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詳解框架結構設計原理
RSS 打印 復制鏈接 發布時間:2019-04-30 16:51:40

 框架結構是多層建筑物最經常使用的結構形式之一,該結構以其傳力明確而簡捷的特點,被結構工程師所青睞。框架結構的構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,其宏觀受力狀況是相同的。在這里,以鋼筋混凝土框架為例,闡述框架結構的各種特點。

框架結構房屋的結構組成

框架結構的組成包括梁、板、柱、以及基礎。
梁與柱的節點為剛節點,個別情況下做成半鉸節點。柱的基礎多為剛性節點基礎,有時做成鉸節點。框架結構屬于超靜定結構,在力學計算中,通常稱之為剛架。

 

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柱是框架的主要承重構件、抗側向力構件,是框架的關鍵構件。框架結構的柱多為矩形,從室內看,一般突出于墻面。近幾年,隨著計算技術的發展,也隨著入們對于室內空間要求的提高,異型柱逐漸流行,“L”、“T”、“十”形狀的柱也有使用。在一些大型建筑中,圓形柱也有采用。


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,并進而通過柱傳遞至基礎;另一方面,梁也在協調著柱的內力,與柱共同承擔豎向與水平荷載,這在框架各種荷載作用下的彎矩與剪力圖上,可以清楚地看到。
框架與框架之間的梁稱為聯系梁,理論上聯系梁不承擔荷載,僅僅連接框架。實際上,聯系梁也要調整框架不均勻的受力作用,促使框架受力更加均衡。同時部分聯系梁也承擔著板所傳來的荷載。


板是不僅直接承擔垂直荷載的構件,而且對于水平荷載,板所起到的作用也是十分重要的。板是重要的保證框架結構空間剛度的構件——板的平面內剛度極大,甚至可以被認為是無窮大,因此可以起到對于各個柱所承擔的側向受力進行整體協調的作用,還可以有效平衡各個框架之間的受力不均勻。在樓梯間處,由于沒有連續的樓板,空間剛度大大折減,要靠四角的柱來穩固這一不利空間,因此很多工程師將樓梯間四角的柱設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,才能保證這種空間剛度,裝配式樓板不能滿足要求,因此對于抗震地區,現澆樓板是必須的。


框架結構的墻體僅僅是填充性的墻體,即為分隔與圍護的作用,不承擔任何重量與作用。沒有墻體,框架結構仍然存在。因此,墻體要與框架可靠的相連,防止在意外受力時被甩出結構,但又要避免連接過密而與框架形成整體工作體系,改變框架的受力狀態。


由于框架柱是各自獨立的將上部荷載傳遞至地面的,可以對于每一根柱單獨設計其基礎,因此框架多采用柱下獨立基礎。但有時由于荷載較大或地基相對軟弱,以及各個獨立基礎下的土層的差異,獨立基礎之間會形成地基的不均勻變形,從而導致地上結構的裂縫;或由于獨立基礎面積過大,在實際施工中已經形成各個基礎的相連狀態,此時設計者也經常選擇柱下條形基礎。
一方面柱下條形基礎可以調整柱之間的受力,是地基承擔的荷載更加均勻,另一方面條形基礎的基底面積要大于獨立基礎,更有利于基礎對于荷載的承擔與分布,提高了基礎的整體性。條形基礎可以設計成單向的平行的條形基礎,也可以設計成相互交叉形式的交叉梁式基礎,后者的整體性更好。
對于較高層的框架結構,或地質狀況相對較軟弱的區域,框架結構的基礎也可以選擇筏板式基礎——以一塊筏板將各個柱子連在一起,協調柱子之間的作用,形成整體性的基礎,更有利于荷載的傳遞。筏板基礎施工極為方便,但是由于筏板較為厚大,混凝土用量較多,因此在選擇時宜慎重。
基礎與基礎之間一般設有基礎梁,其作用是平衡柱所承擔的彎矩,減小基礎由于彎矩作用產生的偏心。

框架結構的計算模型與傳力路徑

計算平面
由于框架結構橫向柱數量較少,剛度較弱,同時也由于計算技術的制約,傳統的框架結構設計多進行橫向平面結構的設計計算, 將橫向的梁在設計中做成框架梁。而相對橫向結構的縱向柱較多,剛度較大,一般僅作構造處理,縱向的框架與框架之間聯結的梁,則被做成聯系梁。但隨著現代建筑體形的復雜化與計算技術的發展,現代框架結構有時已經很難明顯的區分框架梁與聯系梁了。

 

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框架結構一般采取正交矩形柱網的方式,并在整體平面上也形成矩形。當然這并非絕對,計算技術的發展已經可以保證現代的工程技術入員,在面對任何復雜的平面時,均可以做出滿意的設計。

計算荷載傳遞
框架結構中,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,除非特殊荷載,多數垂直荷載被設計成均布荷載,可能直接作用在框架上(樓板搭載框架梁上),也可能通過其他構件(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)。框架結構的垂直荷載通過梁板體系來承擔,進而傳給柱,由柱傳給基礎。
水平荷載主要是由風與地震的作用產生的。由于樓板承擔了建筑中主要的重量,地震時在樓板高度處會產生巨大的地震作用力,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。框架所承擔的風力作用在建筑物的側墻上,進而通過側墻傳遞至承擔墻體的框架梁上,因此風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構是作用于各個層高處的水平集中荷載。

框架結構的內力圖

 

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從內力圖可以看出,框架結構的梁、柱是共同協調受力的,除了等跨結構的中柱在垂直荷載作用下,可以不承擔彎矩以外,其他各種情況下,柱子均要受彎。這對于頂層柱來講,由于軸向作用的荷載較小,而彎矩作用表現得就更加明顯。

框架結構的計算方法簡述
在實際的工程設計中,框架結構的內力基本上采用計算機進行精確分析完成。但手工算法也時有采用,主要是對于簡單的框架進行初步分析,了解手工算法,對于掌握框架結構的力學概念與結構構造,是十分重要的。

1.豎向荷載作用下的近似計算——分層計算法。
由精確分析法與彎矩圖可知,在豎向荷載作用下,多層多跨框架側移較小,各層荷載對其他層桿件的內力影響也較小,因此可以在計算中進行簡化。分層計算法的基本假定為:在豎向荷載作用下,可以忽略框架的側向位移,忽略本層梁上的豎向荷載對于其他各層梁的內力的影響。此時,多層框架可以按單層框架進行求解,在誤差允許的范圍內,大大簡化了計算過程。

2.水平荷載作用下的近似計算——反彎點法。
框架結構所受的水平荷載(地震力、風力)可簡化成節點上的水平集中力。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——彎矩為0的點。如果能求出反彎點的位置和反彎點處的剪力,則框架梁、柱的內力圖即可求出。
當框架橫梁線剛度與柱的線剛度之比大于3時,框架上部各層節點實測轉角很小,可在計算中進行簡化與忽略。在計算中基本假定為:在確定各柱間的剪力分配時,認為框架橫梁的線剛度與柱的線剛度之比為無窮大,則上下柱端只有側移而無轉角,且同一層柱中各端的側移相等;在確定各柱反彎點的位置時,認為除底層外,各層柱的上下端轉角相等。這樣,飯碗點的位置就確定在了柱的中部,采用剪力分配法,就可以求得框架結構的內力圖。(剪力分配法見排架一節)

3.水平荷載作用下的改進反彎點法——D值法。
改進的反彎點法是在分析多層框架受力和變形特點的基礎上,提出修正柱的抗側移剛度和調整反彎點高度的方法。修正后柱的抗側移剛度以D來表示,稱為D值法。
它的兩項改進為:其一,增加了柱的側移剛度修正系數,反映了由于節點轉動降低柱抵抗側移的能力,可以根據梁柱線剛度比值計算柱側移剛度;其二,調整反彎點高度,經分析發現,拄的反彎點高度與該柱上下兩端轉角大小有關,因此柱的反彎點并不一定處于柱的中心高度。
根據D值法,可以更準確的分析出框架結構在側向力作用下的變形與受力。

框架的設計概念原則
框架結構屬于高次超靜定結構,計算復雜,雖然可以依靠計算機進行精確分析,但必須建立在概念設計的基礎之上。對于框架結構設計,其概念原則有以下幾點:

強柱弱梁、強節弱桿、強剪弱彎、強壓弱拉
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果。
強柱弱梁——在結構的破壞過程中,柱的破壞會導致整體或局部結構的坍塌,因此要將柱設計得更加穩固;而相對的梁,由于其失效一般不會導致整體結構的問題,因此相對次要。另外,由于柱的破壞可能出現相對脆性的狀況,而梁的破壞一般均為延性,因此對于柱的設計,要選擇更高的可靠度。
強節弱桿——節點與桿件的設計關系。這一方面在于節點是桿件的聯系,節點破壞要比桿件的破壞嚴重得多;另一方面也在于在現代的設計計算理論中,桿件設計已經較為成熟,而節點設計尚沒有完善的理論。
強剪弱彎——與受彎的破壞過程相比,桿件受剪破壞過程體現出相對的脆性,而且受剪計算的計算公式也體現出更多的經驗性而非理論性,防止受剪破壞是防止結構整體破壞的重點之一。
強壓弱拉——使結構出現更多的受拉特征破壞,是設計的關鍵之一。鋼筋混凝土結構的受壓破壞是混凝土的破壞,屬于脆性;而受拉破壞是鋼筋的屈服破壞,為延性。因此設計者更希望將結構設計成以受拉破壞為特征的體系。

避免使用與框架成整體的小面積剛性墻體
與框架成整體的小面積剛性墻體的剛度要遠大于柱的剛度,會承擔更多的側向作用,因此,剛性墻體會改變框架結構的受力體系,改變結構的傳力過程,使框架結構出現超出設計的破壞,這是很危險的。
柱宜采用正方形對稱配筋,雙向受彎設計,縱向梁不一定為聯系梁
這是因為在抗震地區,地震作用的方向是隨機的,正方形屬于雙向對稱截面,采用雙向對稱受彎設計,更有利于抗震。由于多向隨機的水平作用,各個方向均應設置框架梁。
另外,還要保證框架梁、柱剛性中心線應在一個平面內,避免偏心;避免用梁承擔其他框架梁,同層梁的標高盡量一至,避免較大的高差;同時,框架柱的軸壓比應控制在一定范圍內。

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