帶你詳細(xì)了解框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理

1、帶你詳細(xì)了解框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(gè)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(shí)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(jì)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(jì)算技術(shù)的進(jìn)展，也隨著入們對(duì)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(shí)部分聯(lián)系梁也擔(dān)當(dāng)著板所傳來(lái)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(duì)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(wú)窮大，因此可以起到對(duì)于各個(gè)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(gè)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(lái)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(jì)成相對(duì)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(duì)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(shí)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(duì)于每一根柱單獨(dú)設(shè)計(jì)其基礎(chǔ)，因此框架多采用柱下自立基礎(chǔ)。但有時(shí)因?yàn)楹奢d較大或地基相對(duì)脆弱，以及各個(gè)自立基礎(chǔ)下的土層的差異，自立基礎(chǔ)之間會(huì)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(gè)基礎(chǔ)的相連狀態(tài)，此時(shí)設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)成單向的平行的條形基礎(chǔ)，也可以設(shè)計(jì)成互相交錯(cuò)形式的交錯(cuò)梁式基礎(chǔ)，后者的整體性更好。 對(duì)于較高層的框架結(jié)構(gòu)，或地質(zhì)情況相對(duì)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(gè)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(shí)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(jì)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(shí)也因?yàn)橛?jì)算技術(shù)的制約，傳統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多舉行橫向平

6、面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算， 將橫向的梁在設(shè)計(jì)中做成框架梁。而相對(duì)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(jì)算技術(shù)的進(jìn)展，現(xiàn)代框架結(jié)構(gòu)有時(shí)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(jì)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(shí)，均可以做出滿足的設(shè)計(jì)。 計(jì)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(jì)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）?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的垂直荷載通過梁板體系來(lái)?yè)?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(shí)在樓板高度處會(huì)產(chǎn)生巨大的地震作使勁，因此一般將水平地震荷載簡(jiǎn)化為作用在樓板高度處的水平集中力?？蚣芩鶕?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(duì)于框架也可以簡(jiǎn)化為集中作用。也就是說(shuō)，水平荷載作用的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)是作用于各個(gè)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(duì)于頂層柱來(lái)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(jì)算方法簡(jiǎn)述 在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力基本上采用計(jì)算機(jī)舉行準(zhǔn)確分析完成。但手工算法也時(shí)有采用，主要是對(duì)于容易的框架舉行初步分析，了解手工算法，對(duì)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(jì)算分層計(jì)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(duì)其他層桿件的內(nèi)力影響也較小，因此可以在計(jì)算中舉行簡(jiǎn)化。分層計(jì)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(duì)于其他各層梁的內(nèi)力的影響。此時(shí)，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(jiǎn)化了計(jì)算過程。 2.水平荷載作用下的近似計(jì)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(jiǎn)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(gè)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(shí)，框架上部各層節(jié)點(diǎn)實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)角很小，可在計(jì)算中舉行簡(jiǎn)化與忽視。在計(jì)算中基本假定為：在決定各柱間的剪力分配時(shí)，認(rèn)為框架橫梁的線剛度與柱的線剛度之比為無(wú)窮大，則上下柱端惟獨(dú)側(cè)移

10、而無(wú)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(shí)，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(lái)表示，稱為D值法。 它的兩項(xiàng)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(dòng)降低柱抵擋側(cè)移的能力，可以按照梁柱線剛度比值計(jì)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(jì)概念原則 框架結(jié)構(gòu)屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)，計(jì)算復(fù)雜，雖然可以依賴計(jì)算機(jī)舉行準(zhǔn)確分析，但務(wù)必建立在概念設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上。對(duì)于框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(duì)脆性的角度以及重要程度兩方面來(lái)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(huì)導(dǎo)致整體或局部結(jié)構(gòu)的坍塌，因此要將柱設(shè)計(jì)得越發(fā)穩(wěn)固；而相對(duì)的梁，因?yàn)槠涫б话悴粫?huì)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的問題，因此相對(duì)次要。另外，因?yàn)橹钠茐目赡芟鄬?duì)脆性的情況，而梁的破壞一般均為延性，因此對(duì)于柱的設(shè)計(jì)，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(jì)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(jì)計(jì)算理論中，桿件設(shè)計(jì)已經(jīng)較為成熟，而節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)尚沒有完美的理論。 強(qiáng)剪弱彎與受彎的破壞