中国市政工程西北设计研究院有限公司 甘肃兰州 730000
摘要：本文介绍了甘肃某地区锅炉房基础及上部结构设计所碰到的几个问题，逐一介绍了每个问题的解决办法及设计思路，还解释了框架设计中容易出现的几个误区，并通过“强柱弱梁”的思想对设计进行优化，使项目在有一定安全系数的前提下设计更合理。
关键词：桩基；持力层；抗震；框架；配筋
1 工程概况
本工程为锅炉房，结构形式为全现浇钢筋混凝土框架结构，平面轴线尺寸为30.0米X26.1米，共5层，主屋面高度29.4米，水箱间33.3米，基础为桩基础，抗震设计为7度抗震设防。
2 基础设计方面的问题
1）地质情况
本工程位于甘肃省定西市渭源县，场地表层为杂填土，结构松散，承载力低，压缩性较高，厚度薄，工程性质差；粉土层厚度变化大，清源河南岸二级阶地，该层厚度约6.0m，，埋藏浅，具中等压缩性，具II级自重湿陷性，工程性质一般；卵石层厚度大，埋藏深度变化较大，具低压缩性，工程性质好。
2）基础形式的选择
首先○2-1粉质粘土为II级自重湿陷性，按照《湿陷性黄土地区建筑规范》，因为本工程超过24米，因此为乙类建筑，按照规范6.1.4条，乙类建筑消除地质部分湿陷量最小处理厚度要求为：在自重湿陷性黄土地区，不应小于湿陷性土层深度的2/3，且下部未处理的湿陷性黄土层的剩余湿陷量不小于150mm，本工程粉质粘土的湿陷深度达到6.6~7.5m，处理深度很大，从土方开挖的工程量来看，已经很不经济，且通过验算，处理后的土层仍然无法满足承载力及变形要求，因此排除了使用浅基础的可能性，采用桩基础，因为工程含有地下水，因此采用泥浆护壁钻孔灌注桩。
3）最小桩间距的控制
因为此工程的场地较紧张，而需要摆放的建筑物及构筑物较多，其中很多地方的最小桩间距很难满足，工程使用了以下几种办法来控制最小桩间距：一、加大桩径或加长桩进入持力层的深度，由此来减少桩的数量。二、使用端承桩的最小桩间距的计算工式（2.5d）来控制桩间距，但计算中未考虑桩侧的土侧阻力，以增加桩基的安全富余量。三、锅炉房中间的锅炉基础未使用传统的一柱一桩或一柱多桩的布桩方式，而是使用柱下条基，然后在条基下布桩，这种方式更灵活，便于躲过锅炉房的柱子及控制最小桩间距（后期施工图未采用这种方法，但是为以后遇到此类工程提供了思路）。四、适当的使用的悬挑的方式来控制最小桩间距。
4）单桩竖向承载力特征值的确定
因为桩需要穿过○2-1粉质粘土层，且粉质粘土层具有II级自重湿陷性，依据JGJ 94-2008 《建筑桩基技术规范》 桩穿越自重湿陷性黄土土层进入相对较硬土层时，在计算基桩承载力时应计入桩侧负摩阻力，在这里计算负摩阻力多数人有一个误区，认为负摩阻力就是负的极限侧阻力标准值，而单桩竖向承载力特征值需要单桩竖向极限承载力标准值除以安全系数，这样其实就是减少了负摩阻力，降低了工程的安全系数，因此正确的算法应该是按照《建筑桩基技术规范》5.4.3条的工式把负摩阻力按照下拉荷载来计算，且在施工图的说明应加入单桩竖向承载力特征值应采用静载荷浸水试验方法确定的描述。
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3 上部结构设计方面的问题
1）混凝土强度等级的取值
框架柱作为主要竖向承重抗侧力构件，一般以压应力为主，为有利于控制和满足轴压比的要求，有利于提高建筑平面利用系数，改善建筑使用功能，常规的做法是混凝土强度等级尽量高些，本工程下部楼层取C35，上部楼层取C30。变柱截面处不同时改变混凝土强度等级，以免刚度突变。整个工程的竖向构件混凝土强度等级种类不宜太多。水平构件的混凝土强度等级取值要符合规范要求，同时要与竖向构件相配搭，使施工处理简单化，尽量避免出现节点区单独浇注混凝土的情况。
2）大开洞带来的结构问题
本工程中间部分均开较大洞口用于锅炉的安装，洞口占楼面面积的1/3。因为几乎所有的高层结构分析软件均有“刚性楼面假定”，即“楼面在自身平面内的刚度无穷大”，为尽量于此假定接近，在结构设计中采用了如下措施：
（1）适当的增加柱的截面，因为个别柱在开洞范围内的只有一个方向有梁支撑。
（2）洞口周边增加边梁，以提高整体抗侧移性，个别因为悬挑过多，增加了半高框架柱。
3）框架梁、柱的优化
因为工程的上部荷载较大，因此梁柱的截面及配筋都较大，设计方在梁、柱的截面及配筋都进行优化，并非一味的加大配筋或增大截面。
（1）框架柱的截面及配筋优化
在设计前期确定柱截面时，应首先满足轴压比限值的要求。限制框架柱的轴压比主要是为了保证柱的塑性变形能力和保证框架的抗倒塌能力。在满足轴压比限值的情况下，框架柱一般是压弯构件，其配筋在多数情况下多数部位是构造配筋。在框架结构的顶层，轴压力较小，因此工程在层高24.6米后柱子截面明显变小，配筋方面，设计者刻意加大某些重要柱子的纵向钢筋，提高整体结构的安全性。
（2）控制钢筋混凝土柱的轴压比
设计中尽量避免短柱。长柱的延性比短柱好；柱的延性还与受荷偏心大小有关，大偏心受压柱的延性，优于小偏心受压柱的中心受压柱；柱箍筋的加密，采用复合箍筋对改善柱的延性有好处，可以增强对混凝土的约束；提高混凝土的强度等级和采用双向纵向配筋，对改善柱的延性均有好处，
（3）设计者在建模计算增大了首层层高，以避免短柱，因此本工程除了楼梯间的柱子，都不是短柱。
同时框架梁跨度和荷载过大使梁截面尺寸增大、配筋较大，这时就不能和柱子一样去加大配筋以提高工程安全性，相反梁支座配筋只需要满足计算结构即可，不好选筋时，配筋也可以适当降低一点。
2）框架结构计算参数的选取
框架结构计算参数较多，仅强调以下三个参数的选取。
（1）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。计算时若不考虑填充墙的影响，将导致计算周期大于实际周期，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。本工程的折减系数根据填充墙的材料及数量选取0.7。
（2）梁刚度放大系数：SATWE或盈建科等计算软件的梁输入模型均为矩形截面，未考虑因现浇楼板形成T形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。
（3）活荷载的最不利布置：本工程活荷载较大，是否按照活荷载的最不利布置对计算结果影响较大。即使选用程序中考虑了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。因此本工程应按照考虑活荷载的最不利布置的方式进行计算。
4 结论
本工程虽然只是简单的框架结构，但是因为诸多客观因素，使设计中遇到了许多困难，例如：层高超过24m，框架抗震等级较高，场地紧张，在桩基布置上需要仔细计算，上部结构设计又因为楼板大开洞及上部荷载较大，出现柱截面过大，梁配筋较大的情况等，最后笔者依照“强柱弱梁”的思路，在计算及施工图阶段对梁、柱进行优化设计，其手段表现在对柱的设计弯矩等进行人为放大，对梁不放大。其目的表现在调整后，柱的抗弯能力比之前提高，而梁不变。即柱的能力提高程度比梁大。这样梁柱一起受力时，梁端形成塑性铰，梁端可以先于柱屈服。
参考文献
[1]混凝土结构设计规范GB50010-2010.北京：中国建筑工业出版社，2010.
[2]建筑抗震设计规范GB50011-2010.北京：中国建筑工业出版社，2010.
[3]高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010.北京：中国建筑工业出版社，2010.
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[6]李国胜.建筑结构设计中一些问题的讨论（三）.建筑结构（技术通讯），2009.
[7]张伟.控制钢筋混凝土结构含钢量的一些措施.建筑结构（技术通讯），2009.
[8]韦锋，傅剑平，白绍良.我国混凝土框架结构强柱弱梁措施的实际控制效果.建筑结构，2007.
论文作者:韩淼
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第16期
论文发表时间:2017/11/18
标签：工程论文; 截面论文; 荷载论文; 结构论文; 承载力论文; 刚度论文; 框架论文; 《建筑学研究前沿》2017年第16期论文;