浅谈多层混凝土框架结构的设计要点——以浦东金桥某综合办公楼为例.doc

浅谈多层混凝土框架结构的设计要点以浦东金桥某综合办公楼为例-建筑论文浅谈多层混凝土框架结构的设计要点以浦东金桥某综合办公楼为例 李晓鸥 Li Xiaoou 摘要：由梁和柱连接而成的框架结构，可以形成可灵活布置的建筑空间，使用空间大，是建筑结构设计中常见的，同时也是较为重要的一种形式。一直以来，框架结构设计是结构设计的一个重点。本文结合上海地区的一个多层框架项目，对多层框架结构设计中碰到的常见问题做一个汇总，以供参考。 关键词：框架结构；防震缝；楼板开洞 中图分类号：TU37 文献标识码：B 文章编号：1008-0422（2015）08-0154-04 作者简介：李晓鸥（1979-）， 女，浙江乐清人，上海浦东建筑设计研究院有限公司工程师。 1 工程概况 本工程为一栋办公综合楼，位于上海浦东金桥，总建筑面积约8500m2。地下一层，地上五层（局部六层），地下室底板标高-5.600m，地上建筑层高3.8m，房屋总高22.8m。地下室平面呈矩形，平面尺寸约为46mx76m，地下建筑面积约3200m2，其中包含人防面积约1350m2。地上部分建筑平面呈L 形，长边方向长54m，短边方向长31m，L 形的凸出长度约16m。地下室顶板上除上部建筑范围外，均有1.20m 厚的覆土。本工程采用现浇混凝土框架结构，建筑平面见图1。 本工程设计使用年限为50 年，抗震设防类别为丙类，建筑结构安全等级为二级，抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第一组，框架抗震等级为三级。根据地勘报告，拟建场地地基土属于软弱土，场地类别为类，地层分布较稳定，无液化土层，特征周期Tg=0.90S。 2 结构设计分析 2.1 建筑结构平面布置规则性分析抗震结构平面布置宜简单、规则，尽量减少凸出、凹进等复杂平面，从而减少地震作用下的扭转。一般不宜设计凸出部分过长的L 形、T 形、H 形平面。本工程地下室平面是较为规则的长方形，而地上建筑平面为L 形，凸出长度B=16.5m，总宽度Bmax=31.5m，显然B0.3Bmax。根据国家建筑抗震设计规范(GB50011-2010)3.4.3 条及条文说明关于建筑结构平面的凸凹不规则示例，可以判别本工程建筑结构平面属于凸角不规则。而上海市建筑抗震设计规程(DGJ08-9-2013)3.4.3 条关于凹凸不规则的定义：结构平面凹进或凸出的长度大于相应投影方向总尺寸的30%；且凸出的宽度小于凸出长度的50%。规程的条文解释中明确指出，对于平面外凸部分，判断是否不规则，要采用双控指标，即同时用外凸长度和外凸部分的宽度两个条件来控制，在两个条件同时满足时才属于凸角不规则，这一点与国家规范有所不同。根据上海规程，本工程外凸长度16.5m，而外凸的宽度有15m，据此本结构平面可判别为不属于凸角不规则。 在房屋建筑的总体布置中，为了消除结构的不规则、收缩和温度应力以及不均匀沉降对结构的不利影响，可以通过设置防震缝、伸缩缝和沉降缝将房屋分成若干个独立的较为规则的结构单元，以此来减少房屋的扭转并改善结构的抗震性能。但在建筑中设缝也会带来一些问题，比如设缝会影响建筑立面、使构造复杂等，同时大量的震害调查表明，设缝的结构在强烈地震下相邻结构可能发生碰撞而导致局部损坏。 本工程根据建筑抗震设计规范(GB50011-2010)3.4.5 条，在L 形的拐角处设置一道防震缝，将地上主体划分成两个平面较规则的独立单体分别计算，和不设缝的整体模型进行比较（采用satwe 程序）。在L 型的拐角设缝，平面划分成两块较规则的矩形平面，平面轴线尺寸分别为15mx31m，13mx38m。 设缝之后左右两块单体分别进行建模计算，计算结果见表1。 由表1 的计算结果可说明，设缝之后，L形左区成为一个较规则的抗侧力结构单元，但右区经过加大纵向两端的竖向构件截面，加大两侧端榀框架梁的梁高，以增大结构的抗扭刚度之后，Y 向的扭转位移比数值依然大于1.2，属于扭转不规则。 不设缝的整体模型的计算结果见表2。 计算过程中发现不设缝的整体模型的薄弱点在L 形短向的端部，未对L 形短向的端部的竖向构件加强之前，地震作用的最大方向角为44 度，为典型的L 形平面布置的刚度特征；最大的位移角为1/527，出现在L 形短向端部的角柱上。在对端部的柱子截面加大之后（柱子截面由600x600 加大到650x650），整体计算结果的各项指标良好（如上表格），位移角满足规范要求，虽然Y 向的位移比依然没有控制在1.2 范围内，但小于1.5，属于可控的范围内。表3 为三个模型的楼层剪力计算结果，地下室层的剪力值由于模型计算取的是上部结构的相关范围，剪力值有偏差，其余楼层左右分区的楼层剪力值相加后与整体模型剪力值基本相近甚至略大一点。 模型的内力及配筋计算结果显示，分区模型与整体模型的配筋数值上基本接近，但设缝模型要多一排柱子，要增加建筑构造，立面处理，防水措施等。经上述分析比较之后，本工程决定不设防震缝，采用整体模型，对L 形端部的竖向构件加大截面，并加大端榀框架梁截面，同时适当的弱化平面中部刚度，增加整体结构的抗扭刚度，减少端部在地震作用下的扭转变形。 2.2 地下室顶板开洞对嵌固部位的影响 本工程地下室有较大范围的下沉式庭院，加上地下车库出入口，地下室顶板有较大面积的开洞，洞口尺寸分别为9mx18.5m，9.6mx31.5m，8.7mx23m，开洞面积A=669m2，开洞面积小于顶板面积的30%，但洞口位置均紧邻地上主体周边。根据上海市建筑抗震设计规程6.1.17 条及条文说明，作为上部结构嵌固部位的地下室顶板，一般顶板开洞的洞口面积不宜大于顶板面积的30%，且洞口边缘与主体结构的距离不宜太近；当不满足该要求时，应详细分析顶板应力，并采取合适的加强措施后才可将顶板作为上部结构的嵌固部位。本工程对地下室顶板开洞与否做了两个模型，顶板开洞模型中楼板定义弹性假定，不开洞的则按楼板刚性假定计算，采用PMSAP 计算分析，对洞口周边的A、B、C 三个节点( 具体位置见图一) 的地震剪力值和位移峰值做了记录和比较。结果显示本工程顶板的开洞与否，对顶板上下层的刚度比、结构的自振周期、最大弹性位移角等指标影响不大( 具体见表4)；楼板开洞对洞口周边的竖向构件水平剪力的传递，洞口周边节点的位移值均有影响，具体见表4和表5( 主要比对了地下室层和地上一层)，开洞后，洞边节点的位移值增大了，因地下室层位移值绝对值较小，位移差值的比例较高，一层的位移变化在10% 左右。由此可见，顶板开洞后，对上部建筑嵌固的影响可以忽略不计，但由于刚度削弱，靠近洞口周边的竖向构件的水平力传递途径发生变化，对地下室顶板作为水平力的传递体系，协调抗侧力构件在水平力作用的共同工作有一定影响。地下室的抗震设计应考虑做一些加强措施：(1) 在洞口周边允许的范围内设置混凝土剪力墙，与洞口转角处的框架柱连接，以此传递水平力，增强侧向刚度；(2) 加强洞口周边及附近的框架柱的截面、配筋和构造；(3) 加强洞口周边相关范围的地下室顶板梁板截面、配筋和构造。 2.3 地下室顶板错层部位的处理 由于地下室顶板的覆土问题，在主楼的室内外交接处形成了一个1.5m 高的错层。对错层及局部错层应优先考虑通过采取恰当的综合措施，消除或减轻错层给结构带来的不利影响。本工程在楼面板标高处合用同一根梁，设置梁侧外加腋( 见图2)，以改善水平力的传力途径，同时对结构模型按错层与非错层分别进行计算，合理配筋。在梁外侧加腋不会影响内部空间使用，只需设备管线排布合理避让加腋即可。错层处的框架柱按短柱设计，箍筋全高加密，箍筋体积配箍率不小于1.2%。 2.4 楼板大开洞的影响 由于建筑功能需要形成一个有四层高的挑空大堂，局部楼板连着三层开洞，相关范围的框架柱为穿层柱( 见图3)，同时二层楼面因为开洞，有效楼板宽度明显小于该层楼板典型宽度的50%( 见图4)。PMSAP 整体模型分析结果显示：楼板开洞，定义弹性楼板工况下：最大位移角X 方向为1/615，Y 方向为1/590，T1=0.9526S，而楼板不开洞，定义刚性楼板工况下：最大位移角X 方向为1/623, Y 方向为1/635,T1=0.9568s；采用PK 程序，取洞口处的单榀框架计算，开洞工况下：最大位移结果为1/551，而不开洞的工况下：最大位移角为1/684( 见图5)；同时比较了穿层柱D 和E 在开洞和不开洞工况下所受地震剪力的差异( 见表6)。 楼板是传递和分配水平地震作用，协调同一楼层竖向构件的变形的重要元素。以上数据表明因楼板大开洞，削弱了楼板刚度，对整体结构位移和水平力的传递均有影响，而相对整体的影响，开洞对洞口周边构件的影响更为明显。楼板开洞后尤其需要加强洞口周边梁柱构件的抗侧刚度及强度，同时也需要对洞口周边的楼板( 至少一跨)，以及洞口对应位置上一层的楼板适当加厚，配筋加强处理，以增强洞口周边楼板的水平承载力。本工程中二层楼面大开洞后，二层楼面洞口周边楼板加厚为150mm，PMSAP 对弹性楼板应力计算结果如图6，楼板面内最大主拉应力分别为0.18MPa和0.16MPa，二层楼板的混凝土强度等级为C30，其抗拉强度标准值为2.01MPa，在地震作用下楼板的最大主拉应力小于混凝土的抗拉强度标准值，楼板处于弹性状态。 本工程中穿层柱穿越三层，截面尺寸为500x750（Y 向），计算高度L0=1.25x（3.8x4）=19m，Y 向的长细比L0/b=25.3，稳定系数=0.62，C35 混凝土，计算轴力N=1100KN10.9fcA=0.90.6216.7500750=3494kN。对于穿层柱要注意核对计算程序中对计算长度系数的取值，如有虚梁跟柱相连或则有悬挑板时，需要手工干预计算长度系数；补充穿层柱的稳定计算分析；并增加计算措施，可以采用satwe 整体模型分析和用PK 取单榀框架分别计算，校核内力及配筋，穿层柱柱截面适当加大，长细比控制在30 以内为宜，配筋在穿层处应该按上下楼层取大值配筋，箍筋全高加密。 3 结语 通过上述分析，可以得出如下结论：地下室顶板开洞后，还是可以把地下室顶板作为一个整体，通过未开洞的顶板有效的传递上部结构的水平力，在计算分析中把地下室顶板作为嵌固部位考虑是可靠的。开洞后，由于楼板刚度削弱，导致地震作用下洞口周边的平面内变形略有变化，有必要对洞口周边楼板进行加强，采取楼板加厚，配筋加强等措施。 对平面不规则的建筑结构的防震缝设置问题应慎重，一般情况下，应优先考虑不设防震。当不设置防震缝时，应经分析比较，找出结构的薄弱部位，并采取相应的加强措施。 楼板开洞削弱楼板刚度，对水平力的传递，楼板平面内的变形会有较大的影响，计算中应补充洞口周边楼板的应力分析，加强洞口周边楼板的刚度和强度，保证其有足够的水平传递能力，对应力集中处的楼板应达到在多遇地震下保持弹性状态。 对穿层柱要注意其计算长度的取值，稳定性的分析，不同的力学模型计算补充，加强抗震构造措施，保证构件有良好的承载力和变形能力，达到期望的性