浅析框架结构设计中的力学问题

浅析框架结构设计中的力学问题

张斌

张斌陕西省人防建筑研究设计院陕西西安710061

摘要:钢筋混凝土框架结构拥有诸多优点，在现代工业和民用建筑中得到广泛运用。为了确保工程质量，框架结构在设计中应遵循规则、对称的原则,并应具有良好的整体性。本文将从最基本的力学角度出发，讨论结构设计中的各项环节。

关键词:钢筋混凝土框架力学

1概述

框架结构最基本的构件为梁和柱，在层数较低时，框架结构具有良好的力学性能和使用性能。能够很好的抵抗地震力，并且框架结构的平面布置灵活，可以最大程度的满足使用要求，在大型商场和大型厂房中被广泛使用。

2框架结构的设计原则

2.1结构的规则性

规则是指框架结构的设计方案应简单，有明确直接的传力路径。在电算中，模型的各项控制参数能够很容易的调整到合理的范围以内，而不需要耗费大量的时间在模型的调整中。

2.2结构的对称性

规则性还体现在平面布置规则、对称，并应具有良好的整体性。建筑的立面和竖向剖面宜规则，结构的侧向刚度应变化均匀，竖向抗侧力构件的截面尺寸宜自下而上逐渐减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变，以免出现薄弱层。

2.3结构的抗震能力

建筑在设计时应满足当地的抗震设防烈度，对于重要的建筑物还要提高设防等级。因此结构布置应能抵抗地震来袭时的地震力。抗震设计时，通常是满足两个主轴方向抵抗地震力，因此，在两个主轴方向结构应具有足够的刚度和抗侧力构件。另外，结构的抗扭刚度也应符合规范要求。

2.4结构整体性

结构的整体性是指结构在抵抗外力时的整体协同能力。整体性好的建筑可以将外力传递分散到各个抗侧力构件上，并且各抗侧力构件还能保持良好的承载能力。但当结构抗侧力构件布置不均匀或结构布置复杂时，各抗侧力构件的协同能力就会不同步，这时就需要有足够刚度的楼盖来协同抗侧力构件抵抗外力。楼盖在平面内具有足够的刚度，且其与各抗侧力构件具有良好的连接。另外基础的整体性及基础与上部结构的可靠连接也是体现结构整体性的重要方面。

3设计中的关键环节

框架结构的主要构件为梁和柱，在工作时，受弯与受压同时存在，并且各受力性能不同的构件还会相互影响。因此框架结构在设计时，应首要考虑以下四个环节。

3.1基础问题

基础问题是建筑物最根本的问题，基础设计的好坏对建筑物的安全性和经济性有重大的影响。地基设计中最先遇到的问题是基础的设计等级问题，按照2011版地基规范第3.0.1条规定，地基基础的设计等级系根据地基复杂程度、建筑物规模和功能特征以及由于地基问题可能造成建筑物破坏或影响正常使用程度，将地基基础设计等级分为三个设计等级，据表3.0.1确定。根据建筑物的重要程度不同还要对不同的建筑物基础进行地基变形计算。

2011版地基规范第3.0.2条(强制性条文)规定，设计等级为甲级、乙级的建筑物，均应按地基变形设计；表3.0.3所列范围内设计等级为丙级的建筑物可不做变形验算，如有下列情况之一时，仍应作变形验算:

(1)地基承载力特征值小与130kPa，且体型复杂的建筑；

(2)在基础上及其附近有地面堆载或相邻基础荷载差异较大，可能引起地基产生不均匀沉降时；

(3)软弱地基上的建筑物存在偏心荷载时；

(4)相邻建筑距离过近，可能发生倾斜时；

(5)地基内有厚度较大或厚薄不均的填土，其自重固结未完成时。

对于电算给出的基础面积，要进行人为的判断，必要时进行手算。

3.2主次梁与柱网的布置

框架中的传力途径是楼面荷载通过楼板传给次梁，次梁传给主梁，主梁传给柱子。在建筑方案中，建筑功能要求空间越大越好，也即主次梁占的空间越小越好。而主次梁在支撑和传递荷载的过程中，弯曲变形与它们各自承担的弯矩及自身跨度的平方成正比，同时，与弹性模量和弯曲平面内截面惯性矩也成正比。因此在柱网布置时，优先选择的是矩形柱网以短跨为主梁，长跨为次梁，短跨与长跨的比例应小于0.75比较经济，工程中一般比较常取0.65~0.7，这样主次梁截面高度能协调一致，从而保证楼盖的结构高度最小。但是从房屋的使用功能和建筑布局中，主梁的布置是依据房间的布局而定的。

3.3现浇板的考虑

在框架结构中框架梁和板共同工作来抵抗水平荷载的作用，约束柱顶的转动，使柱子产生自上而下的反弯曲，形成整体。楼板提高了框架梁的截面刚度，还提高了梁端负弯矩的承载能力。因此在进行设计时，梁的刚度并不仅仅是按照梁的截面计算出的梁刚度，要将板对梁刚度的贡献考虑进去，这样计算出的结构整体自振周期和框架位移值会较小，容易满足计算规定。

3.4柱设计

柱设计中容易忽略的是轴压比的控制，一般轴压比满足要求就可以了。但柱子轴压比过大会使截面过大，这样很容易形成短柱，还会占用过多的空间，可能难以满足建筑师的要求。更重要的是结构整体的自重会增大，从而引起地震反应增大，造成恶性循环。所以设计中轴压比的控制也是很重要的。

结束语：对框架的研究可以提高对框架结构性能的认识，使得结构具有良好的承载能力。对框架进行力学分析，可以研究框架受荷过程中各构件的变形情况及塑性铰出现的过程、位置，发现结构的薄弱环节，以便进行处理。

参考文献：

[1]李东生.框架结构设计的力学问题.《建筑设计》.2008.06