淺談某多層框架建筑的結構設計

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簡介：結合工程實際情況和對比計算結果，著重介紹該建筑的梁、板、柱設計思路和電算后的結果分析，結構設計中經常會遇到一些規(guī)范或規(guī)程未論及的問題，這就需要設計人員積累經驗，利用正確的概念進行設計。
關鍵字：結構設計 樁基 合理布局

　　工程概況：擬建工程為長樂市航城鎮(zhèn)下朱村村建1號樓。本工程位于長樂市航城鎮(zhèn)下朱村，是一幢底層商業(yè)網點的單元式住宅樓，建筑面積8994M2，建筑層數為6.5層，總高度23.5m,建筑占1260m2,詳見附圖1, 附圖 2結構平面圖。

　　 附圖 1

　　
附圖 2

　　本程自然備件:基本風壓0.8KN/ M2,抗震設防烈度7度,地基承載力(本工程所選持力層)特征值300KPa.

一、結構選型

　　建筑物的結構設計,不僅要求具有足夠的承載力,而且必須使結構具有足夠抵抗側力的剛度,使結構在水平力作用下所產生的側向位移限制在規(guī)定的范圍內.基于上述基本原理,本工程綜合分析了結構的適用,安全,抗震,經濟,施工方便等因素,選取了附圖1,2所示的結構方案.此結構為框架體系,由鋼筋砼框架承擔豎向力和側力.本鋼筋砼框架剛度布置相對比較均勻,在滿足建筑功能情況下,盡量減少平面扭轉對結構的影響.

　　由于本工程地基基礎設計等級為乙級,樁基安全等級為二級,建筑物體型相對簡單,滿載較均勻,且樁端下不在軟弱下臥層,樁型為端承摩擦樁,所以本工程只在±0.000以上19軸與20軸間設100mm寬的防震縫,同時兼作伸縮縫.

二、基礎設計

　　福州地區(qū)工程地質情況比較復雜,一般第一層為雜填土和粉質粘土(I),厚度1m-2m左右,第二層為淤泥,厚度8m-15m左右,第三層為粉質粘土(Ⅱ)或中粗砂夾淤泥,厚度2m-3m左右,第四層為淤泥夾粉質粘土或淤泥夾淤泥夾中細砂,厚度3m-6m左右,第五層為粉質粘土(Ⅲ)混礫卵石層,厚度5m-8m左右,第六層為粉質粘土淤泥,厚度1m-2m左右,第七層為殘積粉質粘土,厚度3m-5m左右,第八層為強風化,第九層為中風化層,可選作為樁基持力層的有五,七,八,九層,對于中高層建筑物,一般選用取第八或九層或第五層作為持力層,樁型一般選用預制樁或沖鉆孔灌注樁,對于八層左右的住宅樓多層建筑,選取以上的土層作為樁尖持力層,就不妥當,持力層太深,樁太長,造價太高,所以選取什么土層作為多層建筑物的持力層?采用什么樁型?不僅是工程技術人員,也是業(yè)主或甲方共同關心的問題.因為持力層和樁型的選擇,不單純是結構問題,而且是一個綜合性的科學問題,不僅要考慮地基的承載能力,結構的安全可靠,施工技術條件的可行,還要考慮造價上的經濟合理.由于基礎工程的造價在整個建筑總造價中占很大比例,在基礎承載力和沉降控制滿足設計要求之后,經濟性就成為選擇持力層與樁型的首要問題.

　　本工程位于長樂市航城鎮(zhèn)下朱村,擬建物為三幢6.5-7.0層的住宅樓.整個場地比較平整.從地質勘察資料可以了解到擬建場淺部土層中：①雜填土，呈松散狀，力學強度低，均勻性差。②粘土層力學強度較低，厚度薄（多小于1.0m）,且分布不連續(xù),其下存在厚度較大的③-1淤泥和③-2淤泥質土夾砂高壓縮性軟弱土,故擬建場地天然淺基工程地質性能差.擬建場地中部土層。④粉質粘土層,力學強度中等,厚度較薄,且分布不連續(xù),故該層樁基工程地質性能差。⑤中砂(含碎石)層,呈稍密至中密狀,分布連續(xù),具有一定力學強度,但厚度較薄,且變化大(薄者僅0.6米),其下不均勻分布有高靈敏度軟弱下臥層.⑥淤泥質土及⑦粉質粘土粉砂相對軟弱下臥層,故⑤中砂(含碎石)層樁基工程地質性能差。⑦粉質粘土至粉砂層,呈可塑或稍密狀,強度較低,厚度普遍較薄,僅局部地段分布,樁基工程地質性能差.擬建場地下部地層中：⑧角礫層,呈中密狀,力學強度較高,但其厚度普遍較薄,綜合分析整個場地該層的分布,其樁基性能一般。⑨全風化凝灰熔巖層,力學強度雖較高,但厚度較薄,分布不連續(xù),且僅在場地東側有分布,故⑨層樁基工程地質性能久佳。⑩11,強中風化凝灰?guī)r層,其力學強度隨深度增加逐漸增強。

　　綜上所述，結合結構的荷重要求，擬建住宅樓無法采用天然淺基礎方案，宜采用樁基方案，考慮到地下水對鉆孔灌注樁的影響（地下水對泥漿的稀釋作用，造成塌孔，縮徑）因此選用預應力管樁。

三、樓蓋設計

　　本工程選用的是主次梁樓蓋，主次梁樓蓋雖然存在著結構高度較大（與平板和雙向密肋體系相比）和模板安裝制作比較復雜（與平板和梁板體系相比）的問題，但卻具有下例優(yōu)勢：①樓蓋砼折算厚度最小，自重最輕；②開間大，房間布局靈活③承載力大④對結構整體剛度的貢獻（即約束框架轉動的能力）比平板和雙向密肋樓蓋要大得多。

　　3.1 板的設計

　　3.1.1 板厚

　　現(xiàn)澆樓蓋中，板的砼用量約占整個樓蓋的50%-60%，板厚的取值對樓蓋的經濟性和自重的影響較大，在滿足板的剛度和構造要求的前提下，應盡量采用較薄的板，雙向板的最小板厚度為80mm，板的厚度與跨度的最小比值：四邊簡支板為1/40，連續(xù)板為1/50。本工程最大板跨為5m，其余板跨均小于4m，考慮到本工程為住宅樓，板內有埋機電暗管，因此小于4m的板跨板厚也取100mm，5m板跨板厚取140mm。

　　3.1.2 板的配筋

　　板的配筋主要由PKCAD生成，然后對板中某些不合理的配筋進行調整，如本工程建筑圖所示衛(wèi)生間，陽臺處，標高都為H-0.05m.PKCAD配筋時一般對負筋在板有高差情況下也通長配筋如圖3所示,這其實是不合理的, 我們應把負筋在此斷開如圖4所示。另外在第一層板配筋圖中可以看到A,B軸與⑧⑨⑩軸,所圍的板塊短邊板跨都很小,只有1.2m,而相鄰板跨有3.5m長,因此若按規(guī)范筋自梁邊伸入板的尺寸按大跨短邊的1/4來算有875mm.而AB軸與8,9,所夾的單向板負筋長度按1/5來算,伸入板內的長度為240mm,二者相加為1115mm,超過板梁邊到梁邊距離1000mm,因此考慮該處鋼筋通長布置如二層結構平面配筋圖A,B軸與8,9,10軸的板所示.另外此處通長布置還有另一方面的考慮.由于此處板跨與相鄰板跨相差比較大,在荷載不利組合下,板跨中有可能不出現(xiàn)負彎矩,通常筋可以抗混凝土的收縮徐變作用,避免板面開裂.

　　3.1.3關于板構造支座負筋最小直徑問題

　　對于本工程的設計，一般板厚都》=100mm。根據簡支板現(xiàn)行砼結構設計規(guī)范給出的最小構造支座負筋為φ8@200,這與舊規(guī)范所給的φ6@200合適,因為φ6@200的筋太軟,鋼筋架易被踩蹋,致使負筋的有效高度很低而發(fā)揮不了構造負筋的作用.現(xiàn)行所規(guī)定使用的φ8鋼筋雖比φ6鋼筋要好些,但如不采取其它措施,也同樣易產生構造負筋變位.

　　圖3 衛(wèi)生間處錯誤配筋圖 圖4 衛(wèi)生間處正確配筋圖

四、梁設計

　　隨著我國城市經濟的迅速發(fā)展,大量建筑的興建,建筑人員根據建筑功能和環(huán)境條件有目的的選擇主次梁樓(層)蓋的設計方案也隨之增多,同時也出現(xiàn)在主次梁樓蓋設計中應怎樣合理布置柱網的綜合效益最好?究竟應該選擇短跨為主梁還是選擇長跨為主梁?在框架梁的彈性受力分析和承載力計算時,是否應該考慮現(xiàn)澆板的共同工作效應?如何有意識地對端跨進行調整會更有利?下面結合本工程從概念設計的角度作粗淺的探討,以利于本工程的優(yōu)化設計和為將來設計積累經驗.

　　4.1主次梁與柱網的合理布局

　　主次梁體系的傳力途徑從廣義講是樓面荷載通過板傳給次梁,再由次梁通過受彎傳給主梁,最后由主梁傳給柱子.在支承和傳遞荷載的過程中,主次梁的變曲變形,△I均與它們各自承擔的彎矩Mi及其自身跨度的平方成正比,而與彈性模量E和彎曲平面內截面慣性矩Ii成正比,另一方面,從設計要求來分析,建筑功能要求主次梁所占的結構空間高度越小越好.這就意味著要合理調整主次梁跨度.但結構性能要求主梁的彎曲變形除滿足砼規(guī)范中表3.3.2受彎構件的撓度限值外,還應該控制在次梁彎曲變形的1/2-1/3范圍內最為理想,同時還應具備足夠的抗扭剛度,特別是邊跨主梁.

　　因此，本工程做主次梁樓蓋的柱網布置時考慮上述影響優(yōu)先選擇的柱網是矩形(除建筑有功能要求的以外)以短跨為主梁,長跨為次梁,而且短跨與長跨的比例應小于0.75比較經濟,本工程一般比較常取0.65-0.7,這樣設計出來的主次梁截面高度能協(xié)調一致,從而保證樓蓋的結構高度最小.另一方面,從本工程的使用功能和建筑美學方面考慮,主梁的布置是依據房間布局而定的.關于廳的樓蓋,雖然其開間和進深尺寸都相對較大,由于考慮到廳的凈高和空間美感,廳里的樓蓋就做成大板而不是設置次梁來降低其板厚.因此,本工程主次梁布局主要是依據墻下有梁的方案來定的.這里就取一個本人在實習期間所做的一個簡單的實際工程來為主次梁的合理布置做一概念性的比較。例如圖5所示為福州東區(qū)自來水廠加料間加建工程,柱網布置如圖5所示,

　　圖5 東區(qū)自來水廠加料間加建工程短跨為主梁的設計方案

　　以短跨主梁截面尺寸為300mm×600mm,次梁截面尺寸為200×300現(xiàn)澆板厚為90mm,在正常使用荷載作用下,(載按2.0KN/M2,恒荷按4KN/M2,梁間荷載不考慮),主次梁的跨中彎矩Mi,Li,Ii和△i的比值如表4-1

　　東區(qū)自來水廠加料間加建工程主次梁不同布局的各項指數比值表4-1

　　原設計比較方案

　　注:下角號g代表主梁,j代表次梁.

　　表1原設計的各項指數比值可清楚說明,盡管該主梁承受了由次梁傳來的很大集中荷載,但其所承擔的彎曲效應卻從其自身相對較短的跨距中得到緩解,其最大彎矩值僅比次梁彎矩大了約1.5倍,而撓度卻只有次梁的1/3左右,這樣設計者即創(chuàng)造了一個較小的樓蓋結構高度,又為較大跨度的次梁提供了一個抗彎和抗扭剛度都比較理想的支座.

　　若換一種方案,將其布局改為長跨為主梁,短跨為次梁,則主次梁布置如圖6,為了便于比較,次梁之間的單向板跨長與原設計保持不變,取L=2.4m,則厚仍為90mm;并根據比較方案中的主,次梁總撓度及其主梁的最大彎曲拉應力應的原設計的主,次梁總撓度及主要彎曲應力相同的原則(即△g2+△j2=△g1+△j2,誤差不大于5%)來確定所需主,次梁截面尺寸,則主梁為300×800,次梁為200×400表1還給出了圖2以長跨為主梁,短跨為次梁的樓蓋結構,在與原設計相同的荷截作用下.從表中不難看出,當把長跨作為主梁時,盡管主梁承受著較方案1更為有利的兩跨等間距集中荷載,但其實際上則需承擔的彎曲效應卻被其自身相對較長的跨距所加大,其最大彎距值約為次梁彎矩的5倍,而與彎曲變形成正比的Mi2值竟比次梁大出11倍之多.

　　通過東區(qū)自來水廠加料間加建工程本人總結出以長跨為主梁的主次梁樓蓋存在如下值得注意的問題:(1)主,次梁截面高度相差懸殊,樓蓋的結構高度大,增加了層高及總建筑高度;(2)主梁的相應撓度大,作為次梁支座的剛性與穩(wěn)定性相對較差;(3)樓蓋的砼平均折算厚度較大,材料用量與結構自重M應增大;(4)不經濟.

　　圖 6東區(qū)自來水廠加料間加建工程長跨為主梁的設計方案

　　4.2現(xiàn)澆板共同工作的考慮

　　長樂下朱村村建工程的框架結構都采用梁板整體現(xiàn)澆,在水平荷載作用下,通過框架梁和現(xiàn)澆板的共同受彎來約束柱頂的轉動,使柱子產生自上而下的反彎曲,從而形成樓架作用.由于梁板的共同作用,不僅提高了框架梁的截面剛度,還提高了梁端負彎矩承載能力.因此設計本工程時特別注意了下列問題:

　　(1)框架彈性受力分析時框架梁的合理截面形式

　　在進行整體現(xiàn)澆梁板分析時,本人為計算方便,把框架梁簡化為矩形截面(與無樓板或預制樓板的空框架一樣計算,很顯然這與現(xiàn)澆梁板框架結構的實際性能不符.若在進行整體現(xiàn)澆梁板的框架分析時,框架梁的線剛度僅取矩形截面IR值，計算得出的自振周期明顯偏大,而實際上框架位移值要比計算值小,則該框架結構實際承受的地震作用及其效應都將比計算值大.在垂直荷載作用下的梁端負彎矩計算值偏大,而跨中正彎矩值卻偏小等.所以,設計時根據整體現(xiàn)澆梁板共同工作的特性和原理,按規(guī)范規(guī)定的有效翼緣寬度,將現(xiàn)澆板作為框梁架的翼緣,共同參與彈性受力分析.

　　(2)梁端負彎矩鋼筋的合理分布范圍

　　對作為框架梁翼緣的現(xiàn)澆板內與架肋平行的鋼筋參與梁端正截面抗彎承載力工作的問題,在《砼結構設計規(guī)范》(GB 50010—2002)和《建筑抗震規(guī)范》(GB 50011—2001)中都未很明確的規(guī)定.所以,設計時按矩形截面進行極限承載力計算所需的梁端負彎矩鋼筋與無現(xiàn)澆板的空框架梁一樣布置在梁筋頂部的寬度范圍之內,而翼緣板內平行于梁肋的鋼筋則按現(xiàn)澆板的受力或構造要求設計布置,這無形之中增加了梁支座處負彎矩鋼筋的配筋量,導致負屈服彎矩的相應提高,由于作為梁翼緣板內平行梁肋的鋼筋參與梁端抗彎承載力的工作,支座處的負屈服彎矩明顯要比無翼緣矩形梁的負屈服彎矩提高.這時裂縫可能不會出現(xiàn)在框架梁上,而先在柱上出現(xiàn)塑性鉸，形成強梁弱柱現(xiàn)象。

　　為實現(xiàn)“強柱弱梁”的設計目的，保證在罕遇地震時，能很快地在梁端附近出現(xiàn)塑性鉸線，形成具有延性的結構體系。應將按設計荷載，地震作用計算所需的梁端彎矩鋼筋合理地分布在梁肋及其有效的翼緣寬度范圍之內。

　　至于多少有效翼緣寬度內的鋼筋可以被考慮，共同參加梁支座正截面的抗彎工作也暫時沒有定論。根據經驗取每一梁側的6倍的板厚范圍內的板上，下鋼筋參與共同抗彎。

　　在本工程設計時為保證以上（1），（2）兩點的共同作用，梁端彎矩在SATWE程序的調整信息下進行調整，梁端彎矩的調幅系數取0.8-1.0.

　　(3)梁跨中彎矩增大

　　在本工程（即長樂市下朱村村建）的設計過程中未考慮活荷載的不利分布,而僅按滿布計算,考慮該工程層數只有6.5層，可通過調整信息下的跨中彎矩增大系數來加大梁的跨中彎矩,以達到考慮活荷載不利分布影響的目的,彎矩增大系數的取值范圍為1.0-1.3.對于考慮活荷載不利分布的各層,此系數不起作用.

　　(4)梁扭矩折減

　　本工程的現(xiàn)澆樓板采用剛性樓板假定。這時宜考慮樓板對梁抗扭的作用而對梁的扭矩進行折減,折減系數一般為0.4-1.0.對于本工程折減系數取0.4。若考慮樓板的彈性變形,梁的扭矩不應折減.

　　(5)梁剛度增大

　　主要考慮現(xiàn)澆樓板對數值的作用,樓板和梁連成一體按照”T”形截面梁工作,而計算時梁截面取矩形,因此可將現(xiàn)澆樓面中梁的剛度放大,通?，F(xiàn)澆樓面的邊框梁取1.5,中間框架梁取2.0.

　　4.3次梁和次梁間的相互作用

　　(1)關于次梁受力

　　本工程所用的設計軟件PK引入了構件的內力大小與其剛度成正比,并由變形協(xié)調條件確定.根據空間三維分析,次梁不再像平面框架分析方法中那樣作為荷載加到主梁上,而是與主梁共同作用.如L1和L2交叉梁系(圖7),P點為L1和L2的交點,設L1和L2在P點是分開的,并未連在一起,那么,經過精確的計算,L1剛度比L2大,在P點處L1的變形比L2小,根據變形協(xié)調條件, ,它們是作為一個整體共同作用的,而不能彼此分開單獨考慮.

　　其次從結構圖中可以看出,局布結構布置較復雜,主次梁有時很難確定,梁的支座和跨長也就很難確定,只能根據剛度條件來計算其實際受力狀況,不過,大多數情況下,對于框架梁,一般以柱間距為一跨這與平面框架分析是一致的,但對于非框架梁(即習慣上的“次梁”)，應該一榀框架梁到另一榀框架梁之間為一跨。

　　圖 7 主次梁共同作用的交叉梁系

　?。?）關于鉸接問題

　　在工程設計中，經常會遇到二級（或三級）次梁壓在一級或（二級）次梁上的情況。如圖8為本次實習期間所做的練習之一（福州中茵花城1號的局部結構圖），

　　圖 8 中茵花城1號樓局部結構圖

　　一般認為L2，L3只是將板面荷載化為集中荷載作用在L1上，而不起別的作用。事實上并非如此，如圖8中L2和L3作為彎折構件（即CA BD）也在起著支撐L1的作用，L1和L2，L3是相互支撐，共同作用的，因此，L2和L3的下部鋼筋必須錨入L1內La，而不是Las。這一點應值得注意，否則不能發(fā)揮L2和L3的共同支承作用。AB段受扭，要配抗扭鋼筋，在很多情況下，AB段的扭矩很大的，往往造成配筋困難甚至超筋，在這種情況下，為了避免AB段受扭，只需在L2的A端和L3的B端做成鉸接即可。鉸接之后，L2與L3將分別支承在L1上，L1的配筋明顯加大，AB段的扭減為零，L2，L3配筋減小，這是一種人為調整后的計算結果。對應這結果，L2與L3的下部鋼筋錨入L1內的長度可以為Las。配筋與軟件計算模型一致才能保證結構安全。

　　4．4主次梁相交在主梁中引起的扭矩

　　主次梁相交時，當主梁兩側的次梁跨度相差過大而在主梁中引起的扭矩以及次梁邊跨與主梁相交在主梁中引起的扭矩往往容易被忽視，其后果將導致建筑結構的可靠程度降低，留下事故隱患，甚至誘發(fā)安全事故。

　　如圖9所示的主次梁組成在長樂下朱村村建中不少見，現(xiàn)在就以這種主次梁布置對扭矩產生的原因，變化規(guī)律及其對梁的影響作一番探討。假設LB上均布荷載qB，支承于主梁LA上而形成主次梁相交。

　　圖 9

　　LB到LA上下支座的距離分別為L3，L4。根據變形協(xié)調條件可求得LA梁中L3段內的扭矩T3,

　　　　　注：式中GIT為扭轉剛度。

　　從式（A）可看出，隨著次梁跨度L2，荷載qB的增加以及主梁跨度L1，次梁到主梁支座的距離L3的減?。粗髁篖A對次梁LB的嵌固作用增強），T3迅速增加，反之迅速減少。變化幅度從零到次梁LB固端彎矩之間，因而有可能在主梁LA中形成較大的扭矩而對主梁產生較大的影響，甚至因扭矩過大而出現(xiàn)主梁LA的抗扭截面尺寸不夠，從而出現(xiàn)抗扭超筋現(xiàn)象。