框架結構設計中的力學問題解析

宋益斌

【摘要】時下，鋼筋混凝土框架結構廣泛應用于工業(yè)與民用的各項建筑中。框架結構在設計中應遵循規(guī)則、對稱，并應具有良好的整體性。本文將從最基本的力學角度出發(fā)，討論結構設計中的各項環(huán)節(jié)。

【關鍵詞】鋼筋混凝土框架;力學;突變

概述

在時下計算機越來越普及和功能強大的同時，大家往往忽視了對結構概念設計的最基本的認知。這就要求作為一名設計人員，基本概念規(guī)范必須清楚，才能算是作為一名合格設計人員的前提。框架結構最基本的構件為梁板和柱，在層數較低時，框架結構具有良好的力學性能和使用性能。能夠很好的抵抗傳來的地震力，并且框架的平面布置靈活，對需要有大空間的結構體系可以最大程度的滿足使用要求，在大型商場和大型廠房中被廣泛使用。

1、框架結構的設計原則

（1）結構的規(guī)則性和對稱性

規(guī)則是指框架的設計方案應簡單，有明確直接的傳力路徑，“規(guī)則”包含了對建筑的平面、立面和豎向剖面的外形尺寸的規(guī)則性。對抗側力構件布置、質量分布，直至承載力分布等諸多因素的綜合要求，規(guī)則的建筑方案體現在平面和立面形狀簡單，抗側力體系的剛度和承載力上下變化連續(xù)、均勻、平面布置基本對稱。即在平面、立面、豎向剖或抗側力體系上，沒有明顯的實質性的不連續(xù)（突變）。之所以強調建筑形體的規(guī)則性，是因為地震的不可預知性及地震研究遠沒有達到“地震科學”的水平，抗震設計計算還處在“估算”階段，對復雜結構難以估算其地震時的反應。對規(guī)則和不規(guī)則的類型在《建筑抗震設計規(guī)范》（10版本）中第3.4.3條做了詳細的論述。并且對于不規(guī)則類型結構體系的抗震計算要求和構造設計要求都做出了明確的規(guī)定。在電算中，規(guī)則模型的各項控制參數能夠很容易的調整到控制參數以內而不需要耗費大量的時間在模型的調整中。不規(guī)則模型必須要調整模型到規(guī)定的參數范圍內，對于規(guī)范范圍內的不規(guī)則則要根據規(guī)范要求對相應的薄弱部位進行加強措施。對于規(guī)范內不滿足的不規(guī)則結構還要進行專門的實驗和論證。合理的建筑布置在設計中是頭等重要的，提倡平面、立面簡單對稱。震害調查表明，簡單、對稱的建筑在地震時較不容易破壞，而且道理很簡單，簡單、對稱的結構容易估計其地震時的反應，容易有針對性的采取抗震措施和進行細部處理。

（2）結構的抗震能力

建筑在設計時應滿足當地的抗震設防烈度要求，對于重要的建筑物還要提高設防等級。因此結構布置應能抵抗地震來襲時的地震力。就需要地震作用計算，地震作用計算是結構設計的重要內容，也是進行構件截面設計的重要依據。地震作用計算包括水平地震作用計算和豎向地震作用計算。在上述兩部分中水平作用計算是基礎。結構抗震驗算除按規(guī)定進行多遇地震下的抗震截面驗算外，尚應進行相應的變形驗算。

（3）結構整體性

結構的整體性是指結構在抵抗外力時的整體協(xié)同能力。整體性好的建筑可以將外力傳遞分散到各個抗側力構件上，并且各抗側力構件還能保持良好的承載能力。但當結構抗側力構件布置不均勻或結構布置復雜時，各抗側力構件的協(xié)同能力就會不同步，這時，就需要有足夠剛度的樓蓋來協(xié)同抗側力構件抵抗外力。樓蓋在平面內具有足夠的剛度，能夠很好的承擔，并且樓蓋與各抗側力構件有良好的連接。這就要求在滿足結構抗震作用計算的基礎上，還要對結構進行必要的抗震構造措施來滿足結構體系有很好的整體性和足夠的變形能力。另外基礎的整體性及基礎與上部結構的可靠連接也是體現結構整體性的重要方面。

2、設計中的關鍵環(huán)節(jié)

框架結構的主要構件為梁和柱，在工作時，受彎與受壓同時存在，并且各受力性能不同的構件還會相互影響。因此，框架設計時，應首要考慮以下四個環(huán)節(jié)。

（1）基礎問題

基礎問題是建筑物最根本的問題，基礎設計的好壞對建筑物的安全性和經濟性有重大的影響。地基設計中最先遇到的問題是基礎的設計等級問題，按照11版《地基規(guī)范》第3.0.1條規(guī)定，地基基礎的設計等級系“根據地基復雜程度、建筑無規(guī)模和功能特征以及由于地基問題可能造成建筑物破壞或影響正常使用程度”，將地基基礎設計等級分為三個設計等級，據表3.0.1確定。根據建筑物的重要程度不同還要對不同的建筑物基礎進行地基進行地基變形計算。在11版《地基規(guī)范》第3.0.2條（強制性條文）規(guī)定，設計等級為甲、乙級的建筑物，均應按地基變形設計;表3.0.2所列范圍內設計等級為丙級的建筑物可不做變形驗算，如有下列情況之一時，仍應作變形驗算：1）地基承載力特征值小與130kPa，且體型復雜的建筑;2）在基礎上及其附近有地面堆載或相鄰基礎荷載差異較大，可能引起地基產生不均勻沉降時;3）軟弱地基上的建筑物存在偏心荷載時;4）相鄰建筑距離過近，可能發(fā)生傾斜時;5）地基內有厚度較大或厚薄不均的填土，其自重固結未完成時。對于電算給出的基礎面積，要進行人為的判斷，必要時進行手算。

（2）主次梁與柱網的布置

框架中的傳力途徑是樓面荷載通過樓板傳給次梁，次梁傳給主梁，主梁傳給柱子。在建筑方案中，建筑功能要求空間越大越好，也即主次梁占的空間越小越好。而主次梁在支撐和傳遞荷載的過程中，彎曲變形與它們各自承擔的彎矩及自身跨度的平方成正比，同時，與彈性模量和彎曲平面內截面慣性矩也成正比。因此在柱網布置時，優(yōu)先選擇的是矩形柱網以短跨為主梁，長跨為次梁，短跨與長跨的比例應小于0.75比較經濟，工程中一般比較常取0.65～0.7，這樣主次梁截面高度能協(xié)調一致，從而保證樓蓋的結構高度最小。但是從房屋的使用功能和建筑布局中，主梁的布置是依據房間的布局而定的。

（3）現澆板的考慮

在框架結構中框架梁和板共同工作來抵抗水平荷載的作用，約束柱頂的轉動，使柱子產生自上而下的反彎曲，形成整體。樓板提高了框架梁的截面剛度，還提高了梁端負彎矩的承載能力。因此在進行設計時，梁的剛度并不僅僅是按照梁的截面計算出的梁剛度，要將板對梁剛度的貢獻考慮進去，這樣，計算出的結構整體自振周期和框架位移值會較小，容易滿足計算規(guī)定。

（4）柱設計

柱設計中容易忽略的是軸壓比的控制，一般軸壓比滿足要求就可以了。但柱子軸壓比過大會使截面過大，這樣很容易形成短柱，還會占用過多的空間，可能難以滿足建筑師的要求。更重要的是結構整體的自重會增大，從而引起地震反應增大，造成惡性循環(huán)。所以，設計中，軸壓比的控制也是很重要的。

結束語

對框架的研究可以提高對框架結構性能的認識，使的結構具有良好的承載能力。對框架進行力學分析，可以研究框架受荷過程中各構件的變形情況及塑性鉸出現的過程、位置，發(fā)現結構的薄弱環(huán)節(jié)，以便進行處理。