帶你詳細(xì)了解框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理

1、帶你詳細(xì)了解框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理 框架結(jié)構(gòu)是多層建造物最常常使用的結(jié)構(gòu)形式之一，該結(jié)構(gòu)以其傳力明確而簡捷的特點(diǎn)，被結(jié)構(gòu)工程師所青睞?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的構(gòu)件受力形式以受彎為主，桿件可以采用各種延性材料，形成鋼框架、鋼筋混凝土框架、勁性混凝土框架、木框架等多種框架形式。不論哪一種，其宏觀受力情況是相同的。在這里，以鋼筋混凝土框架為例，闡述框架結(jié)構(gòu)的各種特點(diǎn)。 框架結(jié)構(gòu)房屋的結(jié)構(gòu)組成 框架結(jié)構(gòu)的組成包括梁、板、柱、以及基礎(chǔ)。 梁與柱的節(jié)點(diǎn)為剛節(jié)點(diǎn)，個別狀況下做成半鉸節(jié)點(diǎn)。柱的基礎(chǔ)多為剛性節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)，有時做成鉸節(jié)點(diǎn)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)屬于超靜定結(jié)構(gòu)，在力學(xué)計算中，通常稱之為剛架。 柱 柱是框架的主要承重構(gòu)件、抗側(cè)向力構(gòu)件，

2、是框架的關(guān)鍵構(gòu)件?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的柱多為矩形，從室內(nèi)看，一般突出于墻面。近幾年，隨著計算技術(shù)的進(jìn)展，也隨著入們對于室內(nèi)空間要求的提高，異型柱漸漸流行，“L”、“T”、“十”樣子的柱也有使用。在一些大型建造中，圓形柱也有采用。 梁 梁在框架中起著雙重作用，一方面梁承接著板的荷載，并將其傳遞至柱上，并進(jìn)而通過柱傳遞至基礎(chǔ)；另一方面，梁也在協(xié)調(diào)著柱的內(nèi)力，與柱共同擔(dān)當(dāng)豎向與水平荷載，這在框架各種荷載作用下的彎矩與剪力圖上，可以清晰地看到。 框架與框架之間的梁稱為聯(lián)系梁，理論上聯(lián)系梁不擔(dān)當(dāng)荷載，僅僅銜接框架。實(shí)際上，聯(lián)系梁也要調(diào)節(jié)框架不勻稱的受力作用，促使框架受力越發(fā)均衡。同時部分聯(lián)系梁也擔(dān)當(dāng)著板所傳來的荷

3、載。 板 板是不僅直接擔(dān)當(dāng)垂直荷載的構(gòu)件，而且對于水平荷載，板所起到的作用也是非常重要的。板是重要的保證框架結(jié)構(gòu)空間剛度的構(gòu)件板的平面內(nèi)剛度極大，甚至可以被認(rèn)為是無窮大，因此可以起到對于各個柱所擔(dān)當(dāng)?shù)膫?cè)向受力舉行整體協(xié)調(diào)的作用，還可以有效平衡各個框架之間的受力不勻稱。在樓梯間處，因?yàn)闆]有繼續(xù)的樓板，空間剛度大大折減，要靠四角的柱來穩(wěn)固這一不利空間，因此許多工程師將樓梯間四角的柱設(shè)計成相對較大的尺度。 梁與板一般采用鋼筋混凝土整體澆筑，才干保證這種空間剛度，裝配式樓板不能滿意要求，因此對于抗震地區(qū)，現(xiàn)澆樓板是務(wù)必的。 墻 框架結(jié)構(gòu)的墻體僅僅是填充性的墻體，即為分隔與圍護(hù)的作用，不擔(dān)當(dāng)任何分量與作

4、用。沒有墻體，框架結(jié)構(gòu)仍舊存在。因此，墻體要與框架牢靠的相連，防止在意外受力時被甩出結(jié)構(gòu)，但又要避開銜接過密而與框架形成整體工作體系，轉(zhuǎn)變框架的受力狀態(tài)。 因?yàn)榭蚣苤歉髯宰粤⒌膶⑸喜亢奢d傳遞至地面的，可以對于每一根柱單獨(dú)設(shè)計其基礎(chǔ)，因此框架多采用柱下自立基礎(chǔ)。但有時因?yàn)楹奢d較大或地基相對脆弱，以及各個自立基礎(chǔ)下的土層的差異，自立基礎(chǔ)之間會形成地基的不勻稱變形，從而導(dǎo)致地上結(jié)構(gòu)的裂縫；或因?yàn)樽粤⒒A(chǔ)面積過大，在實(shí)際施工中已經(jīng)形成各個基礎(chǔ)的相連狀態(tài)，此時設(shè)計者也常常抉擇柱下條形基礎(chǔ)。 一方面柱下條形基礎(chǔ)可以調(diào)節(jié)柱之間的受力，是地基擔(dān)當(dāng)?shù)暮奢d越發(fā)勻稱，另一方面條形基礎(chǔ)的基底面積要大于自立基礎(chǔ)，更有

5、利于基礎(chǔ)對于荷載的擔(dān)當(dāng)與分布，提高了基礎(chǔ)的整體性。條形基礎(chǔ)可以設(shè)計成單向的平行的條形基礎(chǔ)，也可以設(shè)計成互相交錯形式的交錯梁式基礎(chǔ)，后者的整體性更好。 對于較高層的框架結(jié)構(gòu)，或地質(zhì)情況相對較脆弱的區(qū)域，框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)也可以抉擇筏板式基礎(chǔ)以一塊筏板將各個柱子連在一起，協(xié)調(diào)柱子之間的作用，形成整體性的基礎(chǔ)，更有利于荷載的傳遞。筏板基礎(chǔ)施工極為便利，但是因?yàn)榉ぐ遢^為厚大，混凝土用量較多，因此在抉擇時宜慎重。 基礎(chǔ)與基礎(chǔ)之間一般設(shè)有基礎(chǔ)梁，其作用是平衡柱所擔(dān)當(dāng)?shù)膹澗?，減小基礎(chǔ)因?yàn)閺澗刈饔卯a(chǎn)生的偏心。 計算平面 因?yàn)榭蚣芙Y(jié)構(gòu)橫向柱數(shù)量較少，剛度較弱，同時也因?yàn)橛嬎慵夹g(shù)的制約，傳統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計多舉行橫向平

6、面結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算， 將橫向的梁在設(shè)計中做成框架梁。而相對橫向結(jié)構(gòu)的縱向柱較多，剛度較大，一般僅作構(gòu)造處理，縱向的框架與框架之間聯(lián)結(jié)的梁，則被做成聯(lián)系梁。但隨著現(xiàn)代建造體形的復(fù)雜化與計算技術(shù)的進(jìn)展，現(xiàn)代框架結(jié)構(gòu)有時已經(jīng)很難顯然的區(qū)別框架梁與聯(lián)系梁了。 框架結(jié)構(gòu)一般實(shí)行正交矩形柱網(wǎng)的方式，并在整體平面上也形成矩形。固然這并非肯定，計算技術(shù)的進(jìn)展已經(jīng)可以保證現(xiàn)代的工程技術(shù)入員，在面向任何復(fù)雜的平面時，均可以做出滿足的設(shè)計。 計算荷載傳遞 框架結(jié)構(gòu)中，受力主要是垂直力與水平力兩類。垂直荷載源于自重、以及各種活荷載，除非特別荷載，多數(shù)垂直荷載被設(shè)計成均布荷載，可能直接作用在框架上（樓板搭載框架梁上），也

7、可能通過其他構(gòu)件（次梁）以集中荷載的方式傳遞至框架上（樓板搭在非框架梁的次梁上，再由次梁傳遞至框架梁上）。框架結(jié)構(gòu)的垂直荷載通過梁板體系來擔(dān)當(dāng)，進(jìn)而傳給柱，由柱傳給基礎(chǔ)。 水平荷載主要是由風(fēng)與地震的作用產(chǎn)生的。因?yàn)闃前鍝?dān)當(dāng)了建造中主要的分量，地震時在樓板高度處會產(chǎn)生巨大的地震作使勁，因此一般將水平地震荷載簡化為作用在樓板高度處的水平集中力。框架所擔(dān)當(dāng)?shù)娘L(fēng)力作用在建造物的側(cè)墻上，進(jìn)而通過側(cè)墻傳遞至擔(dān)當(dāng)墻體的框架梁上，因此風(fēng)荷載對于框架也可以簡化為集中作用。也就是說，水平荷載作用的簡化結(jié)構(gòu)是作用于各個層高處的水平集中荷載。 框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力圖 從內(nèi)力圖可以看出，框架結(jié)構(gòu)的梁、柱是共同協(xié)調(diào)受力的，除了

8、等跨結(jié)構(gòu)的中柱在垂直荷載作用下，可以不擔(dān)當(dāng)彎矩以外，其他各種狀況下，柱子均要受彎。這對于頂層柱來講，因?yàn)檩S向作用的荷載較小，而彎矩作用表現(xiàn)得就越發(fā)顯然。 框架結(jié)構(gòu)的計算方法簡述 在實(shí)際的工程設(shè)計中，框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力基本上采用計算機(jī)舉行準(zhǔn)確分析完成。但手工算法也時有采用，主要是對于容易的框架舉行初步分析，了解手工算法，對于把握框架結(jié)構(gòu)的力學(xué)概念與結(jié)構(gòu)構(gòu)造，是非常重要的。 1.豎向荷載作用下的近似計算分層計算法。 由準(zhǔn)確分析法與彎矩圖可知，在豎向荷載作用下，多層多跨框架側(cè)移較小，各層荷載對其他層桿件的內(nèi)力影響也較小，因此可以在計算中舉行簡化。分層計算法的基本假定為：在豎向荷載作用下，可以忽視框架的側(cè)

9、向位移，忽視本層梁上的豎向荷載對于其他各層梁的內(nèi)力的影響。此時，多層框架可以按單層框架舉行求解，在誤差允許的范圍內(nèi)，大大簡化了計算過程。 2.水平荷載作用下的近似計算反彎點(diǎn)法。 框架結(jié)構(gòu)所受的水平荷載（地震力、風(fēng)力）可簡化成節(jié)點(diǎn)上的水平集中力。在集中力作用下，框架梁、柱彎矩圖均為直線，且桿件都有一個反彎點(diǎn)彎矩為0的點(diǎn)。倘若能求出反彎點(diǎn)的位置和反彎點(diǎn)處的剪力，則框架梁、柱的內(nèi)力圖即可求出。 當(dāng)框架橫梁線剛度與柱的線剛度之比大于3時，框架上部各層節(jié)點(diǎn)實(shí)測轉(zhuǎn)角很小，可在計算中舉行簡化與忽視。在計算中基本假定為：在決定各柱間的剪力分配時，認(rèn)為框架橫梁的線剛度與柱的線剛度之比為無窮大，則上下柱端惟獨(dú)側(cè)移

10、而無轉(zhuǎn)角，且同一層柱中各端的側(cè)移相等；在決定各柱反彎點(diǎn)的位置時，認(rèn)為除底層外，各層柱的上下端轉(zhuǎn)角相等。這樣，飯碗點(diǎn)的位置就決定在了柱的中部，采用剪力分配法，就可以求得框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力圖。（剪力分配法見排架一節(jié)） 3.水平荷載作用下的改進(jìn)反彎點(diǎn)法D值法。 改進(jìn)的反彎點(diǎn)法是在分析多層框架受力和變形特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出修正柱的抗側(cè)移剛度和調(diào)節(jié)反彎點(diǎn)高度的方法。修正后柱的抗側(cè)移剛度以D來表示，稱為D值法。 它的兩項改進(jìn)為：其一，增強(qiáng)了柱的側(cè)移剛度修正系數(shù)，反映了因?yàn)楣?jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動降低柱抵擋側(cè)移的能力，可以按照梁柱線剛度比值計算柱側(cè)移剛度；其二，調(diào)節(jié)反彎點(diǎn)高度，經(jīng)分析發(fā)覺，拄的反彎點(diǎn)高度與該柱上下兩端轉(zhuǎn)角大小有關(guān)

11、，因此柱的反彎點(diǎn)并不一定處于柱的中心高度。 按照D值法，可以更精確的分析出框架結(jié)構(gòu)在側(cè)向力作用下的變形與受力。 框架的設(shè)計概念原則 框架結(jié)構(gòu)屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)，計算復(fù)雜，雖然可以依賴計算機(jī)舉行準(zhǔn)確分析，但務(wù)必建立在概念設(shè)計的基礎(chǔ)之上。對于框架結(jié)構(gòu)設(shè)計，其概念原則有以下幾點(diǎn)： 強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)弱桿、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)壓弱拉 這是從破壞的延性與相對脆性的角度以及重要程度兩方面來考慮的結(jié)果。 強(qiáng)柱弱梁在結(jié)構(gòu)的破壞過程中，柱的破壞會導(dǎo)致整體或局部結(jié)構(gòu)的坍塌，因此要將柱設(shè)計得越發(fā)穩(wěn)固；而相對的梁，因?yàn)槠涫б话悴粫?dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的問題，因此相對次要。另外，因?yàn)橹钠茐目赡芟鄬Υ嘈缘那闆r，而梁的破壞一般均為延性，因此對于柱的設(shè)計，要抉擇更高的牢靠度。 強(qiáng)節(jié)弱桿節(jié)點(diǎn)與桿件的設(shè)計關(guān)系。這一方面在于節(jié)點(diǎn)是桿件的聯(lián)系，節(jié)點(diǎn)破壞要比桿件的破壞嚴(yán)峻得多；另一方面也在于在現(xiàn)代的設(shè)計計算理論中，桿件設(shè)計已經(jīng)較為成熟，而節(jié)點(diǎn)設(shè)計尚沒有完美的理論。 強(qiáng)剪弱彎與受彎的破壞