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多层框架房屋结构设计研究

  [摘要]在多层框架房屋结构设计过程中,我们应该遵循多层框架结构设计的原则,合理的确定框架结构计算参数,对于设计中的注意事项应该提前做好相应的功课,确保结构设计的合理,提高设计质量。

  多层框架房屋结构建筑是钢筋混凝土浇筑的承重梁柱,以预制的膨胀珍珠岩、加气混凝土、浮石等一些轻质砌块或板材作为分隔墙的建筑,其具有施工操作便于工业化、大规模化进行,效率高,质量好等特点。梁柱构成的框架结构,构件的截面小,其刚度与承载力都很低,受力特点相似于竖向的悬臂剪切梁,楼层数越多,其水平位移的传递能力就越差。现浇楼面结构可与梁共同作用,而装配式楼面则无法完成,起分隔与维护作用的填充墙,可以为建筑灵活提供使用空间,但框架结构的整体抗震性能较差,因此在设计过程中应严格遵循以下设计原则。

  (1)框架结构类型的一致性要求。框架结构需要从结构一致性出发进行设计。房屋建筑采取多层框架形式时,需要充分加强该目标的落实,加强相关原则、结构一致性的考虑,尤其是针对电梯、楼梯区域中的设计,避免中部、局部突出等采取砖墙处理的形式。框架结构属于柔性结构,砖墙属于刚性结构,二者融合程度差,无法保证后期协调共存的状况,易出现裂缝和变形。混合建筑体中,需要加强结构的一致性控制,避免整体建筑的危害导致后期质量缺陷、安全隐患问题。(2)短柱构造的设计分析。加强短柱构造对房屋建筑而言意义重大,对多层框架结构而言,为了控制工程成本,柱体填充墙的处理中,一般无法达到顶棚,会出现墙面开孔、凿洞等状况,类似施工属于不规则的形式,期间发生短柱问题,短柱一般刚度大、易裂缝、易发生脆性错段等状况,增加了后期建筑结构破坏作用,严重时甚至会发生倒塌事故,为此,加强构造柱的合理设计具有重大意义。另一方面,为了满足多层框架底层侧向刚度要求,采用短柱基础减小柱计算长度是可行的,但不能仅按上、下柱的刚度比来确定短柱截面尺寸,并按以短柱顶为嵌固端进行简化计算,这样会导致梁及柱上端截面偏不安全。如果短柱高度与截面长边之比不大于1,可近似按以短柱顶为嵌固端进行计算。(3)框架梁的合理设计分析。为了保证合理的框架结构,需要进行梁的科学设计。现代房屋建筑中,框架梁外挑为常见形式,为了保证满足工程实际需求,需要对钢筋混凝土柱结构进行合理设计控制,针对其中的施工环节进行结构优化,提高多层框架体的稳定性。框架梁的计算分析中,由于柱为偏心受压构件,所以务必要对悬臂梁梁端的协调变形状况进行考虑。对竖向构件参与结构进行整体分析,对梁跟柱之间的节点关系进行合理处理,以便从根本上将安全隐患消除,确保房屋建筑的质量。

  (1)地震加速度值的设计。建筑抗震设计规范要求:在抗震设防烈度为7度时,设计基本地震加速度值可分别为0.1g与0.15g两种,而抗震设防烈度为8度时,设计基本地震加速度值各为0.2g与0.3g两种。明确规范的要求,对地震区的划分严加注意,从而合理的设计基本地震加速度值。地震加速度值的选取对地震作用效应的影响非常大。(2)结构周期折减系数的设计。框架结构中的填充墙,导致结构的实际刚度比计算刚度要大,实际周期小于计算周期,所以,这样计算出来的地震作用效应变小,结构变得不安全,因此必须对结构的计算周期进行折减。根据填充墙的数量及材料来选取折减系数,一般为0.7~0.9。(3)梁刚度放大系数的确定。利用SATWE或TAT等软件输入的梁模型都是矩形截面,没有考虑到由于楼板处T型截面而出现的刚度增大,使结构的计算刚度小于实际刚度,设计出的地震剪力变小,导致结构不安全。所以进行计算时应对梁的刚度进行放大,边梁放大系数宜取1.5,而中梁为2.0。(4)活荷载的最不利布置。在多层框架结构中,特别是活荷载较大时,是否对活荷载进行最不利布置,对计算结果的影响很大。在选用程序中给定的梁的设计弯矩放大系数,也并一定能够对工程的受力情况进行实际反映,会导致结构不安全或者保守,因此最好进行活荷载的最不利布置。独立梁的箍筋计算结构应该进行复核,规范要求:集中荷载下的独立梁,按公式进行计算,荷载作用点到制作间的箍筋需均匀布置。(5)梁扭矩的折减。在现浇混凝土框架结构中,当梁的两边没楼板或有弧形梁时,梁的扭矩折减系数为1.0;当梁两侧都有楼板时,应进行梁扭矩的折减,折减系数可为0.4。一般工程中,对梁的配筋应进行两次计算:(1)折减所有梁的扭矩,来计算两侧都有楼板的梁的配筋;(2)所有梁均不进行折减来计算两侧都没有或一侧有楼板的梁的配筋。采用这种方法进行计算的结构,比较切合实际,设计人员应该引起注意。

  在设计人员进行钢筋混凝土房屋框架结构设计之前,要先做好一定的工作准备,根据不同的材料和要求,进行综合全面考虑,以保证设计方案的科学性、合理性、经济性和可行性。一般在进行框架结构方案构思的过程中,需要注意以下几点问题:(1)从力学观点看,在房屋建筑的平面布局中,应当尽量保证柱网按开间等跨和进深等距(或近似于等距)布置,这样可以相应减少边跨柱距,也可以充分利用连续梁的受力特点以减少结构中的弯矩,可以使各跨梁截面趋于一致,从而提高结构的整体刚度;(2)结构方案还应结合工程地质情况和建筑功能要求进行综合考虑;(3)框架结构的传力路线应简捷明了。一般来说,在相同的荷载作用下,结构的传力路线越短、越直接,结构的工作效能越高,所耗费的建材也就越少。

  多层框架房屋建筑的结构设计中,设计人员需要根据实际工程的勘察资料、地质、水文条件等进行考虑,分析对应地基变形、载荷控制等要素,针对天然地基,需要加强浅地基的合理应用。持力层设计前需要分析基础和上部结构的合理性,加强影响要素的分析,如载荷、土层物性、力学要求等。其次针对建筑结构类型、地下水以及建筑体型等各方面因素进行考虑。综合各个影响要素再进行分析计算,对后期设计工作以及房屋建筑的合理性具有重大意义。

  抗震设计需要综合建筑结构类型、地势条件、高度功能等进行处理。根据《建筑工程抗震设防分类标准》,民宅以及办公楼等普通建筑归属于丙类建筑,因此需根据丙类建筑的要求开展建筑结构设计。振型组合数和结构层数之间存在正比关系,其同样为房屋建筑项目结构设计的重要组成参数。在房屋建筑的框架结构中,一般需要设置填充墙,导致实际刚度偏小状况较为多见。此外,计算周期过长的状况也存在一定影响,地震设计是建立在计算周期的基础之上,导致抗震性能较预期偏低,因此,为了提高建筑体的抗震性能,需要降低计算周期、增加结构强度。另一方面,需要加强基础拉梁、比例控制的设计,保证多层框架结构具有合理的拉梁设计。对于建筑埋设深度过高的状况,需要进行短柱设计,提高抗震性能。埋设深度浅的工程可借助主轴方向拉梁设计提高抗震效果。再者,从抗震区域的传力体系、布置均匀度出发,需要借助以“强柱弱梁、强剪弱弯”等概念设计原则,预判塑性铰的大致位置。框架结构中,塑性铰若在柱体中发生,对应破坏作用强、变形小、抗震效果差。若布置于梁体的端部,可吸收部分地震能量,借助变形增加结构的延展效果,降低破坏程度。影响“强柱弱梁”的主要因素包括柱梁抗弯承载力比、梁端钢筋超配、现浇楼板和材料强度的离散性等。根据“强柱弱梁”机制的结构受力特点,采用合理简化结构模型,通过20条强震记录的弹塑性时程分析,对柱梁抗弯承载力比需求及其分布进行了分析研究,指出柱梁抗弯承载力比需求随地震强度的增加而增大,并根据分析结果给出了不同抗震等级框架结构柱梁抗弯承载力比的设计建议。

  为了提高框架结构稳固度,需要对框架柱配筋进行调整。框架柱地震作用下,角柱等位置受到的扭转作用力较强,双向偏心作用下增加了扭转效应,对内力负面影响大,横梁约束效果差、导致框架柱体的受危害程度过高。为此,需要加强不利方向的框架计算处理,提高其横向配筋、纵向配筋的合理控制效果。针对配筋计算中,需要加强下述问题控制:在地震的影响之下,抗震墙端柱、角柱以及边柱极易出现偏心受拉,就此柱内纵筋总截面需超过计算值的25%;另外框架柱的配筋需根据实际情况增大至计算值的1.2~1.6倍,一般中柱需要增大至计算值的1.2倍,边柱要增大至1.3倍,角柱要增大至1.4倍。此外,为了保证浇筑混凝土具有良好的约束限制能力,需要对框架柱的箍筋进行井字形设计处理;焊接方式采取二级、三级底部结构。保证纵向钢筋设计的配筋率高于3%,箍筋直径需要大于8mm。

  综上分析,房屋建筑多层框架结构设计需要考虑多方面因素,保证系统完整性、结构稳定性。设计人员需具有创新思维和严谨的工作态度,能够根据工程的实际情况采取合理的结构设计方案,确保房屋建筑的质量。

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