高层框架结构设计中应注意的若干问题＊

时间：2024-09-03

张瑞红(上海现代建筑设计集团都市设计院,上海200041)

高层框架结构设计中应注意的若干问题＊

张瑞红
(上海现代建筑设计集团都市设计院,上海200041)

随着高层建筑技术的发展,高层建筑设计思想在不断更新,建筑平面布置与竖向体形也越来越复杂,给高层结构设计提出了更高的要求,并且越来越成为结构工程师设计工作的主要重点和难点之所在。本文结合当前高层建筑结构设计特点,对高层建筑框架结构设计中基础、主、梁、板等四个部分的设计要点及设计过程中需注意的若干问题进行了探讨,以期为同行提供有益的参考。

高层建筑;钢筋混凝土;结构设计

随着经济的高速发展,我国高层建筑发展迅速,其设计思想在不断更新,建筑平面布置与竖向体形也越来越复杂,给高层结构设计提出更高的要求。高层建筑采用框架结构形式,可形成内部大空间,同时也能进行灵活的建筑平面布置,因此,框架结构体系在结构设计中应用甚广,特别是在高度不超过60 m的高层建筑中,其优势更为明显、突出。与此同时,高层建筑框架结构设计过程中的一些现实问题却往往被忽视,给工程质量留下隐患。笔者结合自身工作经验,对高层建筑框架结构设计中所存在的若干问题进行探讨,以期为同行提供有益的参考。

一、高层建筑框架结构设计中应注意的几个问题

一是结构的规则性问题。由于新旧规范在这方面的内容出现了较大的变动,新规范在这方面增添了相当多的限制条件,例如:平面规则性信息、嵌固端上下层刚度比信息等,同时新规范采用强制性条文明确规定“建筑不应采用严重不规则的设计方案”,因此结构工程师在遵循新规范的这些限制条件上必须严格注意,以避免后期施工图设计阶段工作的被动。

二是结构的超高问题。在抗震规范与高层建筑设计规范中,对高层建筑结构的总高度都有严格的限制,尤其是新规范中针对以前的超高问题,除了将原来的限制高度设定为A级高度的建筑外,增加了B级高度的建筑,因此,结构工程师必须对结构的该项控制因素严格注意,一旦结构为B级高度建筑甚或超过了B级高度,其设计方法和处理措施将有较大的变化。在实际工程设计中,出现过由于结构类型的变更而忽略该问题,导致施工图审查时未予通过,必须重新进行设计或需要召开专家会议进行论证等工作的情况,对工程工期、造价等整体规划造成了巨大的影响,阻碍了工程的开展,这种现象应该引起结构工程师的高度重视。

三是嵌固端的设置问题。由于高层建筑一般都带有二层或二层以上的地下室和人防,因此嵌固端既有可能设置在地下室顶板,也有可能设置在人防顶板等位置。但是在这个问题上,结构设计工程师往往忽视了由嵌固端的设置所带来的一系列需要注意的问题,如:嵌固端楼板的设计、嵌固端上下层刚度比的限制、嵌固端上下层抗震等级的一致性、在结构整体计算时嵌固端的设置、结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等等问题,而忽略其中任何一个方面都有可能导致后期设计工作的大量修改或埋下安全隐患。

四是短肢剪力墙的设置问题。在新规范中,对墙肢截面高厚比为5-8的墙定义为短肢剪力墙,且根据实验数据和实际经验,对短肢剪力墙在高层建筑中的应用增加了相当多的限制,因此,在高层建筑结构设计中,结构工程师应尽可能少采用或不用短肢剪力墙,以避免给后期设计工作增加不必要的麻烦。

二、高层建筑框架结构设计要点

高层建筑框架结构设计过程中要特别注重对基础、柱、梁、板等部分的设计。

(一)基础部分的设计要点

柱下扩展基础宽度较宽(大于4m)或地基不均匀及地基较软时,宜采用柱下条基,并应考虑节点处基础底面积双向重复使用的不利因素,适当加宽基础。建筑地段较好,基础埋深大于3m时,结构工程师应建议甲方做地下室。当地基承载力满足设计要求时,地下室底板可不再外伸以利于防水。每隔30-40m设一后浇带,两个月后再用微膨胀混凝土浇注。设置地下室可降低地基的附加应力,提高地基的承载力,减少地震作用对上部结构的影响。在设计过程中不应设局部地下室,且地下室应有相同的埋深。地下室外墙为混凝土时,相应的楼层处梁和基础梁可取消。抗震缝、伸缩缝在地面以下可不设,连接处应加强,但沉降缝两侧墙体基础一定要分开。新建建筑物基础不宜深于周围已有基础,如深于原有基础,其基础间的净距应不少于基础高差的2倍,否则应打抗滑移桩,防止原有建筑的破坏。建筑层数相差较大时,应在层数较低的基础方格中心的区域内垫焦碴来调整基底附加应力。

同时独立基础偏心不能过大,必要时可与相近的基础做成柱下条基。柱下条形基础的底板偏心不能过大,必要时可做成三面支承一面自由板(类似筏基中间开洞)。两根柱的柱下条基的荷载重心和基础底版的形心宜重合,基础底板可做成梯形或台阶形,或调整挑梁两端的出挑长度。独立基础的拉梁宜通长配筋,其下应垫焦碴。底层内隔墙一般不用做基础,可将地面的混凝土垫层局部加厚。此外考虑到一般建筑沉降为锅底形,结构的整体弯曲和上部结构与基础的协同作用,顶、底板钢筋应拉通(多层的负筋可截断1/2或1/3),且纵向基础梁的底筋也应该拉通。基础底面积不应因地震附加力而过分加大,否则地震下安全了而常规情况下反而沉降差异较大,本末倒置。

(二)柱部分的设计要点

地上为圆柱时,地下部分应改为方柱,以方便施工。圆柱纵筋根数最少为8根,箍筋用螺旋箍,并注明端部应有一圈半的水平段。方柱箍筋应使用井字箍,并按规范加密。角柱、楼梯间柱应增大纵筋、并全柱高、加密箍筋。原则上柱的纵筋宜大直径、大间距,但间距不宜大于200。柱内埋管,管截面面积占柱截面4%以下时,可不必验算。柱断面不宜小于450×450,混凝土不宜小于C25,否则梁纵筋锚入柱内的水平段不容易满足0.45La的要求,不满足时应加横筋;否则在梁柱节点处钢筋太密,会导致混凝土浇筑困难。异型柱结构,梁纵筋一排根数不宜过多,柱端部纵筋不宜过密,否则节点混凝土浇筑困难。当有部分矩形柱部分异型柱时,应注意异型柱的刚度要和矩形柱相接近,不要相差太大。柱应尽量采用高强度混凝土来满足轴压比的限制,以减小断面尺寸。同时要尽量避免使用短柱,短柱箍筋应全高加密,短柱纵筋不宜过大。独立柱上或柱的中部(半层处)有挑梁时,挑梁长度应有限制。此外考虑到竖向地震作用,柱子的轴压比及配筋宜留有余地。

(三)梁部分的设计要点

梁上有次梁处(包括挑梁端部)应附加箍筋和吊筋,宜优先采用附加箍筋。附加筋一般要有,但不应绝对。一般来说位于梁下部或梁截面高度范围内的集中荷载,应全部由附加横向钢筋承担,这也就是说,位于梁上的集中力如梁上柱、梁上后做的梁如水箱下的垫梁不必加附加筋。位于梁下部的集中力应加附加筋。但梁截面高度范围内的集中荷载可根据具体情况而定。当主次梁截面相差不大,次梁荷载较大时,应加附加筋。当主梁高度很高,次梁截面很小、荷载很小时,如快接近板上附加暗梁,主梁可不加附加筋。当主次梁截面均很大,如工艺要求形成的主次深梁,而荷载相对不大,主梁也可不加附加筋。当外部梁跨度相差不大时,梁高宜等高,尤其是外部的框架梁。当梁底距外窗顶尺寸较小时,宜加大梁高做至窗顶。外部框架梁尽量做成外皮与柱外皮平齐。梁也可偏出柱边一较小尺寸。梁与柱的偏心可大于1/4柱宽,并宜小于1/3柱宽。

梁上有次梁时,应避免次梁搭接在主梁的支座附近,否则应考虑由次梁引起的主梁抗扭,或增加构造抗扭纵筋和箍筋。原则上梁纵筋宜小直径小间距,有利于抗裂,但应注意钢筋间距要满足要求,并与梁的断面相应。箍筋按规定在梁端头加密,布筋时应将纵筋等距,箍筋肢距可不等,小断面的连续梁或框架梁,上、下纵筋均应采用同直径的,尽量不在支座搭接。端部与框架梁相交或弹性支承在墙体上的次梁,梁端支座可按简支考虑,但梁端箍筋应加密。上反梁的板吊在梁底下,板荷载宜由箍筋承受,或适当增大箍筋。梁支承偏心布置的墙时宜做下挑沿。挑梁宜做成等截面(大挑梁外露者除外)。与挑板不同,挑梁的自重占总荷载的比例很小,做成变截面不能有效减轻自重。挑梁端部有次梁时,注意要附加箍筋或吊筋,一般挑梁根部不必附加斜筋,除非受剪承载力不足。对于大挑梁,梁的下部宜配置受压钢筋以减小挠度,挑梁配筋应留有余地。梁上开洞时,不但要计算洞口加筋,更应验算梁洞口下偏拉部分的裂缝宽度。而挑梁出挑长度小于梁高时,应按牛腿计算或按深梁构造配筋。

此外扁梁宽度不必过大,只要钢筋能正常摆下及受剪满足即可。因为在挠度计算时,梁宽对刚度影响不大,加宽一倍,挠度减小20%左右。相对来讲,增大钢筋更经济,钢筋加大一倍,挠度减小60%左右,同时梁的上筋应大部分通长布置,以减小混凝土徐变对挠度的增大,如果上筋不小于下筋,挠度减小20%。当一宽框架梁托两排间距较小的柱时,可加一刚性挑梁,两个柱支承在刚性挑梁的端头。梁宽大于350时,应采用四肢箍。

(四)板部分的设计要点

板的钢筋宜采用大直径大间距,但间距不大于200,间距尽量用200。板上下钢筋间距宜相等,直径可不同,但钢筋直径类型也不宜过多。相连几个房间的同型号同间距板底钢筋宜连通。配筋计算时,可考虑塑性内力重分布,将板上筋乘以0.8-0.9的折减系数,将板下筋乘以1.1-1.2的放大系数。支承在外圈框架梁上的板负筋不宜过大,否则将对梁产生过大的附加扭距。一般:板厚＞150时采用φ10@200;否则用φ8@200。当厚板与薄板相接时,薄板支座按固定端考虑是适当的,但厚板就不合适,宜减小厚板支座配筋,增大跨中配筋。非矩形板宜减小支座配筋,增大跨中配筋。室内轻隔墙下一般不应加粗钢筋,一是轻隔墙有可能移位,二是板整体受力,应整体提高板的配筋。只有垂直单向板长边的不可能移位的隔墙,如厕所与其他房间的隔墙下才可以加粗钢筋。