浅谈框架结构设计的心得体会

浅谈框架结构设计的心得体会

摘要框架结构是最常见的承重结构体系，本文从框架结构概念设计、内力和位移的计算机计算、构造要求等要点出发，介绍钢筋混凝土框架结构的设计要点及注意事项。特别是在框架结构内力和位移的计算机计算方面，结合自己的设计经验，针对“刚性楼板假定”、“偶然偏心”、“结构扭转效应”等主要结构计算参数的选取提出了笔者的一些见解。另外，还从框架梁、框架柱、节点等构造要求列举了主要的注意事项。

关键词框架结构概念设计内力位移构造要求

框架结构是由横梁和立柱组成的杆件体系，是最常见的承重结构体系。由于框架结构柱网布置灵活，能获得较大的使用空间，在办公楼、教学楼、住宅楼、公寓以及商业建筑中常常采用。下面结合框架设计过程和实际工程设计经验，谈一谈钢筋混凝土框架结构的设计要点及注意事项。

一、框架结构概念设计

一个合格的结构设计人员应该清楚地认识到框架结构设计中，概念设计与结构措施的至关重要性。

首先我们要控制房屋适用高度和结构高宽比，若结构的高宽比大，则倾覆力矩也大。为了帮助设计者在初步设计阶段根据结构高度和结构体系确定比较合理而经济的平面尺寸，宏观控制结构的刚度、稳定和承载力，《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)规定了框架结构的高宽比限值。

其次是结构布置简单规则均匀。结构简单包含有三层意思，即(1)结构的类别划分，计算模型清楚；(2)各结构构件力学功能分工，在荷载和作用下传力路线直接、明确；(3)其受力、薄弱环节及抗震性能估计把握，精细分析程序可靠。这就要求工程师在熟练运用计算机设计程序的同时，更要掌握必要的框架结构简化估算方法。结构规则均匀要求含平面和立面两部分，包括刚度、承载力和传力途径三个方面。要求框架结构在可能的情况下，在竖向建筑造型和结构布置上均匀，刚度、承载力和传力途径均无突变，从而限制应力集中、过大变形和敏感薄弱部位的出现；在建筑平面上规则，结构布置均匀，尽量减少里出外进、凹凸不

平，尽量避免部分结构超强造成结构的相对薄弱部位，该强的强，该弱的弱；尽量使荷载和作用能用短而直接的途径传播，尽量使质量中心和刚度中心重合或接近。

最后是刚柔适度。事实表明，结构的变形越小，地震的危害就越小。但是不能得出刚度越大越好的结论，因为刚度愈大，地震作用愈大，材料用量会增加。此外，结构振动和变形的大小不仅和结构刚度有关，还与场地土有关．当结构自振周期与场地土的卓越周期接近时，建筑物的地震反应会加大，无论振动变形还是地震力都会加大。因此，对于框架结构设计，不能做出“刚一些好”还是“柔一些好”的简单结论，应该结合结构的具体高度、场地条件等进行综合判断。

二、框架结构内力和位移的计算机计算

随着计算机的迅猛发展和广泛应用，使得结构计算软件在结构设计中得到大量的应用，结构设计人员的工作效率提高，也使得一部分结构设计人员对结构计算软件产生过度依赖，以为结构计算软件满足，结构设计就是合理、安全的，有的设计人员甚至不假思索、调整，直接以软件自动生成的施工图作为实际施工图，殊不知结构计算软件毕竟是我们的工具，结构设计人员应该对结构软件中各种参数进行合理选取，并对计算结果的合理性作出判断。

1．“对所有楼层采用刚性板假定”该如何选择。《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)和《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)均要求，在计算结构的位移比时，要采用刚性楼盖。因此，设计人员在计算此项指标时应考虑“强制执行刚性板假定”。结构的位移比是反映结构扭转效应的一项重要指标，为了避免由于局部振动的存在而影响结构位移比的正确计算，规范规定在附性板假定下计算结构的位移比。这里需要说明的是，在计算结构的内力和配筋时，则宜将此选项去掉。

2．何时考虑“偶然偏心”。《高规》第3.3.3条规定：计算单向地震作用时应考虑偶然偏心的影响。附加偏心距可取与地震作用方向垂直的建筑物边长的5%。

控制偶然偏心的主要目的是控制结构的扭转效应。当结构在偶然偏心作用下的位移比大于1.2时，则说明该结构的质量和刚度的分布比较不均匀，抗扭转的能力比较差。

对于高层建筑，即便是均匀、对称的结构，也应考虑偶然偏心的影响；对于多层建筑，则可以不考虑偶然偏心的影响。

3．结构扭转效应的判断。结构的周期比是判断结构扭转效应的重要指标之一，《高规》第4.3.5条规定：结构以扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期Tl之比，A级高度高层建筑不应大于0.9，目前的程序没有直接输出结构的周期比，需要设计人员根据程序的计算结果自行计算。在确定结构的第一平动周期和扭转周期时主要注意以下几点：(1)根据工程具体情况，确定平动和扭转系数所占百分比；第一平动周期所对应的振型应该越单纯越好。平动与扭转系数所占百分比为多少合适，规范并没有说明，应根据具体情况而定。对于第一扭转周期的判断，则根据《高规》第3.4.5条的条文说明中的解释，在两个平动和一个转动构成的三个方向因子中，当转动方向因子大于0.5时，则该振型可认为是扭转为主的振型。(2)查看振型图，看结构在该振型作用下是否为整体振动。

三、框架结构构造要求

1．框架柱构造要求。影响框架柱延性耗能的主要因素可归纳为柱剪跨比、轴压比和箍筋配置等，对此规范都做了具体规定，如柱剪跨比宜大于2；柱截面高宽比不宜大于3。柱剪跨比不大于2时，应按短柱进行相关处理。

柱可沿全高分阶段改变截面尺寸和混凝土强度等级，但不宜在同一楼层同时改变截面尺寸和混凝土强度等级。

一、二级抗震等级框架柱的各部位以及三级抗震等级柱的底部的受力钢筋宜采用机械连接接头，也可采用绑扎搭接或焊接接头；其他情况可采用绑扎搭接或焊接接头；钢筋连接接头宜避开有抗震设防要求的梁端、柱端箍筋加密区（即塑性铰区），当无法避开时，应采用I级或Ⅱ级机械连接接头，且接头百分率不应大于50%。

2．框架梁构造要求。框架梁不设弯起钢筋，全部剪力由箍筋和混凝土承担。框架梁的配筋率、配筋布置以及抗震设计时，梁端箍筋的加密区长度、箍筋最大间距和最小直径应符合《混凝土结构设计规范》、《建筑抗震设计规范》和《高层建筑混凝土结构技术规程》的有关规定。

应当注意，为使梁端塑性铰区截面有比较大的曲率延性和良好的转动能力，成为延性耗能梁，梁端混凝土受压区高度应满足以下要求：一级框架梁，≤0.25，二、三级框架梁，≤0.35。

为减小框架梁端塑性铰区范围内的相对受压区高度，塑性铰区截面底部必须配置受压钢筋。受压钢筋的面积除按计算确定外，与顶面受拉钢筋面积的比值还应满足以下要求：一级框架梁，≥0.5，二、三级框架梁，≥0.3。

3．节点构造要求。在竖向荷载和地震作用下，框架梁柱节点主要承受柱传来的轴向力、弯矩、剪力和梁传来的弯矩、剪力。节点区的破坏形式为由主拉应力引起的剪切破坏。如果节点未设箍筋或箍筋不足，则由于其抗剪能力不足，节点区出现多条交叉斜裂缝，斜裂缝间混凝土被压碎，柱内纵向钢筋压屈，所以应该重视框架梁、柱节点核心区的设计。

框架梁、柱节点核心区应符合下列要求：

(1)应根据《建筑抗震设计规范》GB50011附录D．2的规定，分别按节点的内、外核心区验算节点受剪承载力；

(2)节点内核心区的配箍量及构造要求同普通框架；

四、结束语

钢筋混凝土框架结构虽然相对简单，但设计中仍有很多需要注意的事项，只有结构设计人员既有扎实的理论功底，又有丰富的工程经验，并且熟练掌握各种规范，结合概念设计，才能设计出既安全、可靠，又经济、合理的建筑物。