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摘要：随着经济的高速发展，我国高层建筑发展迅速，设计思想在不断更新，建筑平面布置与竖向体形也越来越复杂，这就给高层结构设计和施工提出更高的要求。因此，框架结构体系在结构设计中应用甚广。现结合自己几年的设计经验，对小高层钢筋混凝土结构设计进行阐述。
关键词：小高层；框架结构；设计
Abstract: With the rapid economic development, the rapid development of high-rise buildings in our country, design ideas constantly updated, architecture plane layout and vertical shape is more complex, and this gave the high-rise structure design and the construction put forward higher requirements. Therefore, frame structure system is widely used in structure design. Now with my several years of design experience, elaborated the design of small high-rise reinforced concrete structure.
Key words: small high-rise; frame structure; design
中图分类号：TU2
一、小高层钢筋混凝土框架结构设计的要点
1、水平荷载逐渐成为钢筋混凝土结构设计的控制因素。在低层住宅中，往往是以重力为代表的竖向荷载控制着钢筋混凝土结构设计;而在小高层住宅中，尽管竖向荷载仍对钢筋混凝土结构设计产生着重要影响，但水平荷载将成为控制因素。对某一特定建筑来说，竖向荷载大体上是定值;而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随动力特性的不同而有较大幅度的变化。
2、轴向变形不容忽视。对于采用框架体系或框架一剪力墙体系的小高层住宅，框架中柱的轴压应力往往大于边柱的轴压应力，这就使得中柱的轴向压缩变形大于边柱的轴向压缩变形。当房屋很高时，此种差异轴向变形将会达到很大的数值，其后果相当于连续梁中间支座产生沉陷，使连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大。
3、侧移成为钢筋混凝土结构设计的控制指标。与低层住宅不同，结构侧移己成为小高层住宅钢筋混凝土结构设计的关键因素。随着房屋高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，结构的顶点侧移一般与房屋高度H的四次方成正比。在设计小高层住宅时，不仅要求结构具有足够的强度，而且还要有足够的抗侧移刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移控制在一定的范围内。这是因为:①过大的侧移会使人不舒服，影响房屋的正常使用。②过大的侧移会使隔墙、围护墙以及它们的高级饰面材料出现裂缝或损坏，也会使电梯轨道变形而导致不能正常运行。③过大的侧移会因P一△效应使结构产生附加内力，甚至因侧移与附加内力的恶性循环导致建筑物的倒塌。
4、结构延性是钢筋混凝土结构设计的重要指标。相对于低层住宅而言，小高层住宅更柔一些，地震作用下的变形就更大一些。为了使结构在进入塑性阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。
二、小高层钢筋混凝土框架结构设计策略
1、优化设计的方法。当前，在无成熟的优化设计分析软件的情况下，主要是应用小高层住宅结构分析软件，采用人工分析进行调整，运用概念设计的方法对不同的结构选型和布置不断的进行方案分析比较，以获得比较理想的结构方案，这是在结构设计中最常用的也是最简单的优选或者说是优化方法。用概念设计的方法所得的方案是较合理、经济的，虽其费工费时、对设计人员的素质要求较高，但这种依靠设计人员经验进行人工优化的方法仍是当前所普遍采用的主要方法。对于同一小高层住宅方案，可以有许多不同的结构(包括基础)布置方案;确定了结构布置的小高层住宅物，即使在同种荷载情况下也存在不同的分析方法;分析过程中设计参数、材料、荷载的取值也不是唯一的;小高层住宅物细部的处理更是不尽相同等等，这些问题目前计算机是无法完全解决的，都需要设计人员自己做出判断。而判断只能在结构设计的一般规律指导下，根据工程实践经验进行，这便是前面所说的概念设计。因此，概念设计存在于设计师对多种备选方案进行选择的过程中。
2、性能分析 （1）抗震性能分析。对结构体系来说足够的承载能力和变形能力是两个同时需要满足的条件。结合概念设计的理念，对上述两种结构体系进行对比分析，电算程序可以采用中国建筑科学研究院编制的结构空间有限元分析软件SATWE。在结构设计中，不仅要求结构具有足够的承载能力，还要求其有适当的刚度。高层结构的使用功能和安全与其侧移的大小密切相关，过大的侧向变形会使隔墙、维护墙及其饰面材料出现裂缝或损坏。结构分别按考虑5%的偶然偏心和双向地震力作用的不利情况计算出各结构体系层间位移角，剪力墙结构小于框剪结构，但均小于规范要求，且富裕量较大，说明两种结构体系满足刚度要求。 但就使用性能方面，剪力墙结构由于墙体太多，结构自重大，导致了较大的地震作用，混凝土和钢材用量也较高;同时也增加了基础工程的投资，而且限制了建筑上的灵活使用。而框架一剪力墙结构的特点是平面使用灵活，适用性强，结构合理，能使框架、剪力墙两种有着不同变形性能的抗侧力结构很好地协同发挥作用。在水平荷载作用下，具有较纯框架和纯剪力墙结构更为有利的水平变形曲线。由框架构成自由灵活的使用空间，容易满足不同建筑功能的要求;同时剪力墙具有相当大的抗侧移刚度，从而使框一剪结构具有较好的抗震能力，也大大减少了结构的侧移。 （2）经济性比较。我们通过对三种钢筋混凝土住宅结构直接费的计算，发现三种钢筋混凝土住宅结构单位面积直接费相差不是很多，短肢剪力墙结构的单位面积直接费最大，框架—剪力墙结构的单位面积直接费最小。其中短肢剪力墙结构的单位面积直接费比框架—剪力墙结构的单位面积直接费高出12.5%，比大开间剪力墙结构的单位面积直接费高出7.3%，大开间剪力墙结构的单位面积直接费比框架—剪力墙结构的单位面积直接费高出4.9%。三种钢筋混凝土住宅结构的次要项目造价基本相同。单位面积造价框架—剪力墙结构的最小，框架一剪力墙结构的次之，短肢剪力墙结构的稍微较大，三种结构体系直接费最大相差不到45元/m²元。
三、小高層框架结构抗震构造措施
1、梁的抗震构造 （1）梁截面尺寸:为了防止梁发生斜裂缝破坏、斜压型脆性破坏，框架梁截面尺寸必须满足如下要求:梁的截面宽度与高度之比为6/h , 0.25 ,且b不宜小于200mm，也不宜小于1/2柱宽;同时应满足高跨比ln/h4;梁最大平均剪应力为V/bho≤ 0.20f。其中，b、h、ho分别为梁截面宽度、高度、有效高度;V为梁端组合剪力设计值;f为混凝土轴心抗压强度设计值。 （2）梁的配筋率:为了保证梁的变形能力，使框架结构具有较好的抗震性能，梁端纵向受拉钢筋的配筋率应能使梁端截面的受压区相对高度满足以下要求:一级框架0.25ho;二级框架x50.35ha，同时，纵向受拉钢筋的配筋率不应大于2.5%。 （3）梁的箍筋:为了保证梁有足够的延性，提高塑性铰区压区混凝土的极限压应变值，并防止在塑性铰区内最终发生斜裂缝破坏，在梁端纵筋屈服范围内加密封闭式箍筋，对提高梁的变形能力十分有效。同时，为了防止压筋过早压曲，应严格遵照《建筑抗震设计规范》限制箍筋的间距。 （4）梁内纵筋锚固:在反复恒载作用下，在纵向钢筋埋入梁柱节点的相当长度范围内，混凝土与钢筋之间的粘结力将发生严重破坏，因此应注意在地震作用下框架梁中纵向钢筋的锚固长度，一般应比《混凝土结构设计规范》中所规定的受拉钢筋基本锚固长度大。
2、柱的抗震构造措施 （1）柱截面尺寸:柱的平均剪应力太大，会使柱产生脆性的剪切破坏。平均压应力或轴压比太大会使柱产生混凝土压碎破坏，为了使柱有足够的延性，柱截面尺寸应符合以下要求:柱截面的长边应小于柱净高的1/4，且柱截面的宽度不宜小于300mm;当剪压比保持较低时，可获得较好的延性，为此柱端截面的平均剪应力一般宜小于3N/mm。 （2）柱纵向钢筋的配置:柱中纵向钢筋宜对称配筋:为了保证柱有足够的延性，柱的最小配筋率必须满足《建筑抗震设计规范》要求;纵向钢筋的接头，一级框架应采用焊接接头;二级宜采用焊接接头，而底层柱根应焊接;三级可采用搭接，而底层柱根宜焊接;直径大于32mm的钢筋必须采用焊接。在纵向钢筋连接区段内宜加密箍筋，防止纵向钢筋的压曲，增加粘结度。 （3）柱的箍筋:在地震力的反复作用下，柱端钢筋保护层往往首先碎落，这时，如无足够的箍筋约束，纵筋就会向外膨曲，柱端破坏。箍筋对柱的核心混凝土起着有效的约束作用，提高配箍率可以显著提高受压混凝土的极限压应变，从而有效增加柱的延性。因此设计人员应遵照《建筑抗震设计规范》对框架柱的箍筋构造要求。
四、结束语
小高层钢筋混凝土框架结构在现今的城市建设中虽越来越普遍，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。
关键词：小高层；框架结构；设计
Abstract: With the rapid economic development, the rapid development of high-rise buildings in our country, design ideas constantly updated, architecture plane layout and vertical shape is more complex, and this gave the high-rise structure design and the construction put forward higher requirements. Therefore, frame structure system is widely used in structure design. Now with my several years of design experience, elaborated the design of small high-rise reinforced concrete structure.
Key words: small high-rise; frame structure; design
中图分类号：TU2
一、小高层钢筋混凝土框架结构设计的要点
1、水平荷载逐渐成为钢筋混凝土结构设计的控制因素。在低层住宅中，往往是以重力为代表的竖向荷载控制着钢筋混凝土结构设计;而在小高层住宅中，尽管竖向荷载仍对钢筋混凝土结构设计产生着重要影响，但水平荷载将成为控制因素。对某一特定建筑来说，竖向荷载大体上是定值;而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随动力特性的不同而有较大幅度的变化。
2、轴向变形不容忽视。对于采用框架体系或框架一剪力墙体系的小高层住宅，框架中柱的轴压应力往往大于边柱的轴压应力，这就使得中柱的轴向压缩变形大于边柱的轴向压缩变形。当房屋很高时，此种差异轴向变形将会达到很大的数值，其后果相当于连续梁中间支座产生沉陷，使连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大。
3、侧移成为钢筋混凝土结构设计的控制指标。与低层住宅不同，结构侧移己成为小高层住宅钢筋混凝土结构设计的关键因素。随着房屋高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，结构的顶点侧移一般与房屋高度H的四次方成正比。在设计小高层住宅时，不仅要求结构具有足够的强度，而且还要有足够的抗侧移刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移控制在一定的范围内。这是因为:①过大的侧移会使人不舒服，影响房屋的正常使用。②过大的侧移会使隔墙、围护墙以及它们的高级饰面材料出现裂缝或损坏，也会使电梯轨道变形而导致不能正常运行。③过大的侧移会因P一△效应使结构产生附加内力，甚至因侧移与附加内力的恶性循环导致建筑物的倒塌。
4、结构延性是钢筋混凝土结构设计的重要指标。相对于低层住宅而言，小高层住宅更柔一些，地震作用下的变形就更大一些。为了使结构在进入塑性阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。
二、小高层钢筋混凝土框架结构设计策略
1、优化设计的方法。当前，在无成熟的优化设计分析软件的情况下，主要是应用小高层住宅结构分析软件，采用人工分析进行调整，运用概念设计的方法对不同的结构选型和布置不断的进行方案分析比较，以获得比较理想的结构方案，这是在结构设计中最常用的也是最简单的优选或者说是优化方法。用概念设计的方法所得的方案是较合理、经济的，虽其费工费时、对设计人员的素质要求较高，但这种依靠设计人员经验进行人工优化的方法仍是当前所普遍采用的主要方法。对于同一小高层住宅方案，可以有许多不同的结构(包括基础)布置方案;确定了结构布置的小高层住宅物，即使在同种荷载情况下也存在不同的分析方法;分析过程中设计参数、材料、荷载的取值也不是唯一的;小高层住宅物细部的处理更是不尽相同等等，这些问题目前计算机是无法完全解决的，都需要设计人员自己做出判断。而判断只能在结构设计的一般规律指导下，根据工程实践经验进行，这便是前面所说的概念设计。因此，概念设计存在于设计师对多种备选方案进行选择的过程中。
2、性能分析 （1）抗震性能分析。对结构体系来说足够的承载能力和变形能力是两个同时需要满足的条件。结合概念设计的理念，对上述两种结构体系进行对比分析，电算程序可以采用中国建筑科学研究院编制的结构空间有限元分析软件SATWE。在结构设计中，不仅要求结构具有足够的承载能力，还要求其有适当的刚度。高层结构的使用功能和安全与其侧移的大小密切相关，过大的侧向变形会使隔墙、维护墙及其饰面材料出现裂缝或损坏。结构分别按考虑5%的偶然偏心和双向地震力作用的不利情况计算出各结构体系层间位移角，剪力墙结构小于框剪结构，但均小于规范要求，且富裕量较大，说明两种结构体系满足刚度要求。 但就使用性能方面，剪力墙结构由于墙体太多，结构自重大，导致了较大的地震作用，混凝土和钢材用量也较高;同时也增加了基础工程的投资，而且限制了建筑上的灵活使用。而框架一剪力墙结构的特点是平面使用灵活，适用性强，结构合理，能使框架、剪力墙两种有着不同变形性能的抗侧力结构很好地协同发挥作用。在水平荷载作用下，具有较纯框架和纯剪力墙结构更为有利的水平变形曲线。由框架构成自由灵活的使用空间，容易满足不同建筑功能的要求;同时剪力墙具有相当大的抗侧移刚度，从而使框一剪结构具有较好的抗震能力，也大大减少了结构的侧移。 （2）经济性比较。我们通过对三种钢筋混凝土住宅结构直接费的计算，发现三种钢筋混凝土住宅结构单位面积直接费相差不是很多，短肢剪力墙结构的单位面积直接费最大，框架—剪力墙结构的单位面积直接费最小。其中短肢剪力墙结构的单位面积直接费比框架—剪力墙结构的单位面积直接费高出12.5%，比大开间剪力墙结构的单位面积直接费高出7.3%，大开间剪力墙结构的单位面积直接费比框架—剪力墙结构的单位面积直接费高出4.9%。三种钢筋混凝土住宅结构的次要项目造价基本相同。单位面积造价框架—剪力墙结构的最小，框架一剪力墙结构的次之，短肢剪力墙结构的稍微较大，三种结构体系直接费最大相差不到45元/m²元。
三、小高層框架结构抗震构造措施
1、梁的抗震构造 （1）梁截面尺寸:为了防止梁发生斜裂缝破坏、斜压型脆性破坏，框架梁截面尺寸必须满足如下要求:梁的截面宽度与高度之比为6/h , 0.25 ,且b不宜小于200mm，也不宜小于1/2柱宽;同时应满足高跨比ln/h4;梁最大平均剪应力为V/bho≤ 0.20f。其中，b、h、ho分别为梁截面宽度、高度、有效高度;V为梁端组合剪力设计值;f为混凝土轴心抗压强度设计值。 （2）梁的配筋率:为了保证梁的变形能力，使框架结构具有较好的抗震性能，梁端纵向受拉钢筋的配筋率应能使梁端截面的受压区相对高度满足以下要求:一级框架0.25ho;二级框架x50.35ha，同时，纵向受拉钢筋的配筋率不应大于2.5%。 （3）梁的箍筋:为了保证梁有足够的延性，提高塑性铰区压区混凝土的极限压应变值，并防止在塑性铰区内最终发生斜裂缝破坏，在梁端纵筋屈服范围内加密封闭式箍筋，对提高梁的变形能力十分有效。同时，为了防止压筋过早压曲，应严格遵照《建筑抗震设计规范》限制箍筋的间距。 （4）梁内纵筋锚固:在反复恒载作用下，在纵向钢筋埋入梁柱节点的相当长度范围内，混凝土与钢筋之间的粘结力将发生严重破坏，因此应注意在地震作用下框架梁中纵向钢筋的锚固长度，一般应比《混凝土结构设计规范》中所规定的受拉钢筋基本锚固长度大。
2、柱的抗震构造措施 （1）柱截面尺寸:柱的平均剪应力太大，会使柱产生脆性的剪切破坏。平均压应力或轴压比太大会使柱产生混凝土压碎破坏，为了使柱有足够的延性，柱截面尺寸应符合以下要求:柱截面的长边应小于柱净高的1/4，且柱截面的宽度不宜小于300mm;当剪压比保持较低时，可获得较好的延性，为此柱端截面的平均剪应力一般宜小于3N/mm。 （2）柱纵向钢筋的配置:柱中纵向钢筋宜对称配筋:为了保证柱有足够的延性，柱的最小配筋率必须满足《建筑抗震设计规范》要求;纵向钢筋的接头，一级框架应采用焊接接头;二级宜采用焊接接头，而底层柱根应焊接;三级可采用搭接，而底层柱根宜焊接;直径大于32mm的钢筋必须采用焊接。在纵向钢筋连接区段内宜加密箍筋，防止纵向钢筋的压曲，增加粘结度。 （3）柱的箍筋:在地震力的反复作用下，柱端钢筋保护层往往首先碎落，这时，如无足够的箍筋约束，纵筋就会向外膨曲，柱端破坏。箍筋对柱的核心混凝土起着有效的约束作用，提高配箍率可以显著提高受压混凝土的极限压应变，从而有效增加柱的延性。因此设计人员应遵照《建筑抗震设计规范》对框架柱的箍筋构造要求。
四、结束语
小高层钢筋混凝土框架结构在现今的城市建设中虽越来越普遍，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。