对多层框架结构底层柱的计算高度问题的一种讨论

问题讨论3多层框架结构底层柱的计算高度问题多层框架结构底层柱的计算高度指的是，在作结构分析时框架结构计算简图中底层柱的计算高度，它与柱的计算长度l 0不是一个概念。柱的计算长度l 0在混凝土结构设计规范(GB 500102002)中，对轴心受压构件指的是稳定计算的长度，对偏心受压构件指的是近似考虑二阶效应时的等效标准柱长度；在钢结构设计规范(GB 500172003)中，指的是稳定计算的长度。应该指出，影响结构内力分析结果的是框架结构计算简图中柱的计算高度，但柱计算长度l 0的任何改变均不影响结构内力分析的结果，它只影响最后的柱配筋计算结果。多层框架结构柱的计算高度，对于除去底层以外的上面几层从力学概念来说本来是很清楚的，它应该是上下两层梁的形心轴之间的距离。但是，梁的截面高度经常高低不等，按此规则确定柱的计算高度会使计算简图变得相当复杂。为了简化，在计算简图习惯上取上下层楼面之间的距离作为计算高度。除去底层柱以外，这样简化的结果误差不大。底层柱计算高度的历史变迁：在上个世纪50年代，我国实行“一边倒”政策期间，在建筑结构行业基本上是以前苏联的规范规定为蓝本进行设计。那时规范中并不存在对多层房屋底层柱计算高度的规定。在全国范围内，当时的工业厂房主要是单层厂房，正规的多层工业厂房框架结构主要用于电子系统的厂房，当时基本上由我院设计。向我们提供关键设计经验的主要是前苏联列宁格勒的设计院(第六或第五设计院，现在记不太准)，他们的习惯做法是底层柱的计算高度为底层层高加1m。主要有两方面的考虑：一是在多层厂房中底层混凝土地坪从侧向对混凝土柱有较强的约束，再加上土层对基础的约束，由于这种约束，可以近似认为到达一定深度就能将柱看成已是固定端；二是多层工业厂房与单层工业厂房不同，当时单层工业厂房的柱顶多为铰接，柱的高度是实际高度，多层工业厂房的框架结构是刚性节点，底层柱的计算高度应该是楼层层高扣除梁高的一半。按上述前苏联的计算规则，当梁高为700mm时，实际的底层柱计算高度比从地面算至梁高中点的高度增加了1.35m。应该说，还是比较合理的数据。我国的规范对计算简图中底层柱的计算高度从一开始就没有明确的规定，只是钢筋混凝土结构设计规范(TJ 1074)中，有个提法，在对柱计算长度l 0的规定中采用了柱高度H乘以一个计算长度系数来表达。关于柱高度H，在规范中对于单层工业厂房与多层房屋有两种定义：单层工业厂房中的定义是，“H从基础顶面算起的柱子全高” ；多层房屋中的定义是，“H楼层高度” 。可以看出，这里的柱高度H只是一个几何参数，并没有代表计算简图中柱计算高度的含义。因为，对于没有地下室的多层房屋来说在计算简图中底层柱的计算高度，显然应该大于底层的楼层高度而不是等于底层的楼层高度。应该历史地指出，那时量大面广的各类单层工业厂房，其基础顶面到室内地坪的距离一般不超过1m，在规范中用“从基础顶面算起的柱子全高”作为计算参数的规定，实际上是在当时的技术经济条件下用以减少单层工业厂房柱计算长度l 0的规定。多层厂房底层柱的计算高度采用底层层高加1m，单层厂房柱的计算高度采用基础顶面算起的柱子全高，就这样并行了几十年。我院在80年代初期编制的若干套多层框架国家标准图，底层柱的计算高度是按照底层层高加1m的规则编制的，为其编制的技术条件当时已按惯例进行过审查。另外，建筑科学研究院在探讨地震作用下，多层框架柱截面组合弯矩设计值的增大系数时曾做了大量的计算工作，其依据的蓝本正是我院编制的上述国家标准图。可以明显的看出，在多层厂房计算中对于底层柱的计算高度采用底层层高加1m的这种习惯性做法多年来并没有见到任何反对意见。混凝土结构设计规范(GB 1089)，在第7.3.1条的条文说明中已经指出，关于框架柱计算长度l 0的确定是在74规范的基础上“做了一些必要的调整补充” 。该规范对于柱高度H仍有两种定义。单层工业厂房没有变化，多层房屋钢筋混凝土框架柱中底层柱H的定义改为“基础顶面到一层楼盖顶面之间的距离” 。从规范的继承性来判断，89规范对74规范的修改是在原规范思路基础上的修改，只涉及对原规范中几何参数H取值的调整。第7.3.1条的条文说明有将近两页的篇幅对“必要的调整补充”作了说明，但没有任何对H的重新定义的文字叙述。应该认为，89规范同样不涉及对框架计算简图中底层柱计算高度的规定。混凝土结构设计规范(GB 500102002)，除去在第7.3.11条的条文说明中对框架结构柱的二阶效应作了较多的探讨外，对柱高度H的定义没有变化。因此，2002规范也应理解为不涉及对框架计算简图中底层柱计算高度的规定。关于在计算简图中柱的计算高度问题还有两个方面的内容可以做旁证：一是，混凝土结构设计规范是对混凝土结构构件及其连接等方面作规定的规范，对于结构分析及荷载效应组合只有原则性的规定。理所当然地不会对内力分析计算简图中的细节作规范性规定，柱计算长度l 0的规定属于结构构件的设计规定，没有理由将其中的“注”引伸为是对内力分析计算简图中细节规定。可能涉及到对内力分析计算简图细节作规定的应该是抗震规范或高层混凝土规范等规范，但是从工业与民用建筑抗震设计规范(TJ 1178)开始，到现在的建筑抗震设计规范(GB 500112001)，以及钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程(JGJ 391)、高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 32002)等都没有对内力分析计算简图中柱的计算高度作专门的规定。在JGJ 32002的第4.5.5条中，有关于“作为上部结构嵌固部位的地下室楼层的顶楼盖”的规定，这与柱的计算高度有点关联，但显然不属于本文讨论的范围。二是，80年代后期，参编混凝土结构设计规范的重庆建筑工程学院的混凝土柱计算长度研究小组一行几人，曾到我院对多层厂房柱的计算长度系数问题征求过意见，我院由我接待。当时主要探讨了两方面的问题：对框架剪力墙结构的剪力墙构件在主受力方向的计算长度是否应考虑建筑物的全高作为修正计算长度l 0的几何参数。当时有些单位通过弹性稳定的计算机分析，得出一个在设计上难于接受的结论，一个常见的五层框架，五层边柱的计算长度修正系数达到45倍之多！他们表示要作进一步的研究。他们当时知道我院在全国范围内是多层厂房设计最多的一家设计院，但自始至终并没有征求过对内力分析计算简图中框架结构底层柱的计算高度问题。显然，这不是他们关注的问题。在89规范发布之后很长一段时间，在设计中多层厂房底层柱的计算高度采用底层层高加1m，仍然是一种习用的做法。在成立了施工图审图公司之后的初始阶段也没有变化。后来，在有人依据混凝土结构设计规范中的“注”引伸为应该将多层房屋底层柱的计算高度改为从基础顶面到一层楼盖顶面之间的距离之后才出现了麻烦。根据本文的讨论，这种引伸并不符合规范的本意，以此作为施工图的审查依据理由是不充分的。为了改变这种状况需要多做解释工作，在解释工作奏效之前只好采取变通的处理办法。变通处理办法1：从基础顶面到0.00以下某处 (例如，0.80) 设粗短柱，将粗短柱的顶面看成基础的顶面。对于抗震设防烈度为8度、场地类别为类的建筑，可避开因底层柱计算高度过高使得层间位移难于满足规范要求的状况。当柱截面为600600mm时，可以将每边放宽150mm，使粗短柱的截面变成900900mm。这样，粗短柱的截面惯性矩将达到上部柱截面惯性矩的5倍，施工图审图公司的关就比较容易过了。变通办法 2：有条件时，到处设基础梁，看成是一层框架梁，多加一层计算，基础梁以下的一层可设为地下室，这样也能通得过。尽管可以变通处理，但我认为从道理上说其实是多此一举。只不过是审图公司不肯盖章，就不能施工，也就只有变通处理了。要点：柱的计算长度l 0不是指框架结构分析时结构计算简图中的柱计算高度，它只与柱配筋计算相关，计算长度l 0的变化只影响柱的配筋大小，对内力分析的结果无任何影响。求轴心受压柱的稳定系数w和求偏心受压柱的偏心距增大系数时才用到柱的计算长度l 0 。求柱的计算长度l 0要用到柱高度H 。按规范的原始定义，这里的柱高度H并不等同于结构计算简图中的柱计算高度，它代表的只是一个几何参数。结构计算简图中的柱计算高度，在我国的规范中并没有明确的规定。各设计院几十年来习用的规定，应该可以作为参考的数据。多层厂房底层柱的计算高度采用底层层高加1m，单层厂房柱的计算高度采用基础顶面算起的柱子全高，几十年来一直在我国的设计中并行采用。我院在80年代初期编制的若干套多层框架国家标准图，正是按照底层柱的计算高度采用底层层高加1m的规则编制，为其编制的技