建筑结构 圈口 四 浅谈框架结构设计的一些优化措施 摘要：新的建筑结构设计规范自２０１０年后陆续颁布实施了。在钢筋混凝土框架结构设计中，熟悉和理解新规范条文，选择更优 的结构设计方案，注重结构构件的精细化设计，可以使结构更经济，抗震性能更好。 关键词：框架结构；优化设计；舍钢量； 所谓优化设计，就是在建筑方案的基础上，通过对不同的结构方案进行 比较，选用更优的结构设计，不仅使整个结构体系受力更好，更满足抗震设防 震等级为四级的框架柱，中柱和边柱的最小配筋率为０．７，角柱的最小配筋率 为０．８％。在施工工艺适当提高的情况下，可以节省数量可观的钢筋和混凝土。 要求，还能节约钢筋和混凝土，降低含钢量，同时满足建筑功能要求，这是建 筑行业共同的目标。 在框架结构设计中，不同结构方案的选择，像基础类型选用、柱网与柱 子截面的确定，主次梁的布置方式，楼板（屋面）板的配筋方式等都有比较大 的技术经济方面的讲究。据统计，在满足同样功能的条件下，合理的设计，可 降低钢筋混凝土用量１０％～１５％左右。框架结构主要由基础、柱、梁、楼板（屋 面）板等部分组成。下面就主要结构部分进行举例说明。 一、基础的优化设计 在设计基础之前，先要用结构设计软件如建科院ＰＫＰＭ中的ＪＣＣＡＤ读取 柱底轴力，对于《建筑结构荷载规范》（ＧＢ ５０００９－－２０１２）第５．１．２条规定可折减 的项目，应在程序中勾选“自动按楼层折减活荷载”。新规范还明确规定了消 防车荷载在设计基础时可不考虑，这都为设计基础减少了一定的荷载。 基础的钢筋混凝土用量与工程所在地的地质条件密切相关，基础承担着 整个结构体系的重量，其重要性显而易见。所以设计时应重视地质勘察报告 的指导作用，选择合理的基础型式，控制基础的截面尺寸与埋深。对于多层无 地下室的情况，基础最小埋深从室外地面算起０．５ｍｌ￣Ｐ可。土质较好的情况下， 按最小埋深设计，可以缩短地面下框架柱的长度。覆土自重减少了，还可以减 少基础面积。框架结构在土质良好的情况下，一般会采用独立基础。对对于独 立基础，当高度大于５００ｒａｍ时，为了节省混凝土用量，一般设计变阶的。而大 部分基础的钢筋，都是按０．１５％的最小配筋率即可满足要求。对于二阶基础总 高ｈ＝ｈｌ＋ｈ２，第一阶尺寸为ａｘｂ，第二阶为ＡｘＢ，很多设计人员在算最小配筋量 的时候，用公式Ａｓ＝Ｂｘｈｘ０．１５％。根据《建筑地基基础设计规范》（ＧＢ５０００７— ２０１１）８．２．７条的示意，横截面的取值应为规范图８．２．７—２的阶梯型横截面，即 Ａｓ＝（Ｂｘｈ２＋ｂｘｈ１）ｘ０．１５％，这样才能算的比较准确。另外当独立基础两边长均 不小于２．５ｍ时，基础底板钢筋的长度取对应边长的０．９倍，并交错布置，节省 钢筋。 二、框架柱的优化设计 新《建筑抗震设计规范》（ＧＢ５００１ ｌ一２Ｏｌ０）加大了框架柱的最小截面和 最小配筋率，保证了结构的安全度，也增加了含钢量。故而我们需要从其它方 面寻求设计优化，比如前期主动参与建筑方案柱网布局、确定层高等。柱网布 局是确定柱子的进深和开间的依据。一般来讲，框架结构的柱网尺寸在６— ９ｍ之间，则容易取得比较好的经济效果。柱距小则传力路线短，上部结构节 省材料，但使用不方便。柱网大则容易分隔，缺点是梁配筋和柱配筋都较大。 因此要综合各方因素才能取得较好的经济和使用效果。 某６度区五层办公楼，层高均为４ｍ，柱距为９ｍ。根据建设单位要求，在结 构设计中采用现浇钢筋砼框架结构，初始结构设计方案为：框架边柱截面１～２ 层为７００ｍｍｘ７００ｍｍ．上面为６００ｍｍｘ６ＯＯｍｍ，中柱截面１～２层为８００ｍｍｘ ８００ｒａｍ，上面为７００ｍｍｘ７０Ｏｍｍ，轴压比控制在０．８以下。框架梁截面统一为 ３５０ｍｍｘ１０００ｍｍ，受力主筋采用ＨＲＢ４００钢筋，为了方便施工，柱为Ｃ３５，梁、板 均为Ｃ３０。通过核算，我们发现，１￣２层中柱的剪跨比：人＝（４—１）／２／（０．８—０．０４）＝ １．９７≤２。对于人≤２时框架柱，在横向水平剪力作用下一般都发生脆性的剪 切破坏。因此，《建筑抗震设计规范》表６．３．９注４规定：剪跨比不大于２的柱，箍 筋应全高加密，且体积配箍率不应小于１．２％。如果我们把框架柱的混凝土等 级提高到Ｃ４０，此时１～２层边柱减小为６５０ｘ６５０，中柱减小为７５０ｘ７５０，恰好框架 柱的剪跨比均大于２，箍筋只需按一般的设计即可，从而节省了一部分的箍 筋，也满足了“强剪弱弯”。的要求。在轴压比较小的情况下，柱子的钢筋除顶 层外均为构造的最小配筋率。按新抗震规范（ＧＢ ５００１１—２０１Ｏ）第６．３．７条，抗 另外对柱子钢筋连接方式进行优化，有时也能节省大量钢筋。如柱子钢筋采 用电渣压力焊接技术，从而可比搭接方法节省１０％左右的纵向钢筋。 另外，框架柱在抗震设计时，设计者往往忽视框架结构因设置刚性填充 墙形成短柱时，柱箍筋需要全高加密。原因可能是框架结构房屋外墙设带形 窗时，在框架柱上部无填充墙，而在本层窗台高度设置刚性填充墙时，墙体的 约束使框架柱上部形成短柱，地震时易造成剪切破坏。此时，结构设计师可以 与建筑方案人员沟通，适当减小窗宽，使框架柱两侧全高有填充墙拉结形成 的翼墙，进而改善结构的抗震性能，还能节省箍筋。 三、框架梁和次梁的优化设计 一般情况下梁的布置不会有什么大的问题，但是在商业大跨度空间，比 如在８．４ｒｅＸ８．４ｍ的柱网下，选择井字梁还是十字梁或者是单向双次梁就要做 个方案比较了。经过ＰＫＰＭ计算软件测算，在恒荷载２．０ＫＮ／ｍｚ，活荷载３．５ＫＮ／ ｉｎ ，对于标准层井字梁的经济性最差，十字梁居中，单向等跨双次梁最优。因 为采用单向等跨双次梁时，楼板均为单向板布置，且一个方向的框架梁无次 梁传递过来的集中荷载，弯矩较小。另一个方向的框架梁，受到三分之一跨次 梁传来的两个集中荷载，减小了弯矩。大概综合成本（经概预算人员计算钢筋 的数量、混凝土的数量和模板的数量）比采用井字梁低１５％左右，比十字梁要 低１０％左右； 矩形截面梁是最普通的受弯构件，但缺点是材料利用率很低。一是因为 靠近中和轴的材料应力较低；二是梁的弯矩沿梁长是变化的。由于等截面梁 大部分区段应力低，材料得不到充分的利用，支座弯矩大，跨中弯矩小。对于 地下室，可以考虑采用加腋的梁，像国标图集（１１Ｇ１０１—１）第８３页所示，让设 备管线从中间走，加大地下室的净高。 梁的配筋方式上要做到精细化设计，就要在梁设计的过程中细致一点， 从而达到节省钢筋的目的。某些结构工程师习惯做法是将支座的负筋取２根 通长布置，这种作法对三级、四级框架来说完全没有必要。《建筑抗震设计规 范》（ＧＢ５００１１－２０１０）相关规定并没有要求梁上部的受力钢筋做成通长筋。所 以可以参照国标图集（１１Ｇ１０１—１）第７９～８０页这样，用２ １２或４中１２（四肢箍 时）作为架立兼通长筋，支座较大直径负筋与其搭接，搭接长度按中１２的直径 来算Ｌ１Ｅ的长度。对于地下室结构，当梁底部钢筋较大时，且配置两排时，可将 第二排钢筋不伸入支座，而是在柱两侧０．１Ｌｎ（Ｌｎ为梁的净跨）处截断，如国标 图集（１１Ｇ１０１—１）第８７所示，从而下料钢筋的长度只有０．８ Ｌｎ，比按全长下料 节省了一部分钢筋，而且伸人支座的钢筋少了，从而使节点核心区的混凝土 浇筑质量更有保障，抗震性能更好。 四、楼（屋面）板的优化设计 在现浇钢筋混凝土楼幄）面板设计时，对于一般荷载的结构，按《混凝土 结构设计规范》（ＧＢ５００１０－－２０１０）相关规定，双向板厚按１／３０～１／４０跨度、单向 板按１／２５—１／３０跨度取值。如果计算荷载较大的房间，当按上述要求取了一个 板厚，经试算板底筋超过最小配筋率较多时，此时应加大板厚，否则钢筋就会 较费。另外新规范（ＧＢ５００１０－－２０１０）８．５．１条注２，规定了当采用较高强度的钢 筋时，板类构件最小配筋率可以按ｍａｘ｛０．１５％、４５ｆｌ／ｆｙ｝控制，较老规范按ｍａｘ ｛０．２０％、４５ｆｔ／ｆｙ｝节省了许多。楼面板分离式配筋的方式，支座负筋每边延伸的 长度一般取两侧净跨１／４的大值。而对于地下室顶板或屋面板，我们一般设计 双层双向通常板筋，支座负筋不足时再另外附加。把计算模型简化为１ｍ宽板 带的弯矩图，发现在支座附近弯矩衰减的很厉害，在１，５净跨处，负弯矩已经 很小了，通长的板面筋完全能抵抗负弯矩，故我们可以把附加筋的每边延伸 的长度由１，４净跨改为１／５净跨，从而节省钢筋。 （下转第８９页） ‘８７・ 建筑结构 因时间控制困难而产生质量隐患。按照不同的规范标准会有不同的施工方式 随着我国经济的不断发展，建筑业的工业水平也随之提高，而钢筋混凝 以及处理方法，需要按照工程施工的具体情况进行选择。 土框架结构被越来越多的施工单位所使用，本文就山西省图书馆及室外平台 三、梁柱结合处箍筋问题 工程为例对主题钢筋混凝土框架结构进行阐述，并对一些框架结构的施工问 在实际的操作中，梁柱结合处的钢筋非常密集且构造复杂，特别是再整 题进行分析，主要就梁柱钢筋保护层、梁、柱混凝土强度等级不同、梁柱结合 个结构中间位置的柱，钢筋纵横交错分布，整个梁的纵筋内包含纵向受力筋， 处箍筋等问题进行分析，在当今世界的各种现代建筑中钢筋混凝土框架结构 这些受力钢筋呈“井”字交叉，使得绑扎箍筋非常不便。在钢筋混凝土框架结 具有布局灵活多变，施工效率高、进度快，等优点被广泛采用。本文对此结构 构施工中，一般的施工单位常采用先支设梁模板后绑扎安装钢筋的方式施 进行分析，以期对当前的一些建筑施工提供借鉴。 工，但是这样施工会导致在钢筋安装结束后结合区箍筋无法绑扎，使得施工 参考文献： 中梁柱结合区出现不放、少放或杂放箍筋，给整个工程留下安全隐患。为了解 【１】周小龙．震损钢筋混凝土框架结构抗震性能评估方法研究ＩＤ］－重庆大学，２０１４． 决这个问题有些是施工单位就会采用两个开口箍筋拼合的方式进行施工，但 【２】黄科锋考虑温度影响的钢筋混凝土结构施工过程安全分析与计算机实现 是根据规定，为了保证箍筋对混凝土起到约束作用，箍筋必须封闭且接头处 『Ｄ１．上海交通大学，２０１４ 要有１４５。的弯钩。所以采用两个开口箍筋拼合的方式并不能解决梁柱结合区 ［３】刘占元．基于ＡＮＳＹＳ的钢筋混凝土框架结构加固后整体抗震性能研究ｆＤ１ 箍筋实际施工问题。 河北工业大学，２０１２． 为了解决这一施工问题实际上只要在钢筋下料加工时就增加数根短钢 【４Ｊ谢光宇解决钢筋混凝土框架结构施工中质量问题的有效措施卟科技创 筋即可。短钢筋的长度应根据结合区箍筋高度来具体确定。施工时，先将箍筋 新与应用，２０１２．０７：１７５—１７６． 开口处先焊好，然后把箍筋按照柱箍筋的设计间距用准备好的短钢筋焊好， ［５白雪霜５］现有钢筋混凝土框架结构抗震鉴定方法试验研究【Ｄ】．中国建筑科 最终加工成四周封闭的结构即可。 学研究院，２０１２． （上接第８ｏ页）资源。大批写字楼的建立，激活一些传统产业日趋衰落的城市 境的构建和发展提供重要条件。 活力，使第三产业在原有基础上得以扩大，推动产业结构的升级，有利于城市 经济空间的优化。 ４．小结 ３．２ ３旧城更新对城市社会人１２＂空间的影响 本文主要通过分析旧城更新对城市空间结构的影响，指出旧城更新中存 旧城的发展对劳动者提出了更高文化素养要求，金融贸易企业人员比重 在的问题及转化调整过程中面临的矛盾，以期待为城市空间结构的优化提出 高于传统产业，促使旧城形成一个更高知识层次的群体。针对这些拥有高购 参照。 买力的人群，房产商投资开发高级公寓，在旧城内部形成以中上富裕人群为 参考文献 主体的新型社区，社区内部注重丰富居民休闲文化生活，形成良好的社区文 『１１吴良镛．北京旧城与菊儿胡同『Ｍ】．北京：中国建筑工业出版社，１９９４ 化氛围。 ［２阳建强，吴明伟．２］现代城市更新【Ｍ】，东南大学出版社，２０００ 另一方面，由于旧城招商引资的提出使得外资企业进驻旧城，不仅形成 【３】黄亚平．城市空间理论与城市空间分析【Ｍ１．东南大学出版社，２００２ 新的企业文化，也给旧城带来新技术。并通过加强城市内部企业间交流，加强 ｆ４］顾朝林．集聚与扩散——城市空间结构新论．南京：东南大学出版社２０００ 培育地域产业文化氛围的意识及城市企业间凝聚力和推动力，为旧城创新环 【５】张琴．苏州旧城更新的理论与实践同济大学硕士论文，２００１ （上接第８３页）靠的生命保证。 【２］金伟良．钢筋与混凝土粘结本构关系的试验研究【ｌｉ＿建筑结构学报，２０１２． 参考文献： ［３】汪宏涛混凝土结构耐久性预估研究进展田材料导报，２０１０． …李裳混凝土基本构件钢筋锈蚀前后性能试验研究Ｄ］工业建筑，２０１０ 【４１ｔ＆￣．服役钢筋混凝土构件承载力的试验研究Ｕ】．工业建筑，２０１０ （上接第８４页）总结 知，熟悉自身工作的重要性以及重大责任性，将结构设计中产生的不同问题 作为类似项目的经验，使建筑结构的设计工作更加的完美，为我国设计出安 建筑结构的安全性对于建筑结构的设计来说，是至关重要的，建筑结构 全性能良好的建筑结构。 设计的合理与规范与否直接关系到人们的生命财产安全。所以，在建筑结构 设计的过程中，必须要以安全性为前提，然后再进行其他性能的考虑。从事结 参考文献： 构设计人员须根据工程项目的特点，基于影响安全性的因素及针对实际情 【１ 春明．试论建筑结构设计安全度［Ｊ］ 中国科技信息，２００９ 况，采取提高建筑安全性的有效措施，对于建筑结构的设计有一个全新的认 ［２】方蓓萌，吴小进关于对当前建筑结构设计的安全性探讨 （上接第８６页） （２）梁柱截面的延性要求 角度来看，钢结构的建筑成本还是相对理想的，因为其具有建设速度快、能回 梁柱截面按延性分为Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ四类：Ａ类为能够形成具有足够转动能力 收、重量轻等特点。同时，在用于抗震时，其具有一定的延展性和变形性，可以 的塑性铰；Ｂ类为能够达到塑性抗弯承载力，但转动能力有限；Ｃ类为受压边 很好的吸收和化解地震所带来的冲击力，从而更好的保证群众的生命安全和 缘能够达到屈服强度，但因发生局部屈曲而无法达到塑性抗弯承载力；Ｄ类为 财产安全。 受压边缘尚未达到屈服强度即发生局部屈曲。 参考文献： 、Ｉ ４结语 【１】孙建华．浅谈小高层钢结构住宅建筑与结构设计卟科技情报开发与经济， ２００９（１６） 钢结构的建筑在造价的成本方面要高于其他的建筑材料。但是从总体的 【２］陶庆举，鲍利建筑结构抗震设计及加固的研究０］科技致富向导，２０１０（３２）． （上接第８７页） 另外很多设计人员只注意了受力钢筋的配筋计算，未合 规范的对比，简要地分析了几种情况，可供设计人员在实际工作中参考。具体 理布置构造钢筋和分布钢筋，对于一般结构其按规范最低要求设置即可，无 设计时可与建筑师协商，在确保结构方案尽可能合理的前提下，同时满足建 需人为的去放大。（ＧＢ５００１０－－２０１０）第８．５．１条规定的最小配筋率是针对纵向 筑功能要求，然后再对各结构构件进行优化设计，以期设计出既安全又经济 受力钢筋而言的，对于现浇板简支边负筋满足（ＧＢ５００１０－－２０１Ｏ）第９．１章节即 的结构。 可，不论板的边界条件如何均按最小配筋率配筋显然没有必要。当楼板荷载 参考文献 和跨度较大时候，采用强度更高的钢筋，更能达到节省的目的。因此，对公共 『１］ＧＢ５００１ １—２Ｏ１Ｏ建筑抗震设计规范 建筑和地下室的板类受弯构件，当混凝土强度等级采用Ｃ２５～Ｃ３５、受力钢筋 ｆ２］ＧＢ５０００９－－２０１２建筑结构荷载规范 选ＨＲＢ４００级或ＨＲＢ５００级钢筋时，可以获得较好的经济性。 ｆ３］ＧＢ５００１０－－２０１０混凝土结构设计规范 五、结语 【４】ＧＢ５０００７－－２０１１建筑地基基础设计规范 ｆ５１王文栋混凝土结构构造手册（第三版） 框架结构设计优化、降低含钢量的措施有很多种方式，本文仅针对新老 ｌ６１李国胜多高层钢筋混凝土结构设计中疑难问题的处理及算例 ・８９・
