框架结构内力计算与设计

　　摘要：框架结构内力计算与设计是建筑结构设计的重要组成部分，对建筑的结构稳定性和安全性有着直接的影响。文章主要介绍了钢筋混凝土框架结构在竖向荷栽以及水平荷栽作用下的内力计算的简化方法。
　　关键词：建筑结构；框架；内力计算
　　
　　框架结构内力计算与设计包括许多方面，要求设计人员在设计的过程中，要结合工程的需要，按照相关的建筑结构标准，完成设计工作。一般来说，框架结构的内力计算和设计，主要可以包括几个方面：结构布置、结构计算、承载作用下的内力计算等几个方面。
　　一、结构布置
　　（一）柱网布置
　　(1)框架结构柱网布置的原则
　　布置框架柱网时，需要进行四个方面的考虑：从满足生产工艺要求、满足建筑平面要求、使结构受力合理和方便施工。通常来说，会把柱子设在建筑纵横轴线的交叉点上，这样做的主要目的是为了减少柱网对建筑使用功能的影响。此外，柱网还跟梁跨度有关，加大柱网尺寸大，能够获得较的大空间，但是这同时也会加大梁柱截面尺寸，所以，在设计时必须要注意结合建筑需要和结构造价进行综合的考虑。在这里还要提出的是在柱网布置时，必须要使结构在竖向荷载作用下内力分布均匀合理，保证各构件材料强度能够充分的发挥，同时要尽量做到方便和加快施工进度，以便能够降低工程造价。
　　(2)框架结构的典型平面
　　框架平面布置框架结构平面都会采用四排柱方案，有等跨式和内廊式。公共建筑或轻型厂房等适用于跨式常；教学楼、办公楼、医院和宾馆等需要有公共走廊的建筑，适用于内廊式。内廊式的边跨跨度l1通常取6～7m，内廊跨度l2取2．4～3m。从受力角度看，如果大受力好，就有利于降低中间支座负弯矩，在构造上也好处理。在相同情况下，等跨式框架梁跨中的最大弯矩、梁支座最大负弯矩及柱端弯矩，都会比内廊式小。
　　(3)框架结构应设计成双向梁柱抗侧力体系
　　从楼板的支承方式上看，框架可分为横向承重框架、纵向承重框架和混合承重框架。但从抗风和抗震角度来看，不管是采用什么承重方案，框架都应该是抗侧力结构。所以，应该设计为钢接框架结构，同时应该尽量保持多次超静定。尤其是在抗震设计中，因为，纵向地震作用与横向地震作用基本一致，所以双向框架梁必须按抗震设计。除个别部位外主体结构，不应采用铰接。任何有抗震设防要求的框架结构，纵向和横向都应该设计为刚接框架，进而形成双向抗侧力体系。
　　至于于单跨框架，在《高层建筑混凝土结构技术规程》中规定：抗震设计的框架结构不宜采用仅有两排柱的单跨框架。这是因为单跨框架的耗能能力比较差，所以超静定次数较少，当柱子在遭遇强震时，不可避免地会出现塑性铰，出现连续倒塌的可能性也相当大。以1999年“9．21”的台湾地震为例，很多单跨框架结构就出现了倒塌。因为有剪力墙作为第一道防线，所以，带剪力墙的单跨框架结构，可不受此限制，不过其高度也不应该太高。
　　（二）梁柱节点的粱偏心处理
　　为确保能够形成可靠的抗侧力结构，避免出现过大的偏心弯矩和柱子的扭转的情况出现，框架梁、柱轴线应该要重合。如果梁柱中心线不能重合时，那在计算中就必须要考虑偏心对梁柱节点核心区受力和构造的不利影响，以及梁荷载对柱子的偏心影响。梁、柱中心线之间的偏心距，9度抗震设计时要控制在柱截面在该方向宽度的1／4以内，如果是非抗震设计和6～8度抗震设计，那就不应该大于柱截面在该方向宽度的1／4。
　　但是，在实际工程中，框架梁、柱中心线不能重合，同时产生偏心的情况是比较常见的。那就要求设计时要进行相应的处理。当外墙贴外柱砌筑时，假如将梁做成L形，用挑出的翼缘承托外墙，那样就可以保持梁的矩形形心线保持和柱子形心重合；而当偏心距大于该方向柱宽的1／4时，就必须要采取梁水平加腋的措施来进行修正。但是，即便是在框架梁设置水平加腋后，还必须要考虑梁柱偏心可能造成的的各种不利影响。根据国内外的经验看，采用水平加腋的方法，可以明显改善梁柱节点的承受反复荷载的性能，是框架内力机构设计中可以考虑的有效方式。
　　（三）框架填充墙
　　如果布置不当，框架结构中的砌体填充墙或围护墙。也可能会造成严重震害。因为填充墙是根据建筑实用要求布置的，其只是在建筑施工图上，但是不知结构施工图上表示，这就容易被结构设计人员忽略。当框架结构在上部若干层布置较多的填充墙，而底部墙体较少，那就可能会形成上、下刚度突变。地震发生时，底部遭到破坏，上部各层塌落下来压在底层上，这无疑就加重了下部各层的损失。所以，在设计中必须要避免出现上、下层钢度变化很大的情况出现。
　　如果外墙的柱子之间有通长的整开间窗台墙，同时还嵌砌在柱子之间，这时柱子的净高会大大的减少，或者可以说已经形成了短柱。当遭遇地震时，窗台以上的柱就可能会出现交叉剪切裂缝的现象，最终引起破坏。事实上，这种震害常常出现，应引起设计师充分重视。在许多工程中，会出现填充墙的布置偏于建筑平面的一侧，从而形成结构平面的刚度偏心的情况。而如果设计时，对这种情况考虑不足，那可能会因为扭转使得地震时产生构件的附加内力增加，使得柱子遭到破坏。
　　因此，《高层规程》中也特别提出，要减少填充墙布置不当造成的结构抗侧刚度偏心。通常情况下，两根柱子之间嵌砌刚度较大的砌体填充墙，都会吸收大部分的地震作用，这样墙两端的柱子的受力就会增大。所以，在设计时就必须要考虑此种情况，对该填充墙端柱适当加强。综上所述，框架结构的填充墙及隔墙宜选用轻质材料墙体。
　　如果框架结构采用砌体填充墙，抗震设计时，结构布置必须要符合下列要求：①避免形成上、下层刚度变化过大；②避免形成短柱；③尽量减少因抗侧刚度偏心所造成的扭转。
　　抗震设计时，为了保证砌体填充墙及隔墙具有自身稳定性，应符合下列要求：①砌体的砂浆强度等级应该大于于M5，墙顶要与框架梁，或者楼板形成密切联系；②砌体填充墙应沿框架柱全高每隔500mm设置2根直径6mm的拉筋。在拉筋伸人墙内长度的设计上，当抗震设防烈度为6、7度时，要大于墙长的1／5，同时不能小于700mm．8、9度时宜沿墙全长贯通；③如果墙长大于5m，那墙顶与梁应该有钢筋拉结；当墙长大于层高的2倍时，应该设置钢筋混凝土构造柱；当墙高超过4m，墙体半高处必须要设置与柱连接且沿墙全长贯通的钢筋混凝土水平系梁。
　　二、结构计算简图
　　（一）计算单元的确定
　　框架结构是一个空间受力体系。在设计中为方便，往往会忽略结构纵向和横向之间的空间联系，把各构件的抗扭作用给忽略掉，把纵向框架和横向框架分别按平面框架进行分析计算。如果横向框架的间距相同，那就意味着作用于中间各横向框架上的荷载相同，则可知框架的抗侧刚度也一样。所以，各榀横向框架都将产生相同的内力与变形（除端部框架外），在结构设计中通常可取中间有代表性的一榀横向框架进行分析。
　　（二）节点的简化
　　通常情况下，根据施工方案和采取的构造措施，框架节点可简化为刚接节点、铰接节点和半铰接节点这三种。
　　刚接节点。根据设计的需要，在现浇钢筋混凝土框架结构中，梁和柱内的纵向受力钢筋都将穿过节点或锚入节点区，都应该尽可能的简化为刚接节点。
　　铰接节点。装配式框架结构则是在梁和柱子的某些部位预埋钢板，构件安装就位后再焊接起来。这样一来，钢板在其自身平面外的刚度很小，而与此同时焊接质量随机性很大，在施工中基本上难以保证结构受力后梁柱间没有相对转动，所以，在设计中往往会把这类节点简化成铰接节点。
　　半铰接节点。在装配整体式框架结构梁柱节点处，梁底的钢筋可以是焊接、搭接或预埋钢板焊接。梁顶钢筋一定要做成焊接或通长布置，同时把在现场浇筑部分混凝土。节点左右梁端均可有效地传递弯矩，因此可认为是刚接节点。
　　三、结束语
　　框架结构内力计算与设计对工程的框架受力有直接的影响。为了保证建筑工程的安全，设计人员在设计时，需要根据工程的实际需要，结合工程的特点，在设计中尽可能的采用安全合理的设计方案，进而保证整个设计的科学合理。
　　
　　参考文献：
　　1薛惠敏.边框架梁的扭矩计算[J].建筑结构，2006年08期
　　2张祥.连续次梁在框架梁中所引起扭矩的计算[J].建筑结构，2009年08期

《框架结构内力计算与设计》

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