根據筆者在十多年的結構設計計算中遇到的有關問題及相關設計經驗,筆者認為,在鋼筋混凝土多層框架結構房屋結構設計中以下幾個方面的問題,應引起廣大設計工作者的註意。
1 基礎抗震承載力驗算及獨立基礎設計荷載取值問題
鋼筋混凝土多層框架房屋層數較低(壹般在六層以下)時多采用柱下獨立基礎,根據《建築抗震設計規範》(GB50011 - 2001)第4. 2. 1條指出,當地基主要受力層範圍內不存在軟弱粘性土層時,不超過8層且高度在25m以下的壹般民用框架房屋或基礎荷載相當的多層框架廠房,可不必進行天然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,不能因為在地震區高層建築以外的壹般建築風荷載不起控制作用就不輸入。另壹種情況是,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,影響基礎本身和上部結構的安全。
2 框架計算簡圖應合理
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構,丙類建築,建築場地為Ⅱ類;層高3. 3m,基礎埋深4. 0m,基礎高度0. 8m,室內外高差0. 45m。根據《建築抗震設計規範》第6. 1. 2條,在7度地震區該工程框架結構的抗震等級為三級。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的。因為,第壹,按構造設計的拉梁無法平衡柱腳彎矩;第二,根據《混凝土結構設計規範》( GB50010 -2002)第7. 3. 11條規定,框架結構底柱的高度應取基礎頂面至首層樓蓋頂面的高度。
根據工程設計經驗,這樣的框架結構宜按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,應將荷載壹並輸入。這樣,計算剪力的首層層高應為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《建築抗震設計規範》第6. 2. 3條,框架柱底層柱腳彎矩設計值應乘以增大系數1. 15。當設拉梁層時,壹般情況下,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。考慮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,可填寫地下室層數為1,並復算壹次,按兩次計算結果的包絡圖進行框架結構底層柱的配筋設計。
3 基礎拉梁層的計算模型應符合實際情況
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,並定義彈性節點,應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。房屋平面不規則時,要特別註意這壹點。
4 基礎拉梁設計應適當
多層框架房屋基礎埋深值大時,為了減小底層柱的計算長度和底層的位移,可以在±0. 000以下適當位置設置基礎拉梁,但不宜按構造要求設置,宜按框架梁進行設計,並按規範規定設置箍筋加密區。但就抗震而言,應采用短柱基礎方案。壹般說來,當獨立基礎埋置不深,或者雖然埋置較深但采用了短柱基礎時,由於地基不良或柱子荷載差別較大,或根據抗震要求,可沿兩個主軸方向設置構造基礎拉梁。基礎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。構造基礎拉梁的截面可取上述限值範圍的下限,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,當為構造配筋,除滿足最小配筋率外,也不得小於上下各2Φ14,箍筋不得小於?8@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造配筋疊加。基礎構造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,基礎可按偏心受壓基礎設計。當框架底層層高不大或者基礎埋置不深時,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1 /2拉通。拉梁正負彎矩鋼筋在框架柱內的錨固、拉梁箍筋的加密及有關抗震構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 框架結構應註意帶樓梯、電梯的小井筒的設計
多層框架結構應盡量避免設置鋼筋混凝土樓梯、電梯小井筒。因為鋼筋混凝土井筒的存在會吸收較大的地震剪力,相應地減少框架結構所承擔的地震剪力,而且井筒下的基礎設計也比較困難,故在設計過程中這些井筒多采用構造柱夾砌體材料做填充墻形成隔墻。當必須設計為鋼筋混凝土井筒時,井筒墻壁厚度應當減薄,並通過開豎縫、開結構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並計算外,還應按帶井筒的框架(當平面不規則時,宜考慮耦聯)復核,並加強與井筒墻體相連的柱子的配筋。
6 結構計算中幾個重要參數的合理選取
為了分析判斷計算機計算結果是否合理,結構設計計算時,除了有合理的結構方案、正確的結構計算簡圖外,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也是十分重要的。現以空間有限元分析與設計程序SATWE為例,結合結構設計計算過程中發現的問題,來說明有關參數如何合理選取。⑴結構的抗震等級的確定在工程設計中,多數房屋建築按其抗震設防分類屬於丙類建築,如民用住宅、辦公樓及壹般工業建築等等,其抗震等級可根據烈度、結構類型和房屋的高度按《建築抗震設計規範》表6. 1. 2確定。而電訊、交通、能源、消防和醫療等類建築以及大型體育場館、大型零售商場等公***建築,首先,應當根據《建築抗震設防分類標準》(GB50223 - 95)確定其中哪些建築屬於乙類建築(可能還有甲類建築,本文不涉及)。乙、丙類建築,地震作用均按本地區抗震設防烈度計算。對於乙類建築,壹般情況下,當抗震設防烈度為6～8度時,抗震措施應符合本地區抗震設防烈度提高壹度的要求。⑵合理確定地震力的振型組合數地震力的振型組合數,對多層建築,當不考扭轉耦聯計算時,至少應取3;當振型數多於3時,宜取3的倍數,但不應多於層數;當房屋層數≤2時,振型數可取層數。對於不規則的結構,當考慮扭轉耦聯時,對多層建築,振型數應取≥9;結構層數較多或結構剛度突變較大,振型數應多取,如結構有轉換層、頂部有小塔樓、多塔結構等,振型數應取≥12 或更多,但不能多於房屋層數的3倍;只有當定義彈性樓板,且采用總剛分析,必要時,振型數才可以取的更多。《建築抗震設計規範》指出,合適的振型個數壹般可以取振型參與質量達到總質量的90%所需的振型數。SAT2WE等電算程序已有這種功能,可以很方便地輸出這種參與質量的比值。有些設計人員不大重視電算程序使用手冊的應用,選取振型數時比較隨意,這是需要應當改進的。此外,由耦聯計算的地震剪力通常小於非耦聯計算,僅當結構存在明顯扭轉時才采用耦聯計算,但非耦聯計算往往是不可缺少的。⑶結構周期折減系數的確定框架結構及框架- 抗震墻等結構,由於填充墻的存在,使結構的實際剛度大於計算剛度,計算周期大於實際周期,因此,算出的地震剪力偏小,使結構偏於不安全,因而對結構的計算周期進行折減是必要的,但對框架結構的計算周期不折減或折減系數取得過大也是不妥當的。對框架結構,采用砌體填充墻時,周期折減系數可取0. 6～0. 7;砌體填充墻較少或采用輕質砌塊時,可取0. 7～0. 8;完全采用輕質墻體板材時,可取0.9。只有無墻的純框架,計算周期才可以不折減。
7、結語
鋼筋混凝土框架結構是我國大量存在的建築結構形式之壹，鋼筋混凝土框架結構的柱端與節點的破壞較為嚴重，其抗震設計中必須滿足“強柱弱梁”、“強剪弱彎”、“強節點”、“強底層柱底”等延性設計原則和有關規定。在多層及高層鋼筋混凝土房屋抗震設計的實踐中，由於設計人員對規範的理解和掌握尺度上，以及因地因人在結構選型、布置以及計算方法上相互差異較多而對設計產生較多的爭議，抗震設計方法值得深入研究。
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