多层框架结构设计中存在的问题分析
摘 要：随着我国建筑业的不断发展，人们不断深入认识了框架结构的性能，并充分发挥其特点。本文首先从高烈度区多层框架结构的设计中存在问题进行分析，再就少墙框架结构的出现及其在实际工程中的应用进行举例说明。
关键词：结构设计,框架结构,少墙框架,对比,应用
2008年汶川大地震以来，《建筑抗震设计规范》进行了两次修订，人们对框架认识不断深入，发现框架结构在地震过程中容易出问题的地方：1.梁柱节点处，墙柱弱梁的设计理念未能得到很好应用，导致梁完好无损，而框架柱的节点核心区则破坏严重。2.由于填充墙体的分布不均匀，导致薄弱层的存在。3.由于填充墙在门窗洞口处未沿层高布置，使框架柱形成短柱，在该处形成薄弱环节，设计人员也未采取措施进行加强。针对框架结构在设计过程中存在的一些问题和缺陷。少墙框架能够很好的弥补其中一部分缺陷，并可以在合适的工程设计中得以使用。
1. 高烈度区框架结构设计中的问题
1.1 2010版抗震规范与2008版抗震规范中对于框架梁柱内力调整系数对比详表1：
从中我们不难看出，规范编写组针对地震过程中比较容易出问题的框架柱的内力作了较大的调整，而对框架梁则没作调整。这是一个比较有效的实现强柱弱梁的措施之一。
1.2伴随着框架柱内力的大幅度提高，在设计过程中这样那样的问题也就浮出水面了。
首先，框架柱的截面必须增大很多才能使计算结果满足规范要求。然而作为框架结构，其空间灵活的优势则不能游刃有余。虽不说是消失殆尽，也在一定程度上限制了框架结构其应有作用的发挥。比如说，在多层框架住宅设计中，以前400*400的框架柱就可以满足要求，而现在可能要做到500*500，甚至600*600。作为结构设计人员，不仅仅要考虑到结构设计满足计算结果了事，我们也同样的担负起对建筑的使用和美观设计的重担。
其次，即便是调整了框架梁柱的尺寸，有些计算结果也是很难能满足规范要求的。比如说，弹性层间位移角限值，抗震规范表5.5.1规定：框架结构其值为：1/550。无限制的增加梁柱截面来满足规范要求是不现实的。
再次，由于内力的调整，框架梁柱截面及配筋的加大，钢筋含量无疑会增加很多。对于开发商来说，是不能接受的。
1.3框架结构中填充墙的不合理布置，从框架结构的概念设计上来说是一大诟病。
填充墙作为框架结构中分割建筑功能不可或缺的一部分，其作用是不言而喻的。然而一些建筑，由于其填充墙的不合理布置导致薄弱层的存在，而一些结构设计人员不能够认识到这一点，或者是能够认识这一点，却在设计中不能采取有效的措施来弥补不足。这一类建筑在学校中尤其突出，很多学校把宿舍楼的底层设计成架空层，作为学生活动、停放自行车等场所。无疑给学生带来了极大的方便。学校的建筑作为乙类建筑，其重要性不必多说。在汶川地震中，大量学校建筑的破坏给我们留下了深刻的印象。然而我们一部分结构设计人员却不能很好的通过自己所学习的知识和对规范的深刻理解，来帮助建筑师、业主达到这一目的，使我们的建筑即好用，又安全。
流行的结构设计软件PKPM、广厦等，不能在程序中较好的反应填充墙的作用。仅仅通过输入荷载和周期折减系数的调整来反应填充墙对整体结构的影响。然而周期折减调整系数模糊不清，范围也比较大。结构设计人员为了达到得到比较满意的计算结果，往往取最大值。2010版抗震规范和2011版砌体结构设计规范也要求了：有抗震设防要求时宜采用填充墙与框架脱开的方法。这样可以有效的防止在地震作用过程中填充墙的不利影响，比如短柱效应。
2. 少墙框架结构的出现和在实际工程中的应用
2.1 少墙框架结构的含义
所谓少墙框架结构，顾名思义，在以框架梁柱为主要抗侧力构件的母体上，布置少量的剪力墙。其本质上还是框架结构。由于少量剪力墙的设置，无疑给框架结构增加了一道防线。使得我们的结构更加安全、可靠，然后即便是少量剪力墙的设置，也要合情合理，不能因为其可有可无，而布置的杂乱无章，使得结构的扭转效应增大。
2.2 少墙框架结构出现的背景
由于框架结构在实际工作中，和新规范提出更高要求的情况下，显得力不从心。一种介与框架结构和框架-剪力墙结构之间的结构就出现了。少量的剪力墙和框架一起分担地震力，并且能有效的降低弹性层间位移角，使其满足舒适度和规范的要求。
2.3 少墙框架和框架-剪力墙结构的区别
鉴于少墙框架是个新生事物，并逐渐得到专家和设计人员的认可。我们如何区别少墙框架和框架-剪力墙结构呢?笔者认为可以从以下两个方面来区分：
首先，从概念设计上来区分。少墙框架结构，本质上还是框架结构，只是在其中增加了少量的剪力墙，使得剪力墙能够给和框架协同工作，剪力墙数量较少。框架-剪力墙结构相对来讲，剪力墙的数量多一些。概念设计虽然是个模糊的概念，但对于成熟的结构设计人员来说又是相当重要的。
再者，从量上来区分。对于设计经验不是很丰富的结构设计人员来说，没有一个具体的量，是很难把握的。《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)6.1.3条给予了设计人员一个设计依据:在规定水平力作用下，底层框架部分所承担的地震倾覆力矩大于地震总倾覆力矩的50%时，其框架的抗震等级应按照框架结构确定，抗震墙的抗震等级可与其框架的抗震等级相同。
综上所述，我们就能做到心中有数的进行合理的布置剪力墙，来辅助框架工作。
2.4 少墙框架结构在实际工程中的应用
2.4.1什么时候使用少墙框架结构?什么样的工程适合使用少墙框架结构?笔者通过多年实际的设计工作，积累了一些经验：
1) 在7度、8度0.2g 地区，可能8度0.3g及以上地区就不大适合。这些地区，在进行框架设计时，经常会碰到，按常规设计时，其弹性层间位移角限制不能满足规范≤1/550的要求。这个时候我们需要增加少量的剪力墙，来降低建筑物在弹性地震作用下的位移角。效果很明显。
2) 在底层作为架空层使用的时候，我们需要在底层设置少量的剪力墙，来弥补底层和上层的填充墙数量的巨大差异。使得底层不出现薄弱层。这类建筑多出现在学校中。
3) 8,9度框架结构房屋防震缝两侧结构层高相差较大时，可根据需要在缝两侧沿房屋全高设置不少于两道垂直于防震缝的抗震墙。抗震墙的布置宜对称设置，应避免加大结构的扭转效应。当然这类建筑也可以通过增大防震缝的宽度来解决。这就要看业主和建筑师的决定了。
2.4.2 少墙框架结构在设计中应该注意一下事项：
1) 框架等级应按照纯框架结构来确定，剪力墙的抗震等级与框架相同。
2) 框架结构在进行内力分析和配筋设计时应按照：框架结构(不输入剪力墙)和框架-剪力墙结构两种形式包络设计。
3)对框架结构(不输入剪力墙)进行大震作用下的弹塑性位移验算。使之能够满足规范：1/50的要求。
4) 剪力墙的截面、配筋设计。剪力墙的截面厚度应根据其所需要做出的贡献来确定。或者满足位移角限值要求，或者满足不出现薄弱层的要求，或者达到防震缝两侧的防撞墙的相关要求。剪力墙的配筋设计。笔者认为，按规范要求取约束边缘构件或构造边缘构件的构造要求即可(根据轴压比来判断)。然而一些审图单位要求剪力墙也要按照计算结果进行设计，笔者认为不妥。毕竟剪力墙在其中的作用，设计意图是只体现在多遇地震作用时。当大震时，剪力墙应该退出工作，而此时它应该起到的作用已经完成。因为框架本身的设计能够保证达到大震时的设计目标。
2.4.3 工程实例
实例一 徐州地区某多层住宅楼，结构层数6层，建筑高度19米，抗震等级二级，抗震设防烈度为8度，地震加速度为0.2g。因在实际设计过程中，发现为了达到弹性层间位移角限值的要求，在框架结构中增加了少量的剪力墙，使其满足规范要求：X方向的位移角为1/656;Y方向的位移角为1/613。剪力墙轴压比≤0.3，按照构造边缘构件进行配筋设计。
实例二 徐州地区某高校学生宿舍楼，结构层数为7层，建筑高度23.4米，抗震等级为三级，抗震设防烈度为7度，地震加速度为0.1g。其中一层为架空层，二~七层为学生宿舍。由于一层填充墙较少，导致形成薄弱层。因此设计中，从概念设计角度考虑，在底层增加设置少量剪力墙，来弥补建筑的不合理布置带来的结构缺陷。其少量剪力墙的设置见下图：
该工程通过在底层设置少量的剪力墙，达到了很好的效果，使得Ratx=1.25，Raty=1.13，底层刚度均大于上层刚度，在X,Y方向上且均满足本层塔侧移刚度与上一层相应塔侧移刚度70%的比值或上三层平均侧移刚度80%的比值中之较小者。解决了底层出现薄弱层的问题。
3. 结语
由于在特定地区，特定的工程中，框架结构出现这样或那样的弊端，少墙框架结构的出现很好的解决了部分框架结构中较难解决的问题。然而在少墙框架的设计中，要注意的是框架的抗震等级的确定以及内力和配筋设计，仍要按照框架结构进行设计并要进行与按照框架-剪力墙结构进行比较，取包络设计。鉴于少墙框架的适用范围有相当的局限性，在很多工程上不能应用。结构设计人员定要在概念设计上、结构选型上下足功夫。给建筑选择合理的骨架，给业主提供有效的解决方案是结构设计人员义不容辞的责任。
参考文献：
[1]黄世敏，王亚勇，丁洁民，等.GB 50011-2010建筑抗震设计规范[s].北京：中国建筑工业出版社，2010.
[2]朱炳寅.对少量剪力墙框架结构的理解与设计建议[J].建筑结构计算通讯，2011(1)：5—7.
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