淺談住宅建筑樓梁蓋結構設計

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摘要：：隨著我國建筑行業(yè)的發(fā)展，本文結合實例,主要分析民房建筑住宅樓梁柱在樓框架中的結構設計和設計中要應注意的相關問題與方案。

小清新：民房建筑；樓蓋設計；梁、柱設計； 隨著城市經濟的快速發(fā)展,建筑物的快速興建,建筑功能和環(huán)境條件應正確選擇主次梁樓(層)蓋的設計方案,同時也需要正確運用主次梁樓蓋設計中的合理布置。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的對比下,也應該考慮與現澆板的共同工作效果，怎樣有意識地對端跨進行正確調整。 1、工程概況： 我市某住宅工程，是一幢商業(yè)網點的單元式住宅樓，建筑面積8994M2，建筑層數為7.5層，首層商業(yè)層高5.5 m,住宅層高3m,總高度為26.5m,建筑總長度為93m, 建筑占地3260m2。工程自然條件:基本風壓0.35KN/ M2,地基承載力特征值300Kpa,抗震六度設防。 2、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,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,選取了結構方案.結構為鋼筋混凝土框架體系,由鋼筋混凝土框架承擔豎向力和側力。鋼筋混凝土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。 由于工程體型相對簡單,滿載較均勻,且樁端下不在軟弱下臥層,樁型為端承摩擦樁,所以工程只在±0.000以上設兩處100mm寬的抗震縫,同時兼作伸縮縫。 3、樓蓋設計 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和模板安裝制作比較復雜的問題，但卻具有下列優(yōu)勢： ①樓蓋混凝土折算厚度最小，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 板厚取值 現澆樓蓋中，板的混凝土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。工程最大板跨為5m，其余板跨均小于4m，考慮到工程為住宅樓，板內有暗埋設備管，因此小于4m的板跨板厚也取100mm，5m板跨板厚取140mm。 3.1.2支座負筋直徑的取值 對于工程的設計，一般板厚都≥100mm。根據簡支板現行混凝土結構設計規(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。 4.1如何合理布局主次梁與柱網 主次梁體系的傳力途徑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,均與它們各自承擔的彎矩及其自身跨度的平方成正比,而與彈性模量和彎曲平面內截面慣性矩成正比,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。 因此，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,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。 以短跨主梁截面尺寸為300mm×600mm,次梁截面尺寸為200×300現澆板厚為90mm,在正常使用荷載作用下。 4.2現澆板的考慮 在水平荷載作用下,通過框架梁和現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澆梁板分析時,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,很顯然這與現澆梁板框架結構的實際性能不符.若在進行整體現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《混凝土結構設計規(guī)范》(GB50010—2002)和《建筑抗震規(guī)范》(GB50011—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在框架梁上,而先在柱上出現塑性鉸，形成強梁弱柱現象。 為實現“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)梁跨中彎矩的取值 在工程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 工程的現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,因此可將現澆樓面中梁的剛度放大,通常現澆樓面的邊框梁取1.5,中間框架梁取2.0。 4.3關于次梁受力 工程所用的設計軟件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。 其次從結構中可以看出,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，應該一榀框架梁到另一榀框架梁之間為一跨。 4．4主次梁相交導致后果 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。 因此結構設計中慎重考慮主次梁相交在主梁中引起扭矩的作用。根據扭矩的大小采取構造抗扭措施，或通過計算來進行梁的抗扭設計，而不要隨意把次梁兩端假定為鉸支來考慮忽視扭矩的作用。這樣做提高了建筑結構的可靠度，消除了事故隱患，尤其要盡量避免主次梁相交時次梁靠近主梁支座這種情況，以免在主梁中產生過大的扭矩而使梁的抗扭截面尺寸不夠，產生抗扭超筋現象。 4．5箍筋加密 工程抗震設計，框架梁的梁端1.5h～2h(h為梁高)范圍內箍筋需要加密,這是為了使梁端可能產生塑性鉸的區(qū)域有較好的延性,這是抗震設計的構造要求.顯然,構件除了要滿足抗震構造要求外,還需保證在受力狀態(tài)下的安全,如梁還應滿足豎向荷載作用(或與水平荷載組合作用)下抗剪承載力的要求,以此確定抗剪箍筋的數量。但工程所用的PK軟件只輸出框架梁端(節(jié)點)處的剪力和箍筋面積,梁其余部分的剪力和箍筋面積的變化情況不得而知,導致用程序計算時在加密區(qū)1.5h～2h長度內滿足梁端部受力和構造要求(如箍筋間距為100),而在非加密區(qū)(1.5h～2h以外)范圍內的箍筋數量則按加密區(qū)數量50%(如間距200)配置,這是不安全的.框架梁的剪力,在豎向均布荷載作用下,剪力反對稱,若中間的箍筋數量按加密區(qū)數量的50%配置,則加密區(qū)的長度至少需要L/4(L為梁長)。 因此,做設計時重視了這一現象,由端部剪力和梁上荷載計算出中間部分的剪力進行配置箍筋,如果設計時間不允許,為安全起見,結合有經驗工程師的經驗,在梁全長范圍內都按端部最大剪力配置箍筋,最大間距為100mm或150mm,這在水平荷載較大時也不會浪費多少鋼筋. 5、柱設計 工程框架柱設計的一個突出問題就是鋼筋混凝土柱的軸壓比問題.在設計中經常出現,框架柱的斷面由軸壓比限值確定.這往往使柱子斷面很大,一方面,這樣大的柱子,很容易使柱的剪跨比大于2而形成短柱;另一方面,由于柱斷面很大,占去了許多建筑空間,工程師們不易接受,同時,由于自重增大,引起地震反應增大,造成惡性循環(huán)。 5.1工程軸壓比限值的實質 規(guī)范通過限制軸壓比,主要是希望柱發(fā)生延性好的大偏心受壓破壞,從而保證框架柱有足夠的變形能力在高軸壓比情況下V-△滯回環(huán)骨架曲線的下降段比較陡,滯回環(huán)的豐滿程度差,在循環(huán)次數不多的情況下,框架柱喪失的承載力較大,耗能的能力較差,在低軸壓比情況下V-△滯回環(huán)骨架曲線下降段比較平緩,框架柱承受變形能力較大,而承載力降低不明顯,對軸壓比加以限制,即要求在滿足一定層間變形時,在反復荷載作用下滯回曲線在第三個循環(huán)抗力下降量不超過前一個循環(huán)抗力下降量,保證在大變形下,仍有穩(wěn)定的承載能力,從而保證框架柱“大震不倒”。 5.2影響工程的因素 (1) 選用矩形截面柱的原因 框架柱的斷面形狀將直接影響著柱截面界限破壞時鋼筋和混凝土內應變,應力的分布和混凝土受壓邊緣的極限應變,從而影響到不同的截面形式的框架柱,反映出的強度變形特性是不一樣的,在相同條件下,圓形柱的軸壓比限值可提高10%左右.但本工程為住宅建筑，考慮房間布局的因素，只選用矩形截面的柱而不考慮選擇圓柱。 (2)剪跨比的確定 建立在截面界限破壞基礎上的軸壓比公式中,未考慮剪應力的影響,沒有體現出剪跨比的影響,事實上,剪跨比能夠大體反映截面上彎曲正應力與剪切應力的比例關系,因而是框架柱破壞形式的主導因素。通常認為框架柱的剪跨比越大,延性越好.在一般配筋條件下,當入>2時,框架柱在橫向水平剪力作用下,一般都會發(fā)生延性好的彎曲破壞;當入≤2時,框架柱就變成了短柱,在橫向水平剪力作用下,一般發(fā)生延性差的剪切破壞.這種情況在工程中出現在與樓梯休息平臺相連的框架柱和墻有大開窗處的框架柱。對與短柱工程采取全長加密，取ф8@100。 (3) 箍筋約束的影響 在利用界限破壞條件推導框架柱的軸壓比限值時,并沒有考慮箍筋約束的有利影響,箍筋能改善混凝土的受力性能,特別是能提高混凝土受壓邊緣的最大壓應變。 (4)混凝土的強度等級的影響 工程不考慮采用高強混凝土,因為高強混凝土雖可以減小軸壓比,但是混凝土的強度等級不一樣,fc和不一樣,一般情況下,隨著混凝土強度等級的提高,變形能力變差. 總之，柱子設計關鍵是控制軸壓比，根據規(guī)范軸壓比限值取0.9。另外一個關鍵問題就是短柱現象，千萬不要忽略。 6、結束語 鋼筋混凝土結構是一種常用的結構形式,目前城市建設正在建設和擬建的多高層建筑大都是鋼筋混凝土結構,地震是一種自然現象; 在實際工程的抗震設計中,概念設計更具重要意義,設計人員需針對一些薄弱環(huán)節(jié)如應力集中部位，連接節(jié)點，主要抗側力構件等進行加強處理。做到: 1. 結構功能與外部條件一致. 2. 充分發(fā)展先進的設計理念. 3. 發(fā)揮結構功能并與經濟協(xié)調. 4. 更好的解決構造處理. 5. 利用定量的計算進行抗震分析. 6. 利用概念來判斷設計的合理性