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高层建筑混凝土框架结构设计及施工要点分析

发表时间：2020/11/30 来源：《基层建设》2020年第22期作者：刘许厚

[导读] 摘要：近年来，我国建筑工程规模不断扩大，其中大多数建筑都是以采用钢筋混凝土框架结构体系。

        东莞市东城建筑规划设计院
        摘要：近年来，我国建筑工程规模不断扩大，其中大多数建筑都是以采用钢筋混凝土框架结构体系。钢筋混凝土框架结构体系承载能力除受设计因素影响外，还与施工质量密切相关。文章以高层建筑为研究对象，对混凝土框架结构设计及施工要点进行探讨。
        关键词：高层建筑；混凝土框架结构；设计要点；施工技术
        一、混凝土框架结构的特点
        高层建筑结构必须同时具有足够的强度与足够的刚度，必须同时具有一定的承载能力与抗侧移能力，因此，框架结构成为高层建筑结构设计的首选。框架结构由梁、柱等构件通过节点连接构成，各个节点采用刚性连接，形成完整的竖向承重结构。框架结构具有以下特点：结构自重较轻，整体性与抗震性较好；结构构件类型少，工业化程度高、施工快捷；结构造价较低，并方便设计师进行灵活的建筑平面布置。因此，框架结构在写字楼、商务楼、宾馆等高层建筑中的应用越来越广泛。
        二、高层建筑混凝土框架结构设计核心要点
        1.掌握框架结构设计的基本规定
        框架结构必须设计为双向梁柱抗侧力体系。框架结构的梁、柱中心线必须重合。梁、柱中心线若出现偏心距，可为梁增设水平加腋。梁水平加腋宽度/梁水平加腋长度必须小于1/2，梁水平加腋宽度/梁截面宽度必须小于2/3。进行抗震设计时，框架结构可采用砌体填充墙。在布置砌体填充墙时，应沿框架柱全高，每隔50cm设置2根拉筋（直径6mm）。若砌体填充墙长度超过5m，墙顶应与梁有钢筋拉结。
        2.进行结构布置
        结构布置，通常分为结构平面布置、结构竖向布置两个方面。
        （1）结构平面布置。第一步，柱网布置：在结构图上明确各个柱的位置，形成矩形柱网网格。布置柱网时必须尽量规则、整齐，以形成良好的受力结构与传力体系。设计师须根据高层建筑项目的具体使用功能，自行选择小柱网或大柱网。小柱网的柱距有3.3m，3.6m，4.0m等几种不同情形；大柱网的柱距有6m、6.6m、7.2m、7.5m等几种不同情形，跨度有4.8m、5.4m、6.0m、6.6m、7.5m等几种不同情形，需要由设计师要根据项目的具体情况，选择适宜的柱距与跨度。第二步，设计承重方案：框架结构平面可分为长边、短边两个方面，通常将长边方向称为纵向框架，将短边方向称为横向框架。设计师设计横向框架承重方案时，主梁结构应沿横向布置，板、次梁、连系梁沿结构进行纵向布置；这样可以提高结构的横向抗侧刚度。设计纵向框架承重方案时，主梁结构应沿纵向布置，板、次梁、连系梁沿结构进行横向布置。
        （2）结构竖向布置。设计师进行结构竖向布置时，应确保结构的侧向刚度和承载力自下而上逐步减小，并保持结构受力的均匀性、连续性，绝不能使结构受力出现突然改变。
        3.构件选型
        设计师为框架结构进行构件选型时，应仔细计算各个构件的尺寸。一般来说，梁截面高度必须控制在梁计算跨度的1/18～梁计算跨度的1/10之间（计算公式为：梁截面高度=（1/10～1/10）×梁计算跨度），梁截面宽度必须控制在梁截面高度的1/4～梁截面高度的1/2之间（计算公式为：梁截面宽度=（1/4～1/2）×梁截面高度）。梁截面宽度不能小于20cm，梁截面的高度与宽度之比不能超过4。计算柱截面尺寸时，须根据柱所承受的轴向压力设计值与混凝土轴心抗压强度设计值计算柱截面面积。具体计算公式为：柱截面面积＞（1.1～1.2）×柱所承受的轴向压力设计值]/与混凝土轴心抗压强度设计值若截面柱为矩形，则最小截面尺寸不应小于40cm；若截面柱为圆柱，则最小截面直径不能小于45cm。柱截面长边与短边之比不能超过3cm。
        4.进行荷载计算
        高层建筑的荷载按方向分为水平荷载与竖向荷载。竖向荷载包括恒载、楼面活荷载、雪荷载等；水平荷载包括风荷载、水平地震作用等。恒载包括结构自重、土压力、预加应力、结构表面构造层（找平层、保温层、防水层）等重力荷载，设计师须根据构件设计尺寸与材料自重标准计算值恒载的标准值。一般来说，杉木自重为4kN•m-3，木板条自重为5kN•m-3，钢自重为78.5kN•m-3，压实后的石棉自重为10kN•m-3，含水量小于15%、松散的石棉自重为4kN•m-3，石膏自重为13kN•m-3～14.5kN•m-3，干黏土自重为16kN•m-3，湿黏土自重18为kN•m-3，砂夹卵石自重为18.9kN•m-3～19.2kN•m-3，卵石自重为16～18kN•m-3，花岗岩、大理石自重为28kN•m-3，普通砖自重为19kN•m-3，煤渣砖自重为17kN•m-3～18.5kN•m-3，矿渣砖自重为18.5kN•m-3，钢筋混凝土自重为24～25kN•m-3。计算雪荷载时，须测算高层建筑项目所在地的基本雪压，与屋面积雪分布系数。具体计算公式为：雪荷载标准值=屋面积雪分布系数×当地基本雪压。

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计算楼面活荷载时，须确定楼面均布活荷载标准值、组合值系数、频遇值系数与准永久值系数。旅馆、办公楼楼面均布活荷载标准值一般为2.0kN•m-2，组合值系数一般为0.7，频遇值系数一般为0.5，准永久值系数一般为0.4。商店楼面均布活荷载标准值一般为3.5kN•m-2，组合值系数一般为0.7，频遇值系数一般为0.6，准永久值系数一般为0.5。计算风荷载时，须确定高层建筑项目所在地的基本风压值、建筑结构设计高度的风振系数，风荷载体型系数、风压高度变化系数。若高层建筑项目所在地为城市郊区，高层建筑项目设计高度超过200m，则风压高度变化系数为2.46。若高层建筑项目所在地附近有许多其它高层建筑，高层建筑项目设计高度超过200m，则风压高度变化系数为1.58。具体计算公式为：基本风压值=建筑结构设计高度的风振系数×风荷载体型系数×风压高度变化系数
        5.进行内力计算
        在恒荷载下进行内力计算，可采用分层法，需要进行分配系数计算、固端弯矩及纵向梁偏心引起的柱端附加弯矩计算、以及各层弯矩计算等。
        三、高层建筑钢筋混凝土框架结构施工技术
        1.梁柱节点施工技术
        梁柱节点位置的施工极为复杂，一旦出现问题将造成严重的安全隐患，这种现象通常都出现在先立模后绑扎钢筋的施工之中。一旦出现这类问题，应及时选择有效的补救措施，一般来说应从对面两侧加开口箍筋，但是要注意开口箍筋数量，确保符合封闭钢筋的相关要求。梁与支座想靠近的地方剪力是最大的，应用箍筋的方式可以抵抗剪力，从抗震角度方面进行思考，如果箍筋与支座之间的距离过大，或者密箍区长度不够，支座处受力都会增大，严重时甚至会造成剪力破坏的问题。支座与第一根箍筋之间的距离通常应控制在50mm以内，梁箍筋返工不仅非常麻烦，还会对工期造成影响，所以必须在梁骨架落入到梁膜之前，对其进行严格的检查，确保没有错漏才能将骨架落入到梁模中。
        2.框架柱纵向钢筋搭接
        技术按照相关规定，钢筋搭接施工应使用对接焊接或者机械焊接的方式，这两种连接方式是异形柱纵向钢筋搭接和矩形柱纵向钢筋搭接中最佳的连接方式。在高层建筑工程施工过程中，施工单位一般会利用搭接的方式，这是因为搭接施工成本、钢筋施工成本都不高。从钢筋搭接形式上来看，搭接范畴之中纵向钢筋之间的间距比较小，并且可以合理调整该区域中箍筋的尺寸，因此即使柱中纵向钢筋无法与箍筋紧靠、主截面尺寸较小的情况下，都不会对其施工造成较大影响，但是需要提到的一点是，柱截面越小其影响就会越大，尤其是对于结构体系中异形柱来说，这一点要引起注意。
        3.混凝土施工质量控制技术
        3.1选定混凝土配合比
        项目开工之前应严格按照设计要求配置不同强度的混凝土，同时在混凝土投入应用之前于实验室展开级配实验，严格按照实验室级配报告执行各项操作。但是，一旦现场施工条件发生了改变，混凝土级配与实验室配比可能会出现一定差距，这时通常需要以实验室配合比为基础合理调整混合料的含泥量与含水量，并且在施工过程中还要注意严格控制原材料质量。
        3.2混凝土浇筑施工
        为了避免出现混凝土烂根现象，通常应在上次浇筑完成后加在规格相同的方框中，将框面浇平之后继续浇支模，确保框架柱浇筑自然平实。冬季施工过程中，应注意对浇筑时的温度进行严格控制，一旦混凝土出模温度小于14℃或者入模温度小于5℃，这时必须立即停止浇筑操作。此外，还要仔细测量好昼夜的最低温度与最高温度，浇筑过程中一切温度不满足设计要求，都要立即将施工操作停止。
        3.3混凝土养护
        通常情况下，高层建筑工程都会利用泵送混凝土的方式，这种方式不仅有助于缩短工期，同时还能达到改善混凝土性能的目的。但是当前还有一些工程项目，虽然制定了合理的配合比，但是还是会出现混凝土强度不足的问题，这主要是因为这些工程为了节省工期，混凝土养护上投入的时间不足，从中可以看出混凝土养护工作的重要性。
        结语
        随着高层建筑项目的进一步发展，混凝土框架结构在高层建筑中的应用将更加广泛。因此，设计师必须详细了解相关设计规范，认真学习相关专业理论知识，详细考虑施工技术的应用方案，保障施工方案的科学，并在设计实践中不断总结经验，从而不断提高设计水平。
        参考文献：
        [1]朱金坤，卢建峰，刘斌，贺星新.建筑高度对钢筋混凝土框架-核心筒结构的影响[J].工程建设与设计，2020（8）：5～7.
        [2]时晋芳.建筑工程框架结构施工技术分析[J].建材与装饰，2018（42）.
        [3]袁龙海.有关建筑工程框架结构施工技术的分析[J].中国建筑金属结构，2016（12）.