浅议钢砼框架与钢筋混凝土框架结构设计__墨水学术,论文发表,发表

所属栏目：冶金论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:282

副标题#e#摘要：钢砼结构体系作为一种新兴的结构体系，兼有钢结构和混凝土结构的优点。钢一混凝土组合结构在建筑行业也得到了迅速发展，无论是工业建筑还是民用建筑，在结构设计中，作为一个结构设计者需要在遵循各种规范下大胆灵活的解决一些结构方案上的难点、重点。
　　关键词：钢砼结构钢一混凝土组合结构设计
　　钢砼结构体系作为一种新兴的结构体系，兼有钢结构和混凝土结构的优点。在建设部、国家冶金工业局颁布的《建筑用钢技术政策》中，特别将钢砼结构列为要大力推广的建筑新技术。二十世纪九十年代以后，随着我国钢材量的不断提高，钢一混凝土组合结构在建筑行业也得到了迅速发展，随着建筑造型和建筑功能要求日趋多样化，无论是工业建筑还是民用建筑，在结构设计中遇到的各种难题也日益增多，因而作为一个结构设计者需要在遵循各种规范下大胆灵活的解决一些结构方案上的难点、重点。
　　一．钢砼结构设计
　　1.钢砼结构的特点分析
　　钢砼结构体系通常指的是钢框架砼核心筒或剪力墙体系，抗侧移刚度很大的混凝土核心筒或剪力墙主要抵抗风荷载和地震作用，而钢框架主要承受竖向荷载。
　　1.1降低用钢量
　　钢砼结构体系兼有钢结构和混凝土结构的优点。与全钢结构相比，可以降低用钢量40%－55%，而施工速度与之相当，能够减少现场焊接工作量、降低防火处理费用；与混凝土结构相比，可减轻结构自重，增加建筑使用面积，缩短施工工期。因此是一种符合我国国情的较好的多层建筑结构形式。
　　1.2抗压承载力高，扩大了建筑使用空间
　　由于钢砼柱的承载力高，柱子载面小，还可采用大柱网、大空间的框架结构体系。所以在多层建筑中采用钢砼柱比采用钢筋混凝土结构增加使用面积3%-6%.
　　1.3柱子截面减小对抗震有利
　　和全钢结构相比，钢砼结构柱的自重小，地震作用引起的地震反应也将减小。据有关资料分析，多层建筑中采用钢砼结构体系比采用全钢结构，柱自重可以减少1/3～1/2，地震作用可以减少一半，相当于设防烈度下降一度。
　　2.多层钢砼框架结构设计体系的问题
　　2.1目前多层建筑、商住楼开发较多。随着实心粘土砖的禁用，多层砖混结构体系的逐渐退出，纯框架体系更成为了大多数设计院首选的结构体系，但纯框架体系毕竟是柔性体系，抗震设计中只有一道梁柱框架抗震防线，强震下较易破坏甚至倒塌，可靠度较低；随着层灵敏的增加，执受力和变形工需要较大的柱，以致较难满足用户对柱、梁断面尽量的要求。框架梁、柱配筋量增大，结构造价逐渐增加。
　　2.2建议五层以上的多层建筑优先采用框架—剪力墙结构体系。在分散、均匀、对称和周边的布置原则下利用楼、电梯间、分户墙或允许落地的墙位合理布置长短适中，数量适当的纵、横剪力墙，在保证楼板与剪力墙间传递水平力的可靠性下，可收到良好的抗震、使用及经济效果，主要如下：
　　（1）增加了一道抗震防线，使剪力墙成为第一道防线，框架成为第二道防线，较好地实现抗震设计多道设防的设计概念。
　　（2）设置刚度较框架大许多的剪力墙，提高了结构的承载力，减少了层间变形，在常遇地震下的结构件及非结构构件均不易开裂、破坏；在强震下，剪力墙不易剪切破坏，大大提高了结构的防倒塌能力及可靠度。
　　（3）剪力墙厚一般同填充墙厚，不会外露，剪力墙承受了大部分地震剪力及较大部分的地震倾覆力矩。这样框架基本上以承受竖向荷载为主，柱、梁断面均较小，配筋也较少。对于建筑有较好的使用效果。
　　（4）一般墙量合理不太多的情况下，框剪结构的混泥土工程量略小于纯框架结构，框剪结构墙、柱基本都是构造配筋，框架梁基本由竖向荷载控制配筋，钢筋工程量小于纯框架结构，故多层建筑采用框剪结构的经济效益优于纯钢框架结构。
　　3.多层钢砼框架结#p#副标题#e#构设计体系典型问题的处理
　　3.1对砼结构裂缝的修补
　　采用表面密封法用于修补不再发展的裂缝，其缝隙宽度不大于0.2mm.具体做法为：在裂缝处用钢丝刷将砼表面打毛，并用清水洗净，然后喷涂或涂刷一层涂敷材料、丙烯酸橡胶、聚酯树脂，或在裂缝上先铺放玻璃丝布，再用修补材料涂刷。
　　3.2对砼结构受损伤部位的修补
　　采用涂抹砂浆法或化学灌浆方法对于浅表面损伤，可采用涂抹砂浆法或化学灌浆法。其具体做法是先将受损表面清洗干净，然后涂一层界面剂或低黏度环氧树脂，再涂抹环氧树脂砂浆或聚合物水泥砂浆进行修补。
　　3.3对砼结构的加固
　　对砼结构加固的目的是要在恢复中提高结构的承载力，使结构能继续使用或改作其他用途。加固的方法，大致有以下几种：
　　（1）采用增大截面加固方法，这是一种加大原结构截面和配筋量的加固方法，用于提高构件的抗弯强度、抗剪强度和刚度，也可用来修补砼的裂缝。这种方法的优点是适用面广，可用于加固梁、柱、墙、基础、屋架弦、腹杆以及连接节点等。新浇砼标号宜比原构件砼标号提高一级。施工工艺简单，但是作业量大，减少了建筑的使用面积，施工中必须保证新老砼的粘结。必要时可采用砼界面剂。
　　（2）采用粘钢加固方法。在钢筋砼结构表面用结构胶粘贴钢板，以提高结构承载力。这种方法的优点是施工简单、快捷。加固时，基本上不影响使用，主要用于梁的加固。钢板应延伸出需要加固部位外，延伸的长度应满足加固钢板传力的需要，如果钢板的锚固长度受到限制，则需要采用锚拴或型箍板加固粘结。加固法至关重要的是处理好粘结处的砼表面和粘结钢板的表面，选配好粘结的胶。黏胶后再加固加压，胶固化后才能受力。
　　（3）采用增设支点加固方法。增设支点以减少结构计算跨度，从而能较大幅度地提高承载能力，并能减少和限制梁、板的挠曲变形。该法的优点是简单，但使用空间受到限制。这种加固方法，应核算增设支点后结构受力情况的改变，该法多用于框架梁和一般梁的加固。
　　针对钢砼结构应用于建筑中会遇到的一些具体问题，通过工程实践的结果表明，钢砼结构可以用于多层建筑的建设，同时也为钢砼结构在建筑建设中的推广应用打下坚实的理论基础。
　　二．钢筋混凝土框架结构设计
　　1.框架结构方案构思时应考虑以下几点
　　1.1结构的传力路线应简捷明了。在荷载作用下，结构的传力路线越短、越直接，结构的工作效能越高，‘所耗费的建材也就越少。
　　1.2在民用和公共建筑的平面布局中，应当尽量使柱网按开间等跨和进深等距（或近似于等距）布置，这样可以相应减少边跨柱距，也可以充分利用连续梁的受力特点以减少结构中的弯距，可以使各跨梁截面趋于一致，而提高结构的整体刚度。
　　1.3结构方案还应结合工程地质情况和建筑功能要求综合考虑。
　　2.应从概念设计上着手注意几个问题
　　2.1关于强柱弱梁节点。这是为了实现在罕遇地震作用下，让梁端形成塑形铰，柱端处于非弹性工作状态，而没有屈服，但节点还处于弹性工作阶段。强柱弱梁措施的强弱，也就是相对于梁端截面实际抗弯能力而言柱端截面抗弯能力增强幅度的大小，是决定由强震引起柱端截面屈服后塑性转动能否不超过其塑性转动能力，从而使柱不被压溃的关键控制措施。
　　2.2关于“强剪弱弯”措施：强剪弱弯是保证构件延性，防止脆性破坏的重要原则，它要求人为加大各承重构件相对于其抗弯能力的抗剪承载力，使这些部位在结构经历罕遇地震的过程中以足够的保证率不出现脆性剪切失效。对于框架结构中的框架梁应注意抗剪验算和构造，使其满足相关规范要求。
　　2.3注意构造措施。①对于大跨度柱网的框架结构，在楼梯间处的框架柱由于楼梯平台梁与其相连，使得楼梯问处的柱可能成为短柱，应对柱箍筋全长#p#副标题#e#加密。这一点，在设计中容易被忽视，应引起重视。②对框架结构外立面为带形窗时，因设置连续的窗过梁，使外框架柱可能成为短柱，应注意加强构造措施。③对于框架结构长度略超过规范限值，建筑功能需要不允许留缝时，为减少有害裂缝，建议采用补偿混凝土浇筑。采用细而密的双向配筋，构造间距宜小于150mm，对屋面宜设置后浇带，后浇带处按构造措施宜适当加强。④其它构造措施限于篇幅，这里不再赘述，请详见新规范。
　　3.结构计算方面的问题
　　3.1计算简图的处理
　　结构计算中，计算简图选取的正确与否，直接影响到计算结果的准确性，其中比较典型的是基础梁的处理。一般情况下，基础梁设置在基础高度范围内，作为基础的一部分，此时结构的底层计算高度应取基础顶面至一层楼板顶面的高度。基础梁仅考虑承担上部墙体荷载，构造满足普通梁的要求即可。当按规范要求需设置基础拉梁时，其断面和配筋可按构造设计，截面高度取柱中心距的1/12～1/18，纵向受力钢筋取所连接的柱子的最大轴力设计值的10％作为拉力来计算。但是，当基础埋深过大时，为了减少底层的计算高度和底层的位移，设计者往往在±0.000以下的某个适当位置设置基础拉梁。此时，基础拉梁应作为一层输入，底层计算高度应取基础顶面至基础拉梁顶面的高度，二层计算高度应取基础拉梁顶面至一层楼板顶面的高度。拉梁层无楼板，应开洞处理，并采用总刚分析方法进行计算。基础拉梁截面及配筋按实际计算结果采用。若因此造成底层框架柱形成短柱，应采取构造措施予以加强。另一个需要注意的是，当框架结构的电梯井道采用钢筋混凝土井壁时（设计时应尽量避免），计算简图一定要按实际情况输入，否则可能会造成顶部框架柱设计不安全。
　　3.2结构计算参数的选取
　　（1）设计基本地震加速度值
　　《建筑抗震设计规范》（GB50011一2001）中规定：抗震设防烈度为7度时，设计基本地震加速度值分别为0.1g和0.15g两种，抗震设防烈度为8度时，设计基本地震加速度值分别为O.2g和0.3g两种，这与89规范差别较大。计算中应严格注意地震区的划分，选取正确的设计基本地震加速度值，这一项对地震作用效应的影响极大。
　　（2）结构周期折减系数
　　框架结构由于填充墙的存在，使结构的实际刚度大于计算刚度，计算周期大于实际周期，因此，算出的地震作用效应偏小，使结构偏于不安全，因而对结构的计算周期进行折减是必要的。折减系数可根据填充墙的材料及数量选取0.7～0.9.
　　（3）梁刚度放大系数
　　SATWE或TAT等计算软件的梁输入模型均为矩形截面，未考虑因存在楼板形成T型截面而引起的刚度增大，造成结构的实际刚度大于计算刚度，算出的地震剪力偏小，使结构偏于不安全。因此计算时应将梁刚度进行放大，放大系数中梁取2.0、边梁取1.5为宜。
　　（4）活荷载的最不利布置
　　多层框架，尤其是活荷载较大时，是否进行活荷的最不利布置对计算结果影响较大。即使选用程序中给定的梁设计弯矩放大系数，也不一定能反映出工程的实际受力情况，有可能造成结构不安全或过于保守。考虑目前的计算机计算速度都比较快，作者建议所有工程都应进行活荷载的最不利布置计算。
　　3.3独立梁箍筋计算结果需复核
　　《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）中规定：对集中荷载作用下的独立梁，应按公式进行计算，且集中荷载作用点至支座间的箍筋，应均匀配置。但SATWE软件计算梁箍筋时，未考虑独立梁这一情况，都按公式进行计算，有时会造成计算结果偏小，设计中若遇到有独立梁存在的情况，应对梁箍筋的计算结果进行手算复核。
　　4.设计构造方面的问题
　　4.1框架节点核芯区箍筋配置应满足要求对于规范中规定的框架柱箍筋加密区的箍筋最小体积配箍率的要求，绝大部分设计人员都能给予足够#p#副标题#e#的重视，但对于是柱轴压比不大时，常常不满足要求。这一规定是保证节点核芯区延性的重要构造措施，应严格遵守。
　　4.2底层框架柱箍筋加密区范围应满足《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）中规定：“底层柱，柱根处箍筋加密区范围为不小于柱净高的1/3”的要求，设计中应重点说明
　　4.3框架梁的纵向配筋率应注意
　　《建筑抗震设计规范》（GB50011一2001）中规定：“当框架梁梁端纵向受拉钢筋配筋率大于2%时，梁箍筋最小直径的数值应比表6.3.3中规定的数值增大2mm.”在目前设计中，这一规定常被忽视，造成梁端延性不足。
　　4.4框架梁上部纵筋端部水平锚固长度应满足要求
　　《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）中规定：“框架端节点处，当框架梁上都纵筋水平直线段锚固长度不足时，应伸至柱外边并向下弯折，弯折前的水平投影长度不应小于0.4LaE.”当框架柱截面尺寸小于400×400mm时，应注意梁上部纵筋直径的选择，否则这一项要求不容易得到保证。
　　钢筋混凝土框架结构虽然相对简单，但设计中仍有很多需要注意的问题，只有熟练地掌握规范，并具有良好的结构概念，才能设计出既安全又经济适用的优秀作品。