框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的力學(xué)問題解析

宋益斌

【摘要】時(shí)下，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用的各項(xiàng)建筑中?？蚣芙Y(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循規(guī)則、對(duì)稱，并應(yīng)具有良好的整體性。本文將從最基本的力學(xué)角度出發(fā)，討論結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的各項(xiàng)環(huán)節(jié)。

【關(guān)鍵詞】鋼筋混凝土框架;力學(xué);突變

概述

在時(shí)下計(jì)算機(jī)越來越普及和功能強(qiáng)大的同時(shí)，大家往往忽視了對(duì)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的最基本的認(rèn)知。這就要求作為一名設(shè)計(jì)人員，基本概念規(guī)范必須清楚，才能算是作為一名合格設(shè)計(jì)人員的前提。框架結(jié)構(gòu)最基本的構(gòu)件為梁板和柱，在層數(shù)較低時(shí)，框架結(jié)構(gòu)具有良好的力學(xué)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(duì)需要有大空間的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則

（1）結(jié)構(gòu)的規(guī)則性和對(duì)稱性

規(guī)則是指框架的設(shè)計(jì)方案應(yīng)簡單，有明確直接的傳力路徑，“規(guī)則”包含了對(duì)建筑的平面、立面和豎向剖面的外形尺寸的規(guī)則性。對(duì)抗側(cè)力構(gòu)件布置、質(zhì)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(xiàn)在平面和立面形狀簡單，抗側(cè)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(duì)稱。即在平面、立面、豎向剖或抗側(cè)力體系上，沒有明顯的實(shí)質(zhì)性的不連續(xù)（突變）。之所以強(qiáng)調(diào)建筑形體的規(guī)則性，是因?yàn)榈卣鸬牟豢深A(yù)知性及地震研究遠(yuǎn)沒有達(dá)到“地震科學(xué)”的水平，抗震設(shè)計(jì)計(jì)算還處在“估算”階段，對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)難以估算其地震時(shí)的反應(yīng)。對(duì)規(guī)則和不規(guī)則的類型在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（10版本）中第3.4.3條做了詳細(xì)的論述。并且對(duì)于不規(guī)則類型結(jié)構(gòu)體系的抗震計(jì)算要求和構(gòu)造設(shè)計(jì)要求都做出了明確的規(guī)定。在電算中，規(guī)則模型的各項(xiàng)控制參數(shù)能夠很容易的調(diào)整到控制參數(shù)以內(nèi)而不需要耗費(fèi)大量的時(shí)間在模型的調(diào)整中。不規(guī)則模型必須要調(diào)整模型到規(guī)定的參數(shù)范圍內(nèi)，對(duì)于規(guī)范范圍內(nèi)的不規(guī)則則要根據(jù)規(guī)范要求對(duì)相應(yīng)的薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng)措施。對(duì)于規(guī)范內(nèi)不滿足的不規(guī)則結(jié)構(gòu)還要進(jìn)行專門的實(shí)驗(yàn)和論證。合理的建筑布置在設(shè)計(jì)中是頭等重要的，提倡平面、立面簡單對(duì)稱。震害調(diào)查表明，簡單、對(duì)稱的建筑在地震時(shí)較不容易破壞，而且道理很簡單，簡單、對(duì)稱的結(jié)構(gòu)容易估計(jì)其地震時(shí)的反應(yīng)，容易有針對(duì)性的采取抗震措施和進(jìn)行細(xì)部處理。

（2）結(jié)構(gòu)的抗震能力

建筑在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足當(dāng)?shù)氐目拐鹪O(shè)防烈度要求，對(duì)于重要的建筑物還要提高設(shè)防等級(jí)。因此結(jié)構(gòu)布置應(yīng)能抵抗地震來襲時(shí)的地震力。就需要地震作用計(jì)算，地震作用計(jì)算是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，也是進(jìn)行構(gòu)件截面設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。地震作用計(jì)算包括水平地震作用計(jì)算和豎向地震作用計(jì)算。在上述兩部分中水平作用計(jì)算是基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算除按規(guī)定進(jìn)行多遇地震下的抗震截面驗(yàn)算外，尚應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的變形驗(yàn)算。

（3）結(jié)構(gòu)整體性

結(jié)構(gòu)的整體性是指結(jié)構(gòu)在抵抗外力時(shí)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(gè)抗側(cè)力構(gòu)件上，并且各抗側(cè)力構(gòu)件還能保持良好的承載能力。但當(dāng)結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件布置不均勻或結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜時(shí)，各抗側(cè)力構(gòu)件的協(xié)同能力就會(huì)不同步，這時(shí)，就需要有足夠剛度的樓蓋來協(xié)同抗側(cè)力構(gòu)件抵抗外力。樓蓋在平面內(nèi)具有足夠的剛度，能夠很好的承擔(dān)，并且樓蓋與各抗側(cè)力構(gòu)件有良好的連接。這就要求在滿足結(jié)構(gòu)抗震作用計(jì)算的基礎(chǔ)上，還要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的抗震構(gòu)造措施來滿足結(jié)構(gòu)體系有很好的整體性和足夠的變形能力。另外基礎(chǔ)的整體性及基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的可靠連接也是體現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體性的重要方面。

2、設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

框架結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件為梁和柱，在工作時(shí)，受彎與受壓同時(shí)存在，并且各受力性能不同的構(gòu)件還會(huì)相互影響。因此，框架設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首要考慮以下四個(gè)環(huán)節(jié)。

（1）基礎(chǔ)問題

基礎(chǔ)問題是建筑物最根本的問題，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的好壞對(duì)建筑物的安全性和經(jīng)濟(jì)性有重大的影響。地基設(shè)計(jì)中最先遇到的問題是基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)等級(jí)問題，按照11版《地基規(guī)范》第3.0.1條規(guī)定，地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)等級(jí)系“根據(jù)地基復(fù)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(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)分為三個(gè)設(shè)計(jì)等級(jí)，據(jù)表3.0.1確定。根據(jù)建筑物的重要程度不同還要對(duì)不同的建筑物基礎(chǔ)進(jìn)行地基進(jìn)行地基變形計(jì)算。在11版《地基規(guī)范》第3.0.2條（強(qiáng)制性條文）規(guī)定，設(shè)計(jì)等級(jí)為甲、乙級(jí)的建筑物，均應(yīng)按地基變形設(shè)計(jì);表3.0.2所列范圍內(nèi)設(shè)計(jì)等級(jí)為丙級(jí)的建筑物可不做變形驗(yàn)算，如有下列情況之一時(shí)，仍應(yīng)作變形驗(yàn)算：1）地基承載力特征值小與130kPa，且體型復(fù)雜的建筑;2）在基礎(chǔ)上及其附近有地面堆載或相鄰基礎(chǔ)荷載差異較大，可能引起地基產(chǎn)生不均勻沉降時(shí);3）軟弱地基上的建筑物存在偏心荷載時(shí);4）相鄰建筑距離過近，可能發(fā)生傾斜時(shí);5）地基內(nèi)有厚度較大或厚薄不均的填土，其自重固結(jié)未完成時(shí)。對(duì)于電算給出的基礎(chǔ)面積，要進(jìn)行人為的判斷，必要時(shí)進(jìn)行手算。

（2）主次梁與柱網(wǎng)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(dān)的彎矩及自身跨度的平方成正比，同時(shí)，與彈性模量和彎曲平面內(nèi)截面慣性矩也成正比。因此在柱網(wǎng)布置時(shí)，優(yōu)先選擇的是矩形柱網(wǎng)以短跨為主梁，長跨為次梁，短跨與長跨的比例應(yīng)小于0.75比較經(jīng)濟(jì)，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(diào)一致，從而保證樓蓋的結(jié)構(gòu)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(jù)房間的布局而定的。

（3）現(xiàn)澆板的考慮

在框架結(jié)構(gòu)中框架梁和板共同工作來抵抗水平荷載的作用，約束柱頂?shù)霓D(zhuǎn)動(dòng)，使柱子產(chǎn)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(fù)彎矩的承載能力。因此在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，梁的剛度并不僅僅是按照梁的截面計(jì)算出的梁剛度，要將板對(duì)梁剛度的貢獻(xiàn)考慮進(jìn)去，這樣，計(jì)算出的結(jié)構(gòu)整體自振周期和框架位移值會(huì)較小，容易滿足計(jì)算規(guī)定。

（4）柱設(shè)計(jì)

柱設(shè)計(jì)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(huì)使截面過大，這樣很容易形成短柱，還會(huì)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(jié)構(gòu)整體的自重會(huì)增大，從而引起地震反應(yīng)增大，造成惡性循環(huán)。所以，設(shè)計(jì)中，軸壓比的控制也是很重要的。

結(jié)束語

對(duì)框架的研究可以提高對(duì)框架結(jié)構(gòu)性能的認(rèn)識(shí)，使的結(jié)構(gòu)具有良好的承載能力。對(duì)框架進(jìn)行力學(xué)分析，可以研究框架受荷過程中各構(gòu)件的變形情況及塑性鉸出現(xiàn)的過程、位置，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，以便進(jìn)行處理。