑框架结构体系的五大应用要素

1.1 考虑建筑功能的要求。例如多层建筑空间大、平面布置灵活时。

1.2 考虑建筑高度和高宽比、抗震设防类别、抗震设防烈度、场地条件等因素。

1.3 框架结构体系是介于砌体结构与框架-剪力墙结构之间的可选结构体系。框架结构设计应符合安全适用、技术先进、经济合理、方便施工的原则（结构设计原则）。

1.4 非抗震设计时用于多层及高层建筑。抗震设计时一般情况下框架结构多用多层及小高层建筑（7度区以下）。

1.5 框架结构由于其抗侧刚度较差，因此在地震区不宜设计较高的框架结构。在7度（0.15g）设防区，对于一般民用建筑，层数不宜超过7层，总高度不宜超过28米。在8度（0.3g）设防区，层数不宜超过5层，总高度不宜超过20米。超过以上数据时虽然计算指标均满足规范要求，但是不经济。

2 框架结构平面及竖向布置设计

2.1 为了保证框架结构的抗震安全，结构应具有必要的承载力、刚度、稳定性、延性及耗能等性能。设计中应合理地布置抗侧力构件，减少地震作用下的扭转效应；平面布置宜规则、对称，并应具有良好的整体性；结构的侧向刚度宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小（不应在同一层同时改变构件的截面尺寸和材料强度），避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。

2.2 框架结构宜设计成双向梁柱刚架体系以承受纵横两个方向的地震作用或风荷载。特殊情况下也可以采用一向为刚架，另一向为铰接排架的结构体系。但在铰接排架方向应设置支撑或抗震墙，以保证结构的承载力、刚度和稳定。

2.3 抗震设计的框架结构，不宜采用单跨框架。如果不可避免的话，可设计为框架-剪力墙结构，多层建筑也可仅在单跨方向设置剪力墙。后者框架结构部分的抗震等级应按框架结构选用，而剪力墙部分的抗震等级应按框架-剪力墙结构选用。

2.4 框架结构按抗震设计时，不应采用部分由砌体墙承重之混合形式。框架结构中的楼、电梯间及局部出屋顶的电梯机房、楼梯间、水箱间等，应采用框架承重，不应采用砌体墙承重。

2.5 小高层结构体系采用框架结构，首先尽可能将过于狭长的结构用伸缩缝脱开。如果建筑专业不允许，可通过加大端部开间的抗侧刚度达到限制结构扭转效应的目的。具体可将边框架的角柱断面增大，加大框架梁的高度，如条件允许，中间增加框架柱，既增加框架的跨数。这些方法可以显著增加结构的抗扭刚度。

3 计算分析和判断

3.1 合理性的判断

3.1.1 自振周期：

正常情况下，非耦联计算地震作用时，框架结构基本自振周期:T1=(0.12～0.15)N(N为结构计算层数)。如果计算周期偏离上述值太远，应当考虑本工程刚度是否合适，必要时调整结构截面尺寸。如果结构截面尺寸和布置正常，无特殊情况而计算周期相差太远，应检查输入数据有无错误，震动模型有无异常等。

自振周期应尽可能避开场地土卓越周期，否则会发生类共振。场地土卓越周期是根据覆盖层厚度H和土层剪切波速νs按公式T0=4H/νs计算的周期。塘沽地区场地土的自振周期为0.8～1.0s。1976年唐山地震中7～10层框架结构（自振周期为0.6～1.0s）破坏非常严中，许多甚至一塌到底。而3～5层的混合结构住宅（自振周期小于0.3s）却损毁轻微。这说明建筑物的自振周期与地面特征周期一致或接近时，由于共振作用会使震害更加严重。

研究表明，由于土在地震时的应力应变关系为非线性的，在同一地点，地震时场地的卓越周期并不是不变的，而将因震级大小、震源机制、震中距离的变化而不同。

抗规GB50011不要求结构自振周期避开场地卓越周期。事实上，多自由度结构体系具有多个自振周期，不可能完全避开场地卓越周期。

3.1.2 振型：

正常计算结果的振型曲线多为连续光滑曲线，当沿竖向有非常明显的刚度和质量突变时振型曲线可能有不光滑的畸变点。框架结构的基本振型为剪切型。

3.1.3 位移：

结构的弹性位移角需满足《抗规》第5.5.1条的要求。即Δue/h≤[θc]=1/550。此时位移是在“楼板平面内刚度无限大”假定条件下计算的，且应在单向水平地震作用时不考虑偶然偏心的影响。如果位移值偏小，则可以减小整体结构刚度。如果位移值偏大，则可以增加整体结构刚度。

3.2 渐变性的判断

竖向刚度、质量变化较均匀的结构，在较均匀变化的外力作用下，其内力、位移等计算结果自上而下也应均匀变化，不应有较大的突变，否则应检查结构截面尺寸或输入数据是否正确、合理。

3.3 平衡性的判断

在重力荷载作用下，柱轴力应基本符合近似计算的结果。即Ni=qAi。此处q为单位面积重力荷载，对框架结构约为12～14Kn/ m²，对框架-剪力墙结构约为13～15Kn/ m²，对剪力墙和筒体结构约为14～16Kn/m²。

4 产生问题的处理措施

4.1 角柱

位于建筑平面的凸角部、与柱的正交两个方向各只有一根框架梁与之相连接的框架柱。而位于建筑平面的凹角处，若柱的四边各有一根框架梁与之相连，则可不按角柱对待。

考虑到角柱承受双向地震作用，扭转效应对内力影响较大且受力复杂等，抗震设计中对其抗震措施和抗震构造措施有一些专门的要求。

4.2 梁的挠度、裂缝宽度较大

当梁的挠度不满足规范要求时，可增加梁高或采用梁起拱的措施来解决。不要增加梁宽或加大纵筋。

当梁的裂缝宽度不满足规范要求时，首先在保证钢筋面积不变的情况下钢筋根数增加而直径减小，或者在钢筋相同外形情况下降低钢筋级别。

4.3 非框架梁箍筋不加密

非框架梁主要承受竖向荷载作用，有无抗震设计均不考虑延性，梁端箍筋不加密，其箍筋按内力计算确定，不要求135度弯钩及10倍直径直段。当利用程序自动形成施工图时应选择非抗震计算。

4.4 框架柱混凝土等级高而梁板混凝土等级低时的处理方法

4.4.1 为避免由于轴压比的控制而使柱截面过大，应尽可能提高柱子的混凝土强度等级。

在柱采用高强混凝土之后，梁柱节点区不宜如图5 . 3 . 18 一1 所示，局部做高强混凝土，而宜与楼板（包括梁）采用同一强度，同时浇捣。此时楼板混凝土与柱混凝土之强度级差，可以放大，例如楼板用C30 ，柱子用C60 ，然后再对梁柱节点区之强度（包括抗剪与抗竖向荷载）进行核算，此时节点区之混凝土强度可以按提高后之“折算强度”采用。

图4 . 4 . 1 一1

图4.4.1一1中之做法，过去曾在若干工程中采用，但目前再采用此种做法，有如下几个问题：

（1）目前商品混凝土已普遍采用，其塌落度皆很大。在节点处只浇高强混凝土，支模非常困难，节点处先浇捣的高强混凝土可能会流淌较远，如图中点线所示，将造成梁上很不容易处理的施工缝，而这里正是梁端内力较大，可能形成塑性铰的部位；

（2）节点处所用之少量混凝土，理当随搅拌随浇注，但实际上工地常一次搅拌多量之混凝土，再逐个节点使用，在浇注到最后几个节点时，混凝土的初凝时间可能已经超过。

4.5 关于梁柱中心线不重合时的处理方法

《抗规》第6.1.5条规定“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不宜大于柱宽的1/4”。

《高规》第6.1.3条“……非抗震设计和6～8度抗震设计时不宜大于柱截面在该方向宽度的1/4，如偏心距大于该方向柱宽的1/4时，可采取增设水平加腋等措施。……”。

4.6 钢筋、混凝土等级的选用

钢筋、混凝土等级的选用既要考虑满足规范基本要求，又要考虑其经济性。例如框架梁混凝土，选用C20和C40都满足规范要求。但是选用C20时比较经济。异型柱结构的柱纵筋往往只是构造要求，选用HRB335已满足要求。这种情况下如果选用HRB400则不经济。