多層框架房屋建筑結構設計問題探討

唐佳良

【摘要】多層框架結構具有結構布置靈活、傳力明確、整體性和抗震性好等優點，可適合多種工藝與使用功能的要求。但在框架結構設計中仍存在著一些概念性和實際性的問題，需要設計人員予以高度重視，文章對多層框架房屋建筑結構設計進行了探討。

【關鍵詞】多層框架；房屋建筑；結構設計

鋼筋混凝土多層框架結構由于具有結構靈活、結構傳力明確、整體性強和抗震能力強等諸多優點被廣泛應用。雖然該種結構形式看上去比較簡單，但設計時若把握不好就會出現很多問題，以下是多層框架結構設計中的經驗總結。

一、框架結構概述

1、多層框架結構布局

結構平面布局和立面體系使各部分剛度均勻對稱，要簡單規則，減少結構產生扭轉的可能性。盡量統一柱網及層高，減少構件各種規格，做到簡化。限制框架結構的高寬比。應考慮溫度變化和混凝土的收縮、地基不均勻沉降等影響。

2、框架尺寸及材料強度

框架梁、柱截面尺寸應根據剛度、承載力及延性等要求確定。初步設計時，通常由經驗或估算先選定截面尺寸，以后進行變形、承載力等驗算，檢查所選尺寸。梁截面尺寸確定：框架結構中框架梁的截面高度hb可根據梁的計算跨度lb、活荷載大等，按hb=（1/18～1/10）lb確定。為了防止梁發生剪切脆性破壞，hb不宜大于1/4凈跨。主梁截面寬度可取bb=（1/3～1/2）hb，且不宜小于200毫米。為了保證梁的側向穩定性，梁截面的高寬比（hb/bb）不宜大于4。

二、多層框架結構房屋的設計

1、計算單元的確定

框架結構房屋是空間結構體系，一般應按三維空間結構進行分析。但對于平面布置較規則的框架結構房屋，為了簡化計算，通常將實際的空間結構簡化為若干個橫向或縱向平面框架進行分析，每榀平面框架為一計算單元。就承受豎向荷載而言，當橫向（縱向）框架承重，且在截取橫向（縱向）框架計算時，全部豎向荷載由橫向（縱向）框架承擔，不考慮縱向（橫向）框架的作用。當縱、橫向框架混合承重時，應根據結構的不同特點進行分析，并對豎向荷載按樓蓋的實際支承情況進行傳遞，這時豎向荷載通常由縱、橫向框架共用承擔。

2、框架結構計算簡圖

在框架結構的計算簡圖中，梁、柱用其軸線表示，梁與柱之間的連接用節點表示，梁或柱的長度用節點間的距離表示，框架柱軸線之間的距離即為框架梁的計算跨度；框架柱的計算高度應為各橫梁形心軸線間的距離，當各層梁截面尺寸相同時，除底層外，柱的計算高度即為各層層高。對于梁、柱、板均為現澆的情況，梁截面的形心線可近似取至板底。對于底層柱的下端，一般取至基礎頂面；當設有整體剛度很大的地下室；且地下室結構的樓層側向剛度不小于相鄰上部結構樓層側向剛度的二倍時，可取至地下室結構的頂板處。在實際工程中，框架柱的截面尺寸通常沿房屋高度變化。當上層柱截面尺寸減小但其形心軸仍與下層柱的形心軸重合時，其計算簡圖與各層柱截面不變時的相同。當上、下層柱截面尺寸不同且形心軸也不重合時，一般采取近似方法，即將頂層柱的形心線作為整個柱子的軸線，在框架結構的內力和變形分析中，各層梁的計算跨度及線剛度仍應按實際情況取；另外，尚應考慮上、下層柱軸線不重合，由上層柱傳來的軸力在變截面處所產生的力矩。此力矩應視為外荷載，與其他豎向荷載一起進行框架內力分析。

3、框架結構上的荷載

作用在高層建筑結構上的荷載有水平荷載和豎向荷載。豎向荷載包括恒載和樓面活荷載，水平荷載包括風荷載和水平地震作用。樓面活荷載作用在高層框架結構上的樓面活荷載，可按《荷載規范》根據房屋及房間的不同用途取用。

4、水平荷載作用下內力計算

水平荷載作用下框架結構內力可用D值法、反彎點法等簡化方法計算。其中D值法的計算精度較高，當梁、柱線剛度比大于3時，反彎點法也有較好的計算精度。D值是框架結構層間柱產生單位相對側移所需施加的水平剪力，可用于框架結構的側移計算和各柱間的剪力分配。D值是在考慮框架梁為有限剛度、梁柱節點有轉動的前提下得到的，故比較接近實際情況。影響柱反彎點高度的主要因素是柱上、下端的約束條件。柱兩端的約束剛度不同，相應的柱端轉角也不相等，反彎點向轉角較大的一端移動，即向約束剛度較小的一端移動。D值法中柱的反彎點位置就是根據這種規律確定的。在水平荷載作用下，框架結構各層產生層間剪力和傾覆力矩。層間剪力使梁、柱產生彎曲變形，引起的框架結構側移曲線具有整體剪切型變形特點；傾覆力矩使框架柱產生軸向拉、壓變形，引起的框架結構側移曲線具有整體彎曲型變形特點。當框架結構房屋較高或其高寬比較大時，宜考慮柱軸向變形對框架結構側移的影響。

5、框架結構的內力與位移計算

分層法：豎向荷載作用下框架結構的受力特點及內力計算假定不考慮框架結構的側移對其內力的影響，每層梁上的荷載僅對本層梁及其上、下柱的內力產生影響，對其他各層梁、柱內力的影響可忽略不計。應當指出，上述假定中所指的內力不包括柱軸力，因為某層梁上的荷載對下部各層柱的軸力均有較大影響，不能忽略。分層法計算要點：將多層框架沿高度分成若干單層無側移的敞口框架，每個敞口框架包括本層梁和與之相連的上、下層柱。梁上作用的荷載、各層柱高及梁跨度均與原結構相同。除底層柱的下端外，其他各柱的柱端應為彈性約束。為便于計算，均將其處理為固定端。這樣將使柱的彎曲變形有所減小，為消除這種影響，可把除底層柱以外的其他各層柱的線剛度乘以修正系數0.9。用無側移框架的計算方法計算各敞口框架的桿端彎矩，由此所得的梁端彎矩即為其最后的彎矩值；因每一柱屬于上、下兩層，所以每一柱端的最終彎矩值需將上、下層計算所得的彎矩值相加。在上、下層柱端彎矩值相加后，將引起新的節點不平衡彎矩，如欲進一步修正，可對這些不平衡彎矩再作一次彎矩分配。如用彎矩分配法計算各敞口框架的桿端彎矩，在計算每個節點周圍各桿件的彎矩分配系數時，應采用修正后的柱線剛度計算；并且底層柱和各層梁的傳遞系數均取1/2，其他各層柱的傳遞系數改用1/3。在桿端彎矩求出后，可用靜力平衡條件計算梁端剪力及梁跨中彎矩；由逐層疊加柱上的豎向荷載和與之相連的梁端剪力，即得柱的軸力。

彎矩二次分配法計算步驟：根據各桿件的線剛度計算各節點的桿端彎矩分配系數，并計算豎向荷載作用下各跨梁的固端彎矩。計算框架各節點的不平衡彎矩，并對所有節點的不平衡彎矩同時進行第一次分配。將所有桿端的分配彎矩同時向其遠端傳遞。將各節點因傳遞彎矩而產生的新的不平衡彎矩進行第二次分配，使各節點處于平衡狀態。至此，整個彎矩分配和傳遞過程即告結束。將各桿端的固端彎矩、分配彎矩和傳遞彎矩疊加，即得各桿端彎矩。

系數法：采用上述兩種方法計算豎向荷載作用下框架結構內力時，需首先確定梁、柱截面尺寸，而且計算過程較為繁復。系數法是一種更簡單的方法，只要給出荷載、框架梁的計算跨度和支承情況，就可很方便地計算出框架梁、柱各控制截面內力。

結語

結構設計中會遇到諸多，需要設計人員積累經驗利用正確的概念進行設計。多層框架房屋建設對于我國建筑行業發展意義重大，因此，本文研究具有非常重要的現實價值。

參考文獻

[1]徐秀麗.混凝土框架結構設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2008（09）

[2]呂曉寅.混凝土房屋結構設計[M].北京：清華大學出版社，2009（05）