框架結構設計的基本原理、重要原則和設計方法

丁維娜

摘 要:在建筑物結構設計中,框架結構設計是一項重要組成部分。它保證著建筑結構的穩定、平衡與安全,直接影響著建筑物的質量與安全。因此,本文詳細論述了框架結構設計的基本原理、重要原則和設計方法,以保證多層建筑物和高層建筑物的質量安全。

關鍵詞:框架結構基本原理重要原則設計方法

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

建筑結構設計中的框架結構,是保證建筑物結構穩定與安全的重要設計環節。框架結構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建筑設計構想,有利于需要較大空間的建筑結構。因此,框架結構設計在多層建筑物和高層建筑物的結構設計中是非常重要的部分。隨著經濟社會的高速發展,城市現代化進程的加深,多層建筑物和高層建筑物的不斷涌現,框架結構設計已經越來越受到業內人士的重視。

1 框架結構的定義和類型

1.1 定義

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

1.2 類型

(1)按構件組成劃分可分為梁板式結構和無梁式結構兩種兩種類型。

梁板式結構是指由梁、板、柱三種基本構件組成的骨架結構;無梁式結構是指由板和柱子組成的骨架結構。

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

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

(3)按材料組成區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構。混凝土框架是指由混凝土為漢族要材料建造的工程結構,包括素混凝土結構、鋼筋混凝土結構、預應力混凝土結構等。

2 框架結構設計的基本原理

在建筑結構中框架結構設計的基本原理主要包括兩個方面:一是建筑結構的荷載,二是極限狀態設計法。

2.1 建筑結構的荷載

荷載:施加在結構上的集中力或分布力,稱之為直接荷載;引起結構外加變形或約束變形,稱之為間接荷載。荷載效應:由作用引起的結構國構件的反映。結構抗力:結構或結構構件承受效應的能力。

2.2 極限狀態設計法

為了保證框架結構設計的安全性、耐久性與實用性,必須對其極限狀態進行驗算。同時,這也是框架結構設計的方法。安全性:滿足特定的與建筑物功能相適應的承載力極限狀態;耐久性:保證結構的承載力的持續時間與環境使用度;實用性:保證結構在正常使用中時具有良好的工作性能。

3 框架結構設計的重要原則

3.1 剛柔并濟原則

框架結構太過剛性,則制約了靈活性而影響了變形能力;框架結構太過柔和,則不能保證結構的穩定,容易造成傾覆和滑移問題。可見,一個合理的建筑物結構應該剛柔并濟,二者相輔相成。那么“鋼”和“柔”應該到什么程度,二者最佳的結合狀態應該如何掌握？成為困擾結構設計者和專家們的主要問題。盡管我國相關部門對此制定了一些規范要求,但是仍不能給出精確答案。所以,在框架結構設計的過程中,設計者們應該充分地勘測施工現場環境,收集各種設計材料,結合自身多年來的設計經驗,盡可能選擇一個合理的結合方式。

3.2 多道防線原則

無論任何建筑結構的框架設計都需要具備完善的安全防護體系,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置很多層的框架結構,更需要層層設防,做好安全防御功能。當地震等破壞性自然災害來臨時,所有抵抗力結構能夠通力合作,最大程度地減低損失。雖然框架結構具有很多優點,可還是存在一定的缺點。由于在框架結構中,鋼筋和水泥用量較多、構件總量多、工序多、接頭多等,一旦發生地震,很容易產生水平位移等破壞性影響。這些因素,決定了框架結構設計應該遵循多道設防的原則。

3.3 抓大放小原則

所謂的抓大放小,通俗說就是取大舍小。在設計框架結構的時候,分清楚梁和柱的主次地位,合理地設計梁和柱的強度。對于建筑結構來講,事實上并不存在絕對安全的結構設計,只是盡量保證建筑物結構具有最大程度的安全體系。在框架結構中,梁倒了,柱不一定倒,柱倒了,梁也會跟著倒。可見,柱相對于梁而言,其強度較大。因此,設計者在框架結構設計中,可以有意地相對提高柱的強度,保證建筑結構的抵抗外力能力。為什么不能將梁和柱都設計成一樣的強度呢？因為這樣的設計,一旦遇到巨大破壞性災害,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,在框架結構設計中經常采用“強柱弱梁”和“強剪弱彎”的結構設計。

3.4 打通關節原則

在框架結構設計中,打通關節就是使力量在構件與構件的接觸位置能夠暢通無阻地運行,形成理想中框架結構體系,從而完成剛柔相濟、多道防線和抓大放小設計概念中的戰略思想。除此之外,打通關節還有另外一個目的,就是保持建筑結構永遠處于靜止狀態,或相對靜止狀態。

4 建筑結構設計的設計方法

在建筑結構框架設計中,設計方法主要研究的是結構設計中各種不確定性因素問題,實現安全可靠與經濟適用之間的平衡。極限狀態設計法,就是能夠有效實現該目標的設計方法。極限狀態設計法,是按結構或構件達到魔種預定功能要求的極限狀態為原則的工程結構設計方法。分為半概率極限狀態設計法和概率極限狀態設計法。

功能函數:Z=R-S=g(X1,X2,X3…Xn)

結構分析:Z=R-S>0,表示結構處于可靠狀態;

Z=R-S<0,表示結構處于不可靠狀態,結構框架結構設計失敗;

Z=R-S=0,表示處于極限狀態,因而,此方程式是極限狀態方程。

5 結語

在建筑物結構設計中,框架結構是保證建筑物結構安全與穩定的重要設計內容。在本文簡單對其基本原理、重要原則和設計方法論述的基礎上,相關設計人員應該更加重視以上內容,提高結構設計的科學性與合理性。

參看文獻

[1] 吳曉祥.框架結構設計若干問題探討[J].中國新技術新產品,2010(5).

[2] 范二安.框架結構初步設計分析[J].科技情報開發與經濟,2010(24).