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摘要: 建筑框架结构设计是结构设计中较为基础的设计，也是建筑结构设计中较为重要的一种形式，一直以来，建筑框架结构设计问题是业内关注的重点，是保障建筑结构安全、实现建筑使用功能的灵魂。
关键词：纯框架 结构设计 相对 稳定
Abstract: Construction frame structure design is in the structural design of more basic design, also be building structural design of a form of the more important, since, architectural framework structure design problem is the focus of concern, is to ensure the safety of the structure, building construction realize the use function of the soul.
Keywords: pure frame; structure design; relatively stable
中图分类号：TU318文献标识码：A文章编号：
1．工程概况
广州新图书馆建设工程位于广州市天河区珠江新城J2-6地块，广州新图书馆地上10层、地下2层（含B1夹层），建筑总高约50米，建筑埋深约13.3米。地上主要设各种功能的图书阅览室，地下主要设停车库、藏书区及设备用房等。
大楼地上主要分南区和北区两部分，南北区在建筑外形上均呈平面圆弧、竖向倾斜，并以南区东侧更为显著，外墙面最多大约倾斜至19度。结构设计上利用南北区各自相对倾斜的特征，在8层设置南北区结构连接，以保证整体结构的稳定和安全。
南区和北区均采用纯框架结构形式。
2．结构设计
2.1 主体设计
2.1.1结构主体概要
广州新图书馆地上部分主要分南区和北区两部分。南北区在建筑外形上均呈平面圆弧、竖向倾斜。南北区相比，北区体量大、倾斜小、安定性好。而南区虽体量小，但体量却逐渐由西向东变化增大，倾斜角也逐渐由西向东增大，外墙面最多大约倾斜至19度。
结构设计上利用南北区各自相对倾斜的特征，在8层设置南北区结构连接，以保证整体結构的稳定和安全。南区和北区均采用纯框架结构形式。
2.1.1.1．南区4轴以东部分
南区4轴以东部分，4～9轴各南北框架仅为1跨，10轴以东各南北框架为2跨。根据南北框架的跨距及建筑倾斜程度，该部分柱梁框架采用型钢钢筋混凝土组合结构(SRC) 纯框架结构形式，以达到大跨度和建筑倾斜对结构刚度和强度的要求。该部分楼板均采用钢筋混凝土现浇楼板，地上部分楼板厚度在一般部分均为150mm。小梁采用RC梁。
2.1.1.2南区4轴以西部分
南区4轴以西部分，由于建筑上需要保证1层入口处的大空间使用功能，要求南区西端的2轴处仅可设置一根落地柱，即结构上只能设计为巨型单柱。于是，南区4轴以西部分便呈现了下述复杂情况∶
①1～4轴间，巨型单柱只能设在2轴跨中，南北方向梁板需从巨型单柱挑出。
②1～2轴间，东西方向建筑立面弧形悬挑，最长挑出9.6m。
各层建筑重量全部由巨型单柱承担。
③2～4轴间，东西方向建筑跨度9.6m×2＝19.2m。
各层建筑重量全部由巨型单柱承担和4轴的2根框架柱承担。
针对这些情况，结构设计上采用下述措施，有效解决了力的传递和刚度需要∶
巨型单柱
将巨型单柱设计成具备高度强度和刚度的内含组合型钢断面的SRC柱。将南北方向从巨型单柱挑出的梁，设计成轻量的S梁。再将这些梁在各层用S斜撑和S小柱连接成轻量的S桁架。于是，巨型单柱及两旁各层纯钢桁架，构成了大树干树形结构形式。（2） 南北方向拉杆斜撑
南北方向1～2轴建筑悬挑，建筑外墙侧为大理石装修幕墙，重量较大，通过在各层设置拉杆，以控制悬挑端过大变形。
因此，1～4轴间由巨型单柱、桁架、斜撑等构成的综合结构形式，在尽可能减小结构重力负担的同时，明确完成了重力传递，保证了结构强大的侧向刚度和强度，保证了南区西端结构的安全稳定性。该部分楼板均采用现浇钢筋混凝土楼板，地上部分厚度均为150mm（局部采用钢板加固）。小梁采用S梁。
2.1.1.3北区
与南区相比，北区框架柱虽在外周、中庭和东西端切进处呈倾斜，但中间5～10轴基本竖直。而且，柱网跨距除东西端切进处跨度不规则及Y形柱交叉外，中间部位也基本整齐，梁柱直交。 因此，结构设计时在满足北区建筑设计要求的基础上，基本实现了经济的钢筋混凝土(RC)纯框架结构形式，达到了节省造价的设计目的。 北区地上部分楼板均采用钢筋混凝土现浇楼板，楼板厚度在一般部位均为150mm。小梁采用RC梁。
2.1.1.4南北区之间的连接
南北区之间的连接，主要是利用南北区相互倾斜的特点，通过连接部分有效的力的传递达到整体结构稳定的设计目的。
由于南区屋面逐渐上升，南北区屋面的高度不齐，因此，结构设计上在8层和10层处设置了结构的主要连接――轴力承载构件（S梁）和剪力承载构件（RC楼板+钢板加固），这样不仅保证了南北区相互倾斜在8层连接处的轴力传递，又提供了地震作用下结构平面内的水平力承载能力。为安全顺利地完成连接，北区中庭侧东西轴线上柱梁均采用SRC。同时，这些SRC大梁在中庭西侧巨大玻璃幕墙结构中，也起到了必要的作用。
2.1.1.5地下部分
南北区在1层以下（含1层）全体相连。南北区地上部分的倾斜柱自1层以下均竖直向下。结构设计上在南区巨型单柱下面的地下部分，两边又设置了RC墙，用以固定巨型单柱的柱脚，并抵抗上部结构引起的弯矩。
地下部分的RC和SRC结构情况也比较复杂∶
南区SRC框架柱和北区中庭侧东西轴线上框架柱中的型钢自B1层立起。
B1层南北区之间的大梁为RC梁，1层南北区之间的大梁为SRC梁（或SRC桁架）。1层处该部位的SRC大梁又为建筑上B1层入口处的大空间设计提供了可能。
B1层2个学术报告厅也要求大跨度，且学术报告厅上方1层处为室外绿化区，具有一定厚度的覆土层。1层该部位的大梁也采用SRC梁。相应部位的柱则从B1层起为SRC柱。
B2层的东北部建筑设计上设有大型移动图书馆卡车的回转掉头区域，出于该区域的跨度要求，结构设计上在该部分也采用SRC柱梁框架。柱中的型钢自B2层立起，B1层的大梁为SRC梁。此外，1层及地下楼板均采用钢筋混凝土现浇楼板。楼板厚度B2层为800mm，B1层按人防设计需要为250mm，1层楼板为加强结构水平力的传递能力，设计为250mm。
3结构设计方针
3.1 重力荷载下结构设计方针
广州新图书馆工程的最大的建筑特点是倾斜和西端的单柱支撑，因此，结构设计上为克服重力荷载下的不利因素，采用以下实现了结构在倾斜状态下的合理和协调，达到了尽量减少造价的经济效果。
为达成倾斜结构的稳定，设计上首先考虑利用南北区相互倾斜的特点设置南北连接。但是由于屋面逐渐上升，南北区五面的高度不齐，很难解决有效确切的结构联系。 因此，结构设计上在8层和10层处设置了主要结构连接――轴力承载构件（S梁）和剪力承载构件（RC楼板+钢板加固）。这样，不仅将整个建筑联系成一个安定的结构体，也使大幅倾斜的南区可以依靠北区体量保持稳定，实现了建筑上的外形视觉效果。
由于结构上需要保证1层入口处的大空间使用功能，要求南区西端的2轴处仅可设置一根落地柱。结构设计上以1～4轴间由巨型单柱大树干结构，树形桁架等构成的综合结构体系，在尽量能减少结构重力负担的同时，明确完成了重力的传递，保证了结构强大的侧向刚度和强度，保证了南区西段结构的安全稳定性。
综合考虑重力荷载对倾斜结构的影响，根据南北区各自的建筑特点，分别采用不同的SRC结构，RC结构和S结构，达到了结合本结构设计的最有效，最合理，最经济的结构设计。
3.2地震作用下结构设计方针
地震作用下结构设计按多遇地震和罕遇地震2种情况进行，并分别采用弹性及弹塑性静力分析、弹性动力时程分析，确认结构在多遇和罕遇地震作用下的强度、刚度和变形性能。
地震作用下结构设计按以下方针进行∶
根据广东省地震工程勘测中心制作《广州新图书馆工程场地地震安全性评价报告》及中国国家标准《建筑抗震设计规范 GB50011-2001》进行地震作用计算。
根据中国国家标准《建筑抗震设计规范 GB50011-2001》以及本结构的纯框架形式，控制结构在地震作用下的变形为：
第一阶段抗震设计（多遇地震）质心层间位移＜1/550
第二阶段抗震设计（罕遇地震）质心层间位移＜1/100(规范要求＜1/50，考虑到建筑外装修的变形能力，取设计目标＜1/100。)楼层的最大弹性水平位移(或层间位移)＜该楼层两端弹性水平位移(或层间位移)平均值的1.5倍
3.2.1根据弹塑性理论设计结构构件
本工程结构形式虽为纯框架，但形状特殊，南北区相互倾斜相联。特别是南区，不仅大幅倾斜，还设有巨型单柱和悬挑结构等。因此，设计上为保证地震时的结构安全，满足「小震不坏、中震可修、大震不倒」的抗震规范要求，对结构进行弹塑性设计。
采用弹塑性方法进行结构静力Push Over分析，检查多遇地震、基本烈度和罕遇地震时各构件的弹塑性状态、塑性化过程和结构破坏机构，确认结构满足「小震不坏、中震可修、大震不倒」的设计原则。
3.3 风荷载下结构设计方针
通过对地震作用和风荷载的大小比较可以看出，无论风荷载在東西方向或南北方向作用，风荷载对整个结构的作用远远小于地震对整个结构的作用。
但是，由于本建筑南北区在8层以下分离的特性，以及南区东西向长度与南北向宽度比例过大的特点，在仅考虑风荷载作用在南区的南侧幕墙上时，南区的风荷载几乎接近南区自身的地震作用。因此，南区设计时还是应该特别注意风荷载的影响。
4结语
建筑纯框架结构虽然相对简单，但设计中仍有很多需要注意的事项，只有结构设计人员既有扎实的理论功底，又有丰富的工程经验，并且熟练掌握各种规范，结合概念设计，才能设计出既安全、可靠，又经济、合理的建筑物。
参考文献
(4) 中国国家标准《混凝土结构设计规范 GB50010-2002》
(5) 中国行业标准《高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ3-2002》
(6) 中国行业标准《型钢混凝土组合结构技术规程 JGJ138-2001》
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：纯框架 结构设计 相对 稳定
Abstract: Construction frame structure design is in the structural design of more basic design, also be building structural design of a form of the more important, since, architectural framework structure design problem is the focus of concern, is to ensure the safety of the structure, building construction realize the use function of the soul.
Keywords: pure frame; structure design; relatively stable
中图分类号：TU318文献标识码：A文章编号：
1．工程概况
广州新图书馆建设工程位于广州市天河区珠江新城J2-6地块，广州新图书馆地上10层、地下2层（含B1夹层），建筑总高约50米，建筑埋深约13.3米。地上主要设各种功能的图书阅览室，地下主要设停车库、藏书区及设备用房等。
大楼地上主要分南区和北区两部分，南北区在建筑外形上均呈平面圆弧、竖向倾斜，并以南区东侧更为显著，外墙面最多大约倾斜至19度。结构设计上利用南北区各自相对倾斜的特征，在8层设置南北区结构连接，以保证整体结构的稳定和安全。
南区和北区均采用纯框架结构形式。
2．结构设计
2.1 主体设计
2.1.1结构主体概要
广州新图书馆地上部分主要分南区和北区两部分。南北区在建筑外形上均呈平面圆弧、竖向倾斜。南北区相比，北区体量大、倾斜小、安定性好。而南区虽体量小，但体量却逐渐由西向东变化增大，倾斜角也逐渐由西向东增大，外墙面最多大约倾斜至19度。
结构设计上利用南北区各自相对倾斜的特征，在8层设置南北区结构连接，以保证整体結构的稳定和安全。南区和北区均采用纯框架结构形式。
2.1.1.1．南区4轴以东部分
南区4轴以东部分，4～9轴各南北框架仅为1跨，10轴以东各南北框架为2跨。根据南北框架的跨距及建筑倾斜程度，该部分柱梁框架采用型钢钢筋混凝土组合结构(SRC) 纯框架结构形式，以达到大跨度和建筑倾斜对结构刚度和强度的要求。该部分楼板均采用钢筋混凝土现浇楼板，地上部分楼板厚度在一般部分均为150mm。小梁采用RC梁。
2.1.1.2南区4轴以西部分
南区4轴以西部分，由于建筑上需要保证1层入口处的大空间使用功能，要求南区西端的2轴处仅可设置一根落地柱，即结构上只能设计为巨型单柱。于是，南区4轴以西部分便呈现了下述复杂情况∶
①1～4轴间，巨型单柱只能设在2轴跨中，南北方向梁板需从巨型单柱挑出。
②1～2轴间，东西方向建筑立面弧形悬挑，最长挑出9.6m。
各层建筑重量全部由巨型单柱承担。
③2～4轴间，东西方向建筑跨度9.6m×2＝19.2m。
各层建筑重量全部由巨型单柱承担和4轴的2根框架柱承担。
针对这些情况，结构设计上采用下述措施，有效解决了力的传递和刚度需要∶
巨型单柱
将巨型单柱设计成具备高度强度和刚度的内含组合型钢断面的SRC柱。将南北方向从巨型单柱挑出的梁，设计成轻量的S梁。再将这些梁在各层用S斜撑和S小柱连接成轻量的S桁架。于是，巨型单柱及两旁各层纯钢桁架，构成了大树干树形结构形式。（2） 南北方向拉杆斜撑
南北方向1～2轴建筑悬挑，建筑外墙侧为大理石装修幕墙，重量较大，通过在各层设置拉杆，以控制悬挑端过大变形。
因此，1～4轴间由巨型单柱、桁架、斜撑等构成的综合结构形式，在尽可能减小结构重力负担的同时，明确完成了重力传递，保证了结构强大的侧向刚度和强度，保证了南区西端结构的安全稳定性。该部分楼板均采用现浇钢筋混凝土楼板，地上部分厚度均为150mm（局部采用钢板加固）。小梁采用S梁。
2.1.1.3北区
与南区相比，北区框架柱虽在外周、中庭和东西端切进处呈倾斜，但中间5～10轴基本竖直。而且，柱网跨距除东西端切进处跨度不规则及Y形柱交叉外，中间部位也基本整齐，梁柱直交。 因此，结构设计时在满足北区建筑设计要求的基础上，基本实现了经济的钢筋混凝土(RC)纯框架结构形式，达到了节省造价的设计目的。 北区地上部分楼板均采用钢筋混凝土现浇楼板，楼板厚度在一般部位均为150mm。小梁采用RC梁。
2.1.1.4南北区之间的连接
南北区之间的连接，主要是利用南北区相互倾斜的特点，通过连接部分有效的力的传递达到整体结构稳定的设计目的。
由于南区屋面逐渐上升，南北区屋面的高度不齐，因此，结构设计上在8层和10层处设置了结构的主要连接――轴力承载构件（S梁）和剪力承载构件（RC楼板+钢板加固），这样不仅保证了南北区相互倾斜在8层连接处的轴力传递，又提供了地震作用下结构平面内的水平力承载能力。为安全顺利地完成连接，北区中庭侧东西轴线上柱梁均采用SRC。同时，这些SRC大梁在中庭西侧巨大玻璃幕墙结构中，也起到了必要的作用。
2.1.1.5地下部分
南北区在1层以下（含1层）全体相连。南北区地上部分的倾斜柱自1层以下均竖直向下。结构设计上在南区巨型单柱下面的地下部分，两边又设置了RC墙，用以固定巨型单柱的柱脚，并抵抗上部结构引起的弯矩。
地下部分的RC和SRC结构情况也比较复杂∶
南区SRC框架柱和北区中庭侧东西轴线上框架柱中的型钢自B1层立起。
B1层南北区之间的大梁为RC梁，1层南北区之间的大梁为SRC梁（或SRC桁架）。1层处该部位的SRC大梁又为建筑上B1层入口处的大空间设计提供了可能。
B1层2个学术报告厅也要求大跨度，且学术报告厅上方1层处为室外绿化区，具有一定厚度的覆土层。1层该部位的大梁也采用SRC梁。相应部位的柱则从B1层起为SRC柱。
B2层的东北部建筑设计上设有大型移动图书馆卡车的回转掉头区域，出于该区域的跨度要求，结构设计上在该部分也采用SRC柱梁框架。柱中的型钢自B2层立起，B1层的大梁为SRC梁。此外，1层及地下楼板均采用钢筋混凝土现浇楼板。楼板厚度B2层为800mm，B1层按人防设计需要为250mm，1层楼板为加强结构水平力的传递能力，设计为250mm。
3结构设计方针
3.1 重力荷载下结构设计方针
广州新图书馆工程的最大的建筑特点是倾斜和西端的单柱支撑，因此，结构设计上为克服重力荷载下的不利因素，采用以下实现了结构在倾斜状态下的合理和协调，达到了尽量减少造价的经济效果。
为达成倾斜结构的稳定，设计上首先考虑利用南北区相互倾斜的特点设置南北连接。但是由于屋面逐渐上升，南北区五面的高度不齐，很难解决有效确切的结构联系。 因此，结构设计上在8层和10层处设置了主要结构连接――轴力承载构件（S梁）和剪力承载构件（RC楼板+钢板加固）。这样，不仅将整个建筑联系成一个安定的结构体，也使大幅倾斜的南区可以依靠北区体量保持稳定，实现了建筑上的外形视觉效果。
由于结构上需要保证1层入口处的大空间使用功能，要求南区西端的2轴处仅可设置一根落地柱。结构设计上以1～4轴间由巨型单柱大树干结构，树形桁架等构成的综合结构体系，在尽量能减少结构重力负担的同时，明确完成了重力的传递，保证了结构强大的侧向刚度和强度，保证了南区西段结构的安全稳定性。
综合考虑重力荷载对倾斜结构的影响，根据南北区各自的建筑特点，分别采用不同的SRC结构，RC结构和S结构，达到了结合本结构设计的最有效，最合理，最经济的结构设计。
3.2地震作用下结构设计方针
地震作用下结构设计按多遇地震和罕遇地震2种情况进行，并分别采用弹性及弹塑性静力分析、弹性动力时程分析，确认结构在多遇和罕遇地震作用下的强度、刚度和变形性能。
地震作用下结构设计按以下方针进行∶
根据广东省地震工程勘测中心制作《广州新图书馆工程场地地震安全性评价报告》及中国国家标准《建筑抗震设计规范 GB50011-2001》进行地震作用计算。
根据中国国家标准《建筑抗震设计规范 GB50011-2001》以及本结构的纯框架形式，控制结构在地震作用下的变形为：
第一阶段抗震设计（多遇地震）质心层间位移＜1/550
第二阶段抗震设计（罕遇地震）质心层间位移＜1/100(规范要求＜1/50，考虑到建筑外装修的变形能力，取设计目标＜1/100。)楼层的最大弹性水平位移(或层间位移)＜该楼层两端弹性水平位移(或层间位移)平均值的1.5倍
3.2.1根据弹塑性理论设计结构构件
本工程结构形式虽为纯框架，但形状特殊，南北区相互倾斜相联。特别是南区，不仅大幅倾斜，还设有巨型单柱和悬挑结构等。因此，设计上为保证地震时的结构安全，满足「小震不坏、中震可修、大震不倒」的抗震规范要求，对结构进行弹塑性设计。
采用弹塑性方法进行结构静力Push Over分析，检查多遇地震、基本烈度和罕遇地震时各构件的弹塑性状态、塑性化过程和结构破坏机构，确认结构满足「小震不坏、中震可修、大震不倒」的设计原则。
3.3 风荷载下结构设计方针
通过对地震作用和风荷载的大小比较可以看出，无论风荷载在東西方向或南北方向作用，风荷载对整个结构的作用远远小于地震对整个结构的作用。
但是，由于本建筑南北区在8层以下分离的特性，以及南区东西向长度与南北向宽度比例过大的特点，在仅考虑风荷载作用在南区的南侧幕墙上时，南区的风荷载几乎接近南区自身的地震作用。因此，南区设计时还是应该特别注意风荷载的影响。
4结语
建筑纯框架结构虽然相对简单，但设计中仍有很多需要注意的事项，只有结构设计人员既有扎实的理论功底，又有丰富的工程经验，并且熟练掌握各种规范，结合概念设计，才能设计出既安全、可靠，又经济、合理的建筑物。
参考文献
(4) 中国国家标准《混凝土结构设计规范 GB50010-2002》
(5) 中国行业标准《高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ3-2002》
(6) 中国行业标准《型钢混凝土组合结构技术规程 JGJ138-2001》
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。