張瑞紅(上海現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)集團(tuán)都市設(shè)計(jì)院,上海200041)

高層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的若干問題＊

張瑞紅
(上海現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)集團(tuán)都市設(shè)計(jì)院,上海200041)

隨著高層建筑技術(shù)的發(fā)展,高層建筑設(shè)計(jì)思想在不斷更新,建筑平面布置與豎向體形也越來越復(fù)雜,給高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求,并且越來越成為結(jié)構(gòu)工程師設(shè)計(jì)工作的主要重點(diǎn)和難點(diǎn)之所在。本文結(jié)合當(dāng)前高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn),對高層建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中基礎(chǔ)、主、梁、板等四個(gè)部分的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及設(shè)計(jì)過程中需注意的若干問題進(jìn)行了探討,以期為同行提供有益的參考。

高層建筑;鋼筋混凝土;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,我國高層建筑發(fā)展迅速,其設(shè)計(jì)思想在不斷更新,建筑平面布置與豎向體形也越來越復(fù)雜,給高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出更高的要求。高層建筑采用框架結(jié)構(gòu)形式,可形成內(nèi)部大空間,同時(shí)也能進(jìn)行靈活的建筑平面布置,因此,框架結(jié)構(gòu)體系在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用甚廣,特別是在高度不超過60 m的高層建筑中,其優(yōu)勢更為明顯、突出。與此同時(shí),高層建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的一些現(xiàn)實(shí)問題卻往往被忽視,給工程質(zhì)量留下隱患。筆者結(jié)合自身工作經(jīng)驗(yàn),對高層建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所存在的若干問題進(jìn)行探討,以期為同行提供有益的參考。

一、高層建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題

一是結(jié)構(gòu)的規(guī)則性問題。由于新舊規(guī)范在這方面的內(nèi)容出現(xiàn)了較大的變動,新規(guī)范在這方面增添了相當(dāng)多的限制條件,例如:平面規(guī)則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等,同時(shí)新規(guī)范采用強(qiáng)制性條文明確規(guī)定“建筑不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案”,因此結(jié)構(gòu)工程師在遵循新規(guī)范的這些限制條件上必須嚴(yán)格注意,以避免后期施工圖設(shè)計(jì)階段工作的被動。

二是結(jié)構(gòu)的超高問題。在抗震規(guī)范與高層建筑設(shè)計(jì)規(guī)范中,對高層建筑結(jié)構(gòu)的總高度都有嚴(yán)格的限制,尤其是新規(guī)范中針對以前的超高問題,除了將原來的限制高度設(shè)定為A級高度的建筑外,增加了B級高度的建筑,因此,結(jié)構(gòu)工程師必須對結(jié)構(gòu)的該項(xiàng)控制因素嚴(yán)格注意,一旦結(jié)構(gòu)為B級高度建筑甚或超過了B級高度,其設(shè)計(jì)方法和處理措施將有較大的變化。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,出現(xiàn)過由于結(jié)構(gòu)類型的變更而忽略該問題,導(dǎo)致施工圖審查時(shí)未予通過,必須重新進(jìn)行設(shè)計(jì)或需要召開專家會議進(jìn)行論證等工作的情況,對工程工期、造價(jià)等整體規(guī)劃造成了巨大的影響,阻礙了工程的開展,這種現(xiàn)象應(yīng)該引起結(jié)構(gòu)工程師的高度重視。

三是嵌固端的設(shè)置問題。由于高層建筑一般都帶有二層或二層以上的地下室和人防,因此嵌固端既有可能設(shè)置在地下室頂板,也有可能設(shè)置在人防頂板等位置。但是在這個(gè)問題上,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師往往忽視了由嵌固端的設(shè)置所帶來的一系列需要注意的問題,如:嵌固端樓板的設(shè)計(jì)、嵌固端上下層剛度比的限制、嵌固端上下層抗震等級的一致性、在結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)嵌固端的設(shè)置、結(jié)構(gòu)抗震縫設(shè)置與嵌固端位置的協(xié)調(diào)等等問題,而忽略其中任何一個(gè)方面都有可能導(dǎo)致后期設(shè)計(jì)工作的大量修改或埋下安全隱患。

四是短肢剪力墻的設(shè)置問題。在新規(guī)范中,對墻肢截面高厚比為5-8的墻定義為短肢剪力墻,且根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn),對短肢剪力墻在高層建筑中的應(yīng)用增加了相當(dāng)多的限制,因此,在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)盡可能少采用或不用短肢剪力墻,以避免給后期設(shè)計(jì)工作增加不必要的麻煩。

二、高層建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

高層建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中要特別注重對基礎(chǔ)、柱、梁、板等部分的設(shè)計(jì)。

(一)基礎(chǔ)部分的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

柱下擴(kuò)展基礎(chǔ)寬度較寬(大于4m)或地基不均勻及地基較軟時(shí),宜采用柱下條基,并應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)處基礎(chǔ)底面積雙向重復(fù)使用的不利因素,適當(dāng)加寬基礎(chǔ)。建筑地段較好,基礎(chǔ)埋深大于3m時(shí),結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)建議甲方做地下室。當(dāng)?shù)鼗休d力滿足設(shè)計(jì)要求時(shí),地下室底板可不再外伸以利于防水。每隔30-40m設(shè)一后澆帶,兩個(gè)月后再用微膨脹混凝土澆注。設(shè)置地下室可降低地基的附加應(yīng)力,提高地基的承載力,減少地震作用對上部結(jié)構(gòu)的影響。在設(shè)計(jì)過程中不應(yīng)設(shè)局部地下室,且地下室應(yīng)有相同的埋深。地下室外墻為混凝土?xí)r,相應(yīng)的樓層處梁和基礎(chǔ)梁可取消?？拐鹂p、伸縮縫在地面以下可不設(shè),連接處應(yīng)加強(qiáng),但沉降縫兩側(cè)墻體基礎(chǔ)一定要分開。新建建筑物基礎(chǔ)不宜深于周圍已有基礎(chǔ),如深于原有基礎(chǔ),其基礎(chǔ)間的凈距應(yīng)不少于基礎(chǔ)高差的2倍,否則應(yīng)打抗滑移樁,防止原有建筑的破壞。建筑層數(shù)相差較大時(shí),應(yīng)在層數(shù)較低的基礎(chǔ)方格中心的區(qū)域內(nèi)墊焦碴來調(diào)整基底附加應(yīng)力。

同時(shí)獨(dú)立基礎(chǔ)偏心不能過大,必要時(shí)可與相近的基礎(chǔ)做成柱下條基。柱下條形基礎(chǔ)的底板偏心不能過大,必要時(shí)可做成三面支承一面自由板(類似筏基中間開洞)。兩根柱的柱下條基的荷載重心和基礎(chǔ)底版的形心宜重合,基礎(chǔ)底板可做成梯形或臺階形,或調(diào)整挑梁兩端的出挑長度。獨(dú)立基礎(chǔ)的拉梁宜通長配筋,其下應(yīng)墊焦碴。底層內(nèi)隔墻一般不用做基礎(chǔ),可將地面的混凝土墊層局部加厚。此外考慮到一般建筑沉降為鍋底形,結(jié)構(gòu)的整體彎曲和上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)的協(xié)同作用,頂、底板鋼筋應(yīng)拉通(多層的負(fù)筋可截?cái)?/2或1/3),且縱向基礎(chǔ)梁的底筋也應(yīng)該拉通。基礎(chǔ)底面積不應(yīng)因地震附加力而過分加大,否則地震下安全了而常規(guī)情況下反而沉降差異較大,本末倒置。

(二)柱部分的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

地上為圓柱時(shí),地下部分應(yīng)改為方柱,以方便施工。圓柱縱筋根數(shù)最少為8根,箍筋用螺旋箍,并注明端部應(yīng)有一圈半的水平段。方柱箍筋應(yīng)使用井字箍,并按規(guī)范加密。角柱、樓梯間柱應(yīng)增大縱筋、并全柱高、加密箍筋。原則上柱的縱筋宜大直徑、大間距,但間距不宜大于200。柱內(nèi)埋管,管截面面積占柱截面4%以下時(shí),可不必驗(yàn)算。柱斷面不宜小于450×450,混凝土不宜小于C25,否則梁縱筋錨入柱內(nèi)的水平段不容易滿足0.45La的要求,不滿足時(shí)應(yīng)加橫筋;否則在梁柱節(jié)點(diǎn)處鋼筋太密,會導(dǎo)致混凝土澆筑困難。異型柱結(jié)構(gòu),梁縱筋一排根數(shù)不宜過多,柱端部縱筋不宜過密,否則節(jié)點(diǎn)混凝土澆筑困難。當(dāng)有部分矩形柱部分異型柱時(shí),應(yīng)注意異型柱的剛度要和矩形柱相接近,不要相差太大。柱應(yīng)盡量采用高強(qiáng)度混凝土來滿足軸壓比的限制,以減小斷面尺寸。同時(shí)要盡量避免使用短柱,短柱箍筋應(yīng)全高加密,短柱縱筋不宜過大。獨(dú)立柱上或柱的中部(半層處)有挑梁時(shí),挑梁長度應(yīng)有限制。此外考慮到豎向地震作用,柱子的軸壓比及配筋宜留有余地。

(三)梁部分的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

梁上有次梁處(包括挑梁端部)應(yīng)附加箍筋和吊筋,宜優(yōu)先采用附加箍筋。附加筋一般要有,但不應(yīng)絕對。一般來說位于梁下部或梁截面高度范圍內(nèi)的集中荷載,應(yīng)全部由附加橫向鋼筋承擔(dān),這也就是說,位于梁上的集中力如梁上柱、梁上后做的梁如水箱下的墊梁不必加附加筋。位于梁下部的集中力應(yīng)加附加筋。但梁截面高度范圍內(nèi)的集中荷載可根據(jù)具體情況而定。當(dāng)主次梁截面相差不大,次梁荷載較大時(shí),應(yīng)加附加筋。當(dāng)主梁高度很高,次梁截面很小、荷載很小時(shí),如快接近板上附加暗梁,主梁可不加附加筋。當(dāng)主次梁截面均很大,如工藝要求形成的主次深梁,而荷載相對不大,主梁也可不加附加筋。當(dāng)外部梁跨度相差不大時(shí),梁高宜等高,尤其是外部的框架梁。當(dāng)梁底距外窗頂尺寸較小時(shí),宜加大梁高做至窗頂。外部框架梁盡量做成外皮與柱外皮平齊。梁也可偏出柱邊一較小尺寸。梁與柱的偏心可大于1/4柱寬,并宜小于1/3柱寬。

梁上有次梁時(shí),應(yīng)避免次梁搭接在主梁的支座附近,否則應(yīng)考慮由次梁引起的主梁抗扭,或增加構(gòu)造抗扭縱筋和箍筋。原則上梁縱筋宜小直徑小間距,有利于抗裂,但應(yīng)注意鋼筋間距要滿足要求,并與梁的斷面相應(yīng)。箍筋按規(guī)定在梁端頭加密,布筋時(shí)應(yīng)將縱筋等距,箍筋肢距可不等,小斷面的連續(xù)梁或框架梁,上、下縱筋均應(yīng)采用同直徑的,盡量不在支座搭接。端部與框架梁相交或彈性支承在墻體上的次梁,梁端支座可按簡支考慮,但梁端箍筋應(yīng)加密。上反梁的板吊在梁底下,板荷載宜由箍筋承受,或適當(dāng)增大箍筋。梁支承偏心布置的墻時(shí)宜做下挑沿。挑梁宜做成等截面(大挑梁外露者除外)。與挑板不同,挑梁的自重占總荷載的比例很小,做成變截面不能有效減輕自重。挑梁端部有次梁時(shí),注意要附加箍筋或吊筋,一般挑梁根部不必附加斜筋,除非受剪承載力不足。對于大挑梁,梁的下部宜配置受壓鋼筋以減小撓度,挑梁配筋應(yīng)留有余地。梁上開洞時(shí),不但要計(jì)算洞口加筋,更應(yīng)驗(yàn)算梁洞口下偏拉部分的裂縫寬度。而挑梁出挑長度小于梁高時(shí),應(yīng)按牛腿計(jì)算或按深梁構(gòu)造配筋。

此外扁梁寬度不必過大,只要鋼筋能正常擺下及受剪滿足即可。因?yàn)樵趽隙扔?jì)算時(shí),梁寬對剛度影響不大,加寬一倍,撓度減小20%左右。相對來講,增大鋼筋更經(jīng)濟(jì),鋼筋加大一倍,撓度減小60%左右,同時(shí)梁的上筋應(yīng)大部分通長布置,以減小混凝土徐變對撓度的增大,如果上筋不小于下筋,撓度減小20%。當(dāng)一寬框架梁托兩排間距較小的柱時(shí),可加一剛性挑梁,兩個(gè)柱支承在剛性挑梁的端頭。梁寬大于350時(shí),應(yīng)采用四肢箍。

(四)板部分的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

板的鋼筋宜采用大直徑大間距,但間距不大于200,間距盡量用200。板上下鋼筋間距宜相等,直徑可不同,但鋼筋直徑類型也不宜過多。相連幾個(gè)房間的同型號同間距板底鋼筋宜連通。配筋計(jì)算時(shí),可考慮塑性內(nèi)力重分布,將板上筋乘以0.8-0.9的折減系數(shù),將板下筋乘以1.1-1.2的放大系數(shù)。支承在外圈框架梁上的板負(fù)筋不宜過大,否則將對梁產(chǎn)生過大的附加扭距。一般:板厚＞150時(shí)采用φ10@200;否則用φ8@200。當(dāng)厚板與薄板相接時(shí),薄板支座按固定端考慮是適當(dāng)?shù)?但厚板就不合適,宜減小厚板支座配筋,增大跨中配筋。非矩形板宜減小支座配筋,增大跨中配筋。室內(nèi)輕隔墻下一般不應(yīng)加粗鋼筋,一是輕隔墻有可能移位,二是板整體受力,應(yīng)整體提高板的配筋。只有垂直單向板長邊的不可能移位的隔墻,如廁所與其他房間的隔墻下才可以加粗鋼筋。

三、結(jié)語

對于高層建筑框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),有關(guān)規(guī)范雖已有詳細(xì)規(guī)定,但仍有若干問題沒有明確具體做法,通過以上這些設(shè)計(jì)要點(diǎn)的歸納和總結(jié),有利于高層建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的開展。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是不容忽視的問題,設(shè)計(jì)工作者只有按相應(yīng)的規(guī)范的構(gòu)造要求來嚴(yán)格執(zhí)行,才能從根本上消除設(shè)計(jì)質(zhì)量的隱患。

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2010-02-28

張瑞紅(1976-),女,河北石家莊人,工程師。