框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理、重要原則和設(shè)計方法

丁維娜

摘 要:在建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計中,框架結(jié)構(gòu)設(shè)計是一項重要組成部分。它保證著建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定、平衡與安全,直接影響著建筑物的質(zhì)量與安全。因此,本文詳細(xì)論述了框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理、重要原則和設(shè)計方法,以保證多層建筑物和高層建筑物的質(zhì)量安全。

關(guān)鍵詞:框架結(jié)構(gòu)基本原理重要原則設(shè)計方法

中圖分類號:TU2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)05(c)-0042-01

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的框架結(jié)構(gòu),是保證建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與安全的重要設(shè)計環(huán)節(jié)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)具有空間分割靈活的特性,可以靈活地配合建筑平面布置實現(xiàn)建筑設(shè)計構(gòu)想,有利于需要較大空間的建筑結(jié)構(gòu)。因此,框架結(jié)構(gòu)設(shè)計在多層建筑物和高層建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計中是非常重要的部分。隨著經(jīng)濟(jì)社會的高速發(fā)展,城市現(xiàn)代化進(jìn)程的加深,多層建筑物和高層建筑物的不斷涌現(xiàn),框架結(jié)構(gòu)設(shè)計已經(jīng)越來越受到業(yè)內(nèi)人士的重視。

1 框架結(jié)構(gòu)的定義和類型

1.1 定義

框架結(jié)構(gòu)是指由梁和柱以剛接或者鉸接相連接而成構(gòu)成承重體系的結(jié)構(gòu),即由梁和柱組成框架共同抵抗適用過程中出現(xiàn)的水平荷載和豎向荷載?？蚣芙Y(jié)構(gòu)是多層房屋的主要結(jié)構(gòu)形式,也是高層建筑的基本結(jié)構(gòu)單元。

1.2 類型

(1)按構(gòu)件組成劃分可分為梁板式結(jié)構(gòu)和無梁式結(jié)構(gòu)兩種兩種類型。

梁板式結(jié)構(gòu)是指由梁、板、柱三種基本構(gòu)件組成的骨架結(jié)構(gòu);無梁式結(jié)構(gòu)是指由板和柱子組成的骨架結(jié)構(gòu)。

(2)按框架的施工方法劃分可分為現(xiàn)澆整體式框架、裝配式框架、半現(xiàn)澆框架及裝配整體框架。

現(xiàn)澆整體式框架是指框架全部構(gòu)件均在現(xiàn)場澆注成整體,具有整體性和抗震性能好、構(gòu)件尺寸不受標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件限制的特點。裝配式框架是指框架全部構(gòu)件采用預(yù)制裝配,具有加快施工進(jìn)度、提供建筑工業(yè)化程度的特點。但是節(jié)點構(gòu)造剛性差,抗震性差。半現(xiàn)澆框架是指梁、柱現(xiàn)澆,樓板預(yù)制或現(xiàn)澆,預(yù)制梁板,具有梁柱整體性好、可節(jié)約模板的特點。裝配整體或框架是指預(yù)制梁、柱裝配時通過局部現(xiàn)澆混凝土使構(gòu)件連接成整體。結(jié)構(gòu)的整體性和抗震性介于現(xiàn)澆和裝配式構(gòu)件之間,保證了節(jié)點的剛度,比現(xiàn)澆形式節(jié)省模板,能夠加快施工進(jìn)度,但也增加了后澆混凝土的工序。

(3)按材料組成區(qū)分可分為鋼框架和混凝土框架

鋼框架是指有鋼梁或鋼柱組成的能承受垂直和水平荷載的結(jié)構(gòu)。混凝土框架是指由混凝土為漢族要材料建造的工程結(jié)構(gòu),包括素混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)等。

2 框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理

在建筑結(jié)構(gòu)中框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理主要包括兩個方面:一是建筑結(jié)構(gòu)的荷載,二是極限狀態(tài)設(shè)計法。

2.1 建筑結(jié)構(gòu)的荷載

荷載:施加在結(jié)構(gòu)上的集中力或分布力,稱之為直接荷載;引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形,稱之為間接荷載。荷載效應(yīng):由作用引起的結(jié)構(gòu)國構(gòu)件的反映。結(jié)構(gòu)抗力:結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受效應(yīng)的能力。

2.2 極限狀態(tài)設(shè)計法

為了保證框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性、耐久性與實用性,必須對其極限狀態(tài)進(jìn)行驗算。同時,這也是框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法。安全性:滿足特定的與建筑物功能相適應(yīng)的承載力極限狀態(tài);耐久性:保證結(jié)構(gòu)的承載力的持續(xù)時間與環(huán)境使用度;實用性:保證結(jié)構(gòu)在正常使用中時具有良好的工作性能。

3 框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要原則

3.1 剛?cè)岵?jì)原則

框架結(jié)構(gòu)太過剛性,則制約了靈活性而影響了變形能力;框架結(jié)構(gòu)太過柔和,則不能保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,容易造成傾覆和滑移問題?？梢?一個合理的建筑物結(jié)構(gòu)應(yīng)該剛?cè)岵?jì),二者相輔相成。那么“鋼”和“柔”應(yīng)該到什么程度,二者最佳的結(jié)合狀態(tài)應(yīng)該如何掌握？成為困擾結(jié)構(gòu)設(shè)計者和專家們的主要問題。盡管我國相關(guān)部門對此制定了一些規(guī)范要求,但是仍不能給出精確答案。所以,在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中,設(shè)計者們應(yīng)該充分地勘測施工現(xiàn)場環(huán)境,收集各種設(shè)計材料,結(jié)合自身多年來的設(shè)計經(jīng)驗,盡可能選擇一個合理的結(jié)合方式。

3.2 多道防線原則

無論任何建筑結(jié)構(gòu)的框架設(shè)計都需要具備完善的安全防護(hù)體系,尤其對于多層建筑和高層建筑來講。這些建筑物往往需要設(shè)置很多層的框架結(jié)構(gòu),更需要層層設(shè)防,做好安全防御功能。當(dāng)?shù)卣鸬绕茐男宰匀粸?zāi)害來臨時,所有抵抗力結(jié)構(gòu)能夠通力合作,最大程度地減低損失。雖然框架結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)點,可還是存在一定的缺點。由于在框架結(jié)構(gòu)中,鋼筋和水泥用量較多、構(gòu)件總量多、工序多、接頭多等,一旦發(fā)生地震,很容易產(chǎn)生水平位移等破壞性影響。這些因素,決定了框架結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)該遵循多道設(shè)防的原則。

3.3 抓大放小原則

所謂的抓大放小,通俗說就是取大舍小。在設(shè)計框架結(jié)構(gòu)的時候,分清楚梁和柱的主次地位,合理地設(shè)計梁和柱的強度。對于建筑結(jié)構(gòu)來講,事實上并不存在絕對安全的結(jié)構(gòu)設(shè)計,只是盡量保證建筑物結(jié)構(gòu)具有最大程度的安全體系。在框架結(jié)構(gòu)中,梁倒了,柱不一定倒,柱倒了,梁也會跟著倒?？梢?柱相對于梁而言,其強度較大。因此,設(shè)計者在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中,可以有意地相對提高柱的強度,保證建筑結(jié)構(gòu)的抵抗外力能力。為什么不能將梁和柱都設(shè)計成一樣的強度呢？因為這樣的設(shè)計,一旦遇到巨大破壞性災(zāi)害,梁和柱有可能一同倒塌,造成的損失是巨大的。例如,在地震發(fā)生的一瞬間,建筑物的梁和柱一起倒塌,人們逃生的時間就會相對減少;假如梁先倒了,而柱沒倒,就可以留給人們更多的逃生時間。因此,在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中經(jīng)常采用“強柱弱梁”和“強剪弱彎”的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3.4 打通關(guān)節(jié)原則

在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中,打通關(guān)節(jié)就是使力量在構(gòu)件與構(gòu)件的接觸位置能夠暢通無阻地運行,形成理想中框架結(jié)構(gòu)體系,從而完成剛?cè)嵯酀?jì)、多道防線和抓大放小設(shè)計概念中的戰(zhàn)略思想。除此之外,打通關(guān)節(jié)還有另外一個目的,就是保持建筑結(jié)構(gòu)永遠(yuǎn)處于靜止?fàn)顟B(tài),或相對靜止?fàn)顟B(tài)。

4 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的設(shè)計方法

在建筑結(jié)構(gòu)框架設(shè)計中,設(shè)計方法主要研究的是結(jié)構(gòu)設(shè)計中各種不確定性因素問題,實現(xiàn)安全可靠與經(jīng)濟(jì)適用之間的平衡。極限狀態(tài)設(shè)計法,就是能夠有效實現(xiàn)該目標(biāo)的設(shè)計方法。極限狀態(tài)設(shè)計法,是按結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到魔種預(yù)定功能要求的極限狀態(tài)為原則的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。分為半概率極限狀態(tài)設(shè)計法和概率極限狀態(tài)設(shè)計法。

功能函數(shù):Z=R-S=g(X1,X2,X3…Xn)

結(jié)構(gòu)分析:Z=R-S>0,表示結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài);

Z=R-S<0,表示結(jié)構(gòu)處于不可靠狀態(tài),結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計失敗;

Z=R-S=0,表示處于極限狀態(tài),因而,此方程式是極限狀態(tài)方程。

5 結(jié)語

在建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計中,框架結(jié)構(gòu)是保證建筑物結(jié)構(gòu)安全與穩(wěn)定的重要設(shè)計內(nèi)容。在本文簡單對其基本原理、重要原則和設(shè)計方法論述的基礎(chǔ)上,相關(guān)設(shè)計人員應(yīng)該更加重視以上內(nèi)容,提高結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學(xué)性與合理性。

參看文獻(xiàn)

[1] 吳曉祥.框架結(jié)構(gòu)設(shè)計若干問題探討[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2010(5).

[2] 范二安.框架結(jié)構(gòu)初步設(shè)計分析[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟(jì),2010(24).