鋼筋混凝土多層框架房屋結(jié)構(gòu)設計中應注意的幾個問題
2008-08-12 00:00
| 1. 獨立基礎設計荷載取值不當 鋼筋混凝土多層框架房屋多采用柱下獨立基礎，《抗震規(guī)范》(GB50011-2001)第4.2.1條指出，當?shù)鼗饕芰臃秶鷥?nèi)不存在軟弱粘性土層時，不超過8層且高度在25m以下的一般民用框架房屋或荷載相當?shù)亩鄬涌蚣軓S房，可不必進行地基和基礎的抗震承載力驗算。這就是說，在8度地震區(qū)，大多數(shù)鋼筋混凝土多層框架房屋可不必進行地基和基礎的抗震承載力驗算。但這些房屋在基礎設計時應考慮風荷載的影響。因此，在鋼筋混凝土多層框架房屋的整體計算分析中，必須輸入風荷載，不能因為在地震區(qū)高層建筑以外的一般建筑風荷載不起控制作用就不輸入。 另一種情況是，在設計獨立基礎時，作用在基礎頂面上的外荷載（柱腳內(nèi)力設計值）只取軸力設計值和彎矩設計值，無剪力設計值，或者甚至只取軸力設計值。以上兩種情況都會導致基礎設計尺寸偏小，配筋偏少，影響基礎本向和上部結(jié)構(gòu)的安全。 2. 框架計算簡圖不合理 無地下室的鋼筋混凝土多層框架房屋，獨立基礎埋置較深，在-0.05m左右設有基礎拉梁時，應將基礎拉梁按層1輸入。以某學生宿舍樓為例，該項目為3層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，丙類建筑，建筑場地為Ⅱ類；層高3.3m，基礎埋深4.0m基礎高度0.8m，室內(nèi)外高差0.45m。根據(jù)《抗震規(guī)范》第6.1.2條，在8度地震區(qū)該工程框架結(jié)構(gòu)的抗震等級為二級。設計者按3層框架房屋計算，首層層高取3.35m，即假定框架房屋嵌固在-0.05m處的基礎拉梁頂面；基礎拉梁的斷面和配筋按構(gòu)造設計；基礎按中心受壓計算。顯然，選取這樣的計算簡圖是不妥當?shù)?。因為，第一，按?gòu)造設計的拉梁無法平衡柱腳彎矩；第二，《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（GB50010-2002）第7.3.11條規(guī)定，框架結(jié)構(gòu)底柱的高度應取基礎頂面至首層樓蓋頂面的高度。工程設計經(jīng)驗表明，這樣的框架結(jié)構(gòu)宜按4層進行整體分析計算，即將基礎拉梁層按層1輸入，拉梁上如作用有荷載，應將荷載一并輸入。 這樣，計算剪力的首層層高為H1=4-0.8-0.05=3.15m，層2層高為3.35m，層3、4層高為3.3m。根據(jù)《抗震規(guī)范》第6.2.3條，框架柱底層柱腳彎矩設計值應乘以增大系數(shù)1.25。當設拉梁層時，一般情況下，要比較底層柱的配筋是由基礎頂面處的截面控制還是由基礎拉梁頂面處的截面控制?？紤]到地基土的約束作用，對這樣的計算簡圖，在電算程序總信息輸入中，可填寫地下室層數(shù)為1，并復算一次，按兩計算結(jié)果的包絡圖進行框架結(jié)構(gòu)底層柱的配筋。 3. 基礎拉梁層的計算模型不符合實際情況 基礎拉梁層無樓板，用TAT或SATWE等電算程序進行框架整體計算時，樓板厚度應取零，并定義彈性節(jié)點，用總剛分析方法進行分析計算。有時雖然樓板厚度取零，也定義彈性節(jié)點，但未采用總剛分析，程序分析時自動按剛性樓面假定進行計算，與實際情況不符。房屋平面不規(guī)則，要特別注意這一點。 [Page] 4. 基礎拉梁設計不當 多層框架房屋基礎埋深值大時，為了減速小底層柱的計算長度和底層的位移，可在±0.000以下適當位置設置基礎拉梁，但不宜按構(gòu)造要求設置，宜按框架梁進行設計，并按規(guī)范規(guī)定設置箍筋加密區(qū)。但就抗震而言，應采用短柱基礎方案。 一般說來，當獨立基礎埋置不深，或者過去時置雖深但采用了短柱基礎時，由于地基不良或柱子荷載差別較大，或根據(jù)抗震要求，可沿兩個主軸方向設置構(gòu)造基礎拉梁?；A拉梁截面寬度可取柱中心距的1/20～1/30，高度可取柱中心距的1/12～1/18。構(gòu)造基礎拉梁的截面可取上述限值范圍的下限，縱向受力鋼筋可取所連接柱子的最大軸力設計值的10％作為拉力或壓力來計算，當為構(gòu)造配筋，除滿足最小配筋率外，也不得小于上下各2Ⅱ14，配筋不得小于Ⅰ8-200。當拉梁上作用有填充墻或樓梯柱等傳來的荷載時，拉梁截面應適當加大，算出的配筋應和上述構(gòu)造配筋疊加。構(gòu)造基礎拉梁頂標高通常與基礎高或短柱頂標高相同。在這種情況下，基礎可按偏心有受壓基礎設計。 當框架底層層高不大或者基礎過去埋置不深時，有時要把基礎拉梁設計得比較強大，以便用拉梁來平衡柱底彎矩。這時，拉梁正彎矩鋼筋應全跨拉通，負彎矩鋼筋至少應在1/2跨拉通。拉梁正負彎矩鋼筋在框架柱內(nèi)的錨固、拉梁箍筋的加密及有關抗震構(gòu)造要求與上部框架梁完全相同。 此時拉梁宜設置在基礎頂部，不宜設置在基礎頂面之上，基礎則可按中心受壓設計。 5. 框架結(jié)構(gòu)帶樓電梯小井筒 框架結(jié)構(gòu)應盡量避免設置鋼筋混凝土樓電梯小井筒。因為井筒的存在會吸收較大的地震剪力，相應地減少框架結(jié)構(gòu)承擔的地震剪力，而且井筒下基礎設計也比較困難，故這些井筒多采用砌體材料做填充墻形成隔墻。當必須設計鋼筋混凝土井筒時，井筒墻壁厚度應當減薄，并通過開豎縫、開結(jié)構(gòu)洞等辦法進行剛度弱化；配筋也只宜配置少量單排鋼筋，以減小井筒的作用。設計計算時，除按框架確定抗震等級并計算外，還應按帶井筒的框架（當平面不規(guī)則時，宜考慮耦聯(lián)）復核，并加強與井墻體相連的柱子的配筋。 此外，還要特別指出，對框架結(jié)構(gòu)出屋頂?shù)臉请娞蓍g和水箱間等，應采用框架承重，不得采用砌體墻承重；而且應當考慮鞭梢效應乘以增大系數(shù)；雨篷等構(gòu)件應從承重梁上挑出，不得從填充墻上挑出；樓梯梁和夾層梁等應承重柱上，不得支承在填充墻上。 6. 結(jié)構(gòu)計算中幾個重要參數(shù)的合理選取 《抗震規(guī)范》第3.6.6.4條指出，所有的計算機計算結(jié)果，應經(jīng)分析判斷確認其合理、有效后方可用于工程設計。通常情況下，計算機的計算結(jié)果主要是結(jié)構(gòu)的自振周期、樓層地震剪力系數(shù)、樓層彈性層間位移（包括最大位移與平均位移比）和彈塑性變形驗算時樓層的彈塑性層間位移、樓層的側(cè)向剛度比、振型參與質(zhì)量系數(shù)、墻和柱的軸壓比及墻、柱、梁和板的配筋、底層墻和柱底部截面的內(nèi)力設計值、框架--抗震墻結(jié)構(gòu)抗震墻承受的地震傾覆力矩與總地震傾覆力矩的比值。超筋超限信息等等。 為了分析判斷計算機計算結(jié)果是否合理，結(jié)構(gòu)設計計算時，除了有合理的結(jié)構(gòu)方案、正確的結(jié)構(gòu)計算簡圖外，正確填寫抗震設防烈度和場地類別，合理選取電算程序總信息中的其他各項參數(shù)也是十分重要的。 現(xiàn)以空間有限元分析與設計程序SATWE為例，結(jié)合施工圖審查中發(fā)現(xiàn)的問題，來說明有關參數(shù)如何合理選取。 [Page] 結(jié)構(gòu)的抗震等級 在工程設計中，多數(shù)房屋建筑按其抗震設防分類屬于丙類建筑，如民用住宅、辦公樓及一般工業(yè)建筑等等，其抗震等級可根據(jù)烈度、結(jié)構(gòu)類型和房屋的高度按《抗震規(guī)范》表6.1.2確定。而電訊、交通、能源、消防和醫(yī)療等類建筑以及大型體育場館、大型零售商場等公共建筑，首先，應當根據(jù)《建筑抗震設防分標準》（GB50223-95）確定其中哪些建筑屬于乙類建筑（可能還有甲類建筑，本文不涉及）。乙、丙類建筑，地震作用均按本地區(qū)抗震設防烈度計算。對于乙類建筑，一般情況下，當抗震設防烈度為6～8度時，抗震措施應符合本地區(qū)抗震設防列度提高一度的要求。所謂抗震措施，在這里主要體現(xiàn)為按本地區(qū)設防烈度提高一度由《抗震規(guī)范》表6.1.2確定其抗震等級。例如，位于8度地震區(qū)（如北京）的乙類建筑，應按9度由《抗震規(guī)范》表6.1.2確定其抗震等級為一級；當8度乙類建筑的高度過表6.1.2規(guī)定的范圍時，還應經(jīng)專門研究，采取比一級抗震等級更有效的抗震措施。如北京某大型零售商場和某三級醫(yī)院的門診樓本屬乙類建筑，但設計人員錯當成丙類建筑來設計，使建筑物的抗震能力為降低，不得不對設計計算做重大修改。 地震力的振型組合數(shù) 地震力的振型組合數(shù)，對高層建筑，當不考扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)計算時，至少應取3；當振型數(shù)多于3時，宜取3 的倍數(shù)，但不應多于層數(shù)；當房屋層數(shù)≤2時，振型數(shù)可取層數(shù)。對于不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，當考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)時，對高層建筑，振型數(shù)應取≥9；結(jié)構(gòu)層數(shù)較多或結(jié)構(gòu)剛度突變較大，振型數(shù)應多取，如結(jié)構(gòu)有轉(zhuǎn)換層、頂部有小塔樓、多塔結(jié)構(gòu)等，振型數(shù)應取≥12或更多，但不能多于房屋層數(shù)的3倍；只有當定義彈性樓板，且采用總剛分析，必要時，振型數(shù)才可以取的更多?！犊拐鹨?guī)范》指出，合適的振型個數(shù)一般可以取振型參與質(zhì)量達到總質(zhì)量的90％所需的振型數(shù)。SATWE等電算程序已有這種功能，可以很方便地輸出這種參與質(zhì)量的比值。有些設計人員不大重視電算程序使用手冊的應用，選取振型數(shù)時比較隨意，這是應當改進。此外，由耦聯(lián)計算的地震剪力通常小于非耦聯(lián)計算，僅當結(jié)構(gòu)存在明顯示扭轉(zhuǎn)時才采用耦聯(lián)計算，但在必要時應補充非耦聯(lián)計算。 [Page] 結(jié)構(gòu)周期折減系數(shù) 框架結(jié)構(gòu)及框架--抗震墻等結(jié)構(gòu)，由于填充墻的存在，使結(jié)構(gòu)的實際剛度大于計算剛度，計算周期大于實際周期，因此，算出的地震剪力偏小，使結(jié)構(gòu)偏于不安全，因而對結(jié)構(gòu)的計算周期進行折減是必要的，但對框架結(jié)構(gòu)的計算周期不折減或折減系數(shù)取得過大都是不妥當?shù)?。對框架結(jié)構(gòu)，采用砌體填充墻時，周期折減系數(shù)可取0.6～0.7；砌體填充墻較少或采用輕質(zhì)砌塊時，可取0.7～0.8；完全采用輕質(zhì)墻體板材時，可取0.9。只有無墻的純框架，計算周期才可以不折減。 框架梁、柱箍筋間距 《抗震規(guī)范》第6.3.3條及6.3.8條對不同抗震等級的框架梁、柱箍筋加密區(qū)的最小箍筋直徑和最大箍筋間距做了了明確規(guī)定。根據(jù)這些規(guī)定，工程習慣上常取梁、柱箍筋加密區(qū)最大間距為100mm，非加密區(qū)箍筋最大間距為200mm。電算程序總信息中通常也內(nèi)定梁、柱箍筋加密區(qū)間距為100mm，并以此為依據(jù)計算出加密區(qū)箍筋面積，由設計人員要據(jù)規(guī)范確定箍筋直徑和肢數(shù)。 但是，在程序內(nèi)定的條件下，當框架梁的跨中部位有次梁或有較大的其他集中荷載作用卻僅配兩肢箍筋時，多數(shù)情況下，非加密區(qū)箍筋間距采用200mm會使梁的非加密區(qū)配箍不足，因此建議程序內(nèi)定梁箍筋改為取梁的非加密區(qū)間距200mm。這樣，既可保證梁非加密區(qū)的抗剪承載力，又可適當增加梁端箍筋加密區(qū)（箍筋間距為100mm）的抗剪能力，梁的強剪性能更能充分體現(xiàn)。當框架梁由于種種原因縱向鋼筋超筋時，梁端適當加大抗剪承載力對結(jié)構(gòu)抗震非常有利。這也是為什么當梁端縱向受拉鋼筋配筋率大2％時，規(guī)范規(guī)定梁的箍筋直徑應比最小構(gòu)造直徑增大2mm的原因。 對于框架柱，當框架內(nèi)定柱加密區(qū)箍筋間距為100mm時，在某些情況下，亦可能因非加密區(qū)箍筋間距采用200mm引起配箍不足。因此，我們也建議程序內(nèi)定柱的箍筋間距改為取柱的非加密區(qū)的箍筋間距200mm。 這里需要指出的是，梁、柱箍筋非加密區(qū)配箍驗算時可不考慮強剪弱彎的要求，即剪力設計值取加密區(qū)終點處外側(cè)的組合剪力設計值，并且不乘以剪力增大系數(shù)。 當然，如果電算程序能同時給出梁、柱箍筋加密區(qū)和非加密區(qū)的箍筋面積，則于設計者應更加方便了。 地下室層數(shù)的輸入處理 多層框架結(jié)構(gòu)房屋有也設置地下室。由于隔墻少，常采用筏板式基礎。在電算時，應將地下室層數(shù)和上部結(jié)構(gòu)一起輸入，并在總信息中按實際的地下室層數(shù)填寫 。這樣，計算地基和基礎底板的豎向荷載可以一次形成，并且在抗震計算時，程序會自動對框架底層柱底截面的彎矩設計值乘以增大系數(shù)。同時通過對層側(cè)移剛度比的分析比較，還可以正確判斷和調(diào)整房屋的嵌固位置，并采取相應的抗震構(gòu)造措施，保證樓板有必要的厚度和最小配筋率等等；當結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為豎向不規(guī)側(cè)時，不僅要驗算薄弱層，而且還要對薄弱層的地震剪力乘以1.15的增大系數(shù)。如果在結(jié)構(gòu)總體計算時，總信息中填寫的地下室層數(shù)少于實際輸入的層數(shù)，彎矩設計值增大系數(shù)將會乘錯位置，從而在發(fā)生地震時，會使極易發(fā)生震害的底層柱底部位因抗震能力降低而破壞。 |
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