多層框架房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問題探討

唐佳良

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

【關(guān)鍵詞】多層框架；房屋建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計

鋼筋混凝土多層框架結(jié)構(gòu)由于具有結(jié)構(gòu)靈活、結(jié)構(gòu)傳力明確、整體性強和抗震能力強等諸多優(yōu)點被廣泛應(yīng)用。雖然該種結(jié)構(gòu)形式看上去比較簡單，但設(shè)計時若把握不好就會出現(xiàn)很多問題，以下是多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中的經(jīng)驗總結(jié)。

一、框架結(jié)構(gòu)概述

1、多層框架結(jié)構(gòu)布局

結(jié)構(gòu)平面布局和立面體系使各部分剛度均勻?qū)ΨQ，要簡單規(guī)則，減少結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的可能性。盡量統(tǒng)一柱網(wǎng)及層高，減少構(gòu)件各種規(guī)格，做到簡化。限制框架結(jié)構(gòu)的高寬比。應(yīng)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(yīng)根據(jù)剛度、承載力及延性等要求確定。初步設(shè)計時，通常由經(jīng)驗或估算先選定截面尺寸，以后進(jìn)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(jié)構(gòu)中框架梁的截面高度hb可根據(jù)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(fā)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(cè)向穩(wěn)定性，梁截面的高寬比（hb/bb）不宜大于4。

二、多層框架結(jié)構(gòu)房屋的設(shè)計

1、計算單元的確定

框架結(jié)構(gòu)房屋是空間結(jié)構(gòu)體系，一般應(yīng)按三維空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。但對于平面布置較規(guī)則的框架結(jié)構(gòu)房屋，為了簡化計算，通常將實際的空間結(jié)構(gòu)簡化為若干個橫向或縱向平面框架進(jìn)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(dāng)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(dān)，不考慮縱向（橫向）框架的作用。當(dāng)縱、橫向框架混合承重時，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同特點進(jìn)行分析，并對豎向荷載按樓蓋的實際支承情況進(jìn)行傳遞，這時豎向荷載通常由縱、橫向框架共用承擔(dān)。

2、框架結(jié)構(gòu)計算簡圖

在框架結(jié)構(gòu)的計算簡圖中，梁、柱用其軸線表示，梁與柱之間的連接用節(jié)點表示，梁或柱的長度用節(jié)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(yīng)為各橫梁形心軸線間的距離，當(dāng)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(xiàn)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(chǔ)頂面；當(dāng)設(shè)有整體剛度很大的地下室；且地下室結(jié)構(gòu)的樓層側(cè)向剛度不小于相鄰上部結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度的二倍時，可取至地下室結(jié)構(gòu)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(dāng)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(dāng)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(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形分析中，各層梁的計算跨度及線剛度仍應(yīng)按實際情況??；另外，尚應(yīng)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(chǎn)生的力矩。此力矩應(yīng)視為外荷載，與其他豎向荷載一起進(jìn)行框架內(nèi)力分析。

3、框架結(jié)構(gòu)上的荷載

作用在高層建筑結(jié)構(gòu)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(fēng)荷載和水平地震作用。樓面活荷載作用在高層框架結(jié)構(gòu)上的樓面活荷載，可按《荷載規(guī)范》根據(jù)房屋及房間的不同用途取用。

4、水平荷載作用下內(nèi)力計算

水平荷載作用下框架結(jié)構(gòu)內(nèi)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(dāng)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(jié)構(gòu)層間柱產(chǎn)生單位相對側(cè)移所需施加的水平剪力，可用于框架結(jié)構(gòu)的側(cè)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(jié)點有轉(zhuǎn)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(yīng)的柱端轉(zhuǎn)角也不相等，反彎點向轉(zhuǎn)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(jù)這種規(guī)律確定的。在水平荷載作用下，框架結(jié)構(gòu)各層產(chǎn)生層間剪力和傾覆力矩。層間剪力使梁、柱產(chǎn)生彎曲變形，引起的框架結(jié)構(gòu)側(cè)移曲線具有整體剪切型變形特點；傾覆力矩使框架柱產(chǎn)生軸向拉、壓變形，引起的框架結(jié)構(gòu)側(cè)移曲線具有整體彎曲型變形特點。當(dāng)框架結(jié)構(gòu)房屋較高或其高寬比較大時，宜考慮柱軸向變形對框架結(jié)構(gòu)側(cè)移的影響。

5、框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與位移計算

分層法：豎向荷載作用下框架結(jié)構(gòu)的受力特點及內(nèi)力計算假定不考慮框架結(jié)構(gòu)的側(cè)移對其內(nèi)力的影響，每層梁上的荷載僅對本層梁及其上、下柱的內(nèi)力產(chǎn)生影響，對其他各層梁、柱內(nèi)力的影響可忽略不計。應(yīng)當(dāng)指出，上述假定中所指的內(nèi)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(cè)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(jié)構(gòu)相同。除底層柱的下端外，其他各柱的柱端應(yīng)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(shù)0.9。用無側(cè)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(jié)點不平衡彎矩，如欲進(jìn)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(jié)點周圍各桿件的彎矩分配系數(shù)時，應(yīng)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(shù)均取1/2，其他各層柱的傳遞系數(shù)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(jù)各桿件的線剛度計算各節(jié)點的桿端彎矩分配系數(shù)，并計算豎向荷載作用下各跨梁的固端彎矩。計算框架各節(jié)點的不平衡彎矩，并對所有節(jié)點的不平衡彎矩同時進(jìn)行第一次分配。將所有桿端的分配彎矩同時向其遠(yuǎn)端傳遞。將各節(jié)點因傳遞彎矩而產(chǎn)生的新的不平衡彎矩進(jìn)行第二次分配，使各節(jié)點處于平衡狀態(tài)。至此，整個彎矩分配和傳遞過程即告結(jié)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(shù)法：采用上述兩種方法計算豎向荷載作用下框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力時，需首先確定梁、柱截面尺寸，而且計算過程較為繁復(fù)。系數(shù)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(nèi)力。

結(jié)語

結(jié)構(gòu)設(shè)計中會遇到諸多，需要設(shè)計人員積累經(jīng)驗利用正確的概念進(jìn)行設(shè)計。多層框架房屋建設(shè)對于我國建筑行業(yè)發(fā)展意義重大，因此，本文研究具有非常重要的現(xiàn)實價值。

參考文獻(xiàn)

[1]徐秀麗.混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008（09）

[2]呂曉寅.混凝土房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009（05）