框架结构设计的基本原理、重要原则和设计方法

丁维娜

摘 要:在建筑物结构设计中,框架结构设计是一项重要组成部分。它保证着建筑结构的稳定、平衡与安全,直接影响着建筑物的质量与安全。因此,本文详细论述了框架结构设计的基本原理、重要原则和设计方法,以保证多层建筑物和高层建筑物的质量安全。

关键词:框架结构基本原理重要原则设计方法

中图分类号:TU2 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)05(c)-0042-01

建筑结构设计中的框架结构,是保证建筑物结构稳定与安全的重要设计环节。框架结构具有空间分割灵活的特性,可以灵活地配合建筑平面布置实现建筑设计构想,有利于需要较大空间的建筑结构。因此,框架结构设计在多层建筑物和高层建筑物的结构设计中是非常重要的部分。随着经济社会的高速发展,城市现代化进程的加深,多层建筑物和高层建筑物的不断涌现,框架结构设计已经越来越受到业内人士的重视。

1 框架结构的定义和类型

1.1 定义

框架结构是指由梁和柱以刚接或者铰接相连接而成构成承重体系的结构,即由梁和柱组成框架共同抵抗适用过程中出现的水平荷载和竖向荷载。框架结构是多层房屋的主要结构形式,也是高层建筑的基本结构单元。

1.2 类型

(1)按构件组成划分可分为梁板式结构和无梁式结构两种两种类型。

梁板式结构是指由梁、板、柱三种基本构件组成的骨架结构;无梁式结构是指由板和柱子组成的骨架结构。

(2)按框架的施工方法划分可分为现浇整体式框架、装配式框架、半现浇框架及装配整体框架。

现浇整体式框架是指框架全部构件均在现场浇注成整体,具有整体性和抗震性能好、构件尺寸不受标准构件限制的特点。装配式框架是指框架全部构件采用预制装配,具有加快施工进度、提供建筑工业化程度的特点。但是节点构造刚性差,抗震性差。半现浇框架是指梁、柱现浇,楼板预制或现浇,预制梁板,具有梁柱整体性好、可节约模板的特点。装配整体或框架是指预制梁、柱装配时通过局部现浇混凝土使构件连接成整体。结构的整体性和抗震性介于现浇和装配式构件之间,保证了节点的刚度,比现浇形式节省模板,能够加快施工进度,但也增加了后浇混凝土的工序。

(3)按材料组成区分可分为钢框架和混凝土框架

钢框架是指有钢梁或钢柱组成的能承受垂直和水平荷载的结构。混凝土框架是指由混凝土为汉族要材料建造的工程结构,包括素混凝土结构、钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构等。

2 框架结构设计的基本原理

在建筑结构中框架结构设计的基本原理主要包括两个方面:一是建筑结构的荷载,二是极限状态设计法。

2.1 建筑结构的荷载

荷载:施加在结构上的集中力或分布力,称之为直接荷载;引起结构外加变形或约束变形,称之为间接荷载。荷载效应:由作用引起的结构国构件的反映。结构抗力:结构或结构构件承受效应的能力。

2.2 极限状态设计法

为了保证框架结构设计的安全性、耐久性与实用性,必须对其极限状态进行验算。同时,这也是框架结构设计的方法。安全性:满足特定的与建筑物功能相适应的承载力极限状态;耐久性:保证结构的承载力的持续时间与环境使用度;实用性:保证结构在正常使用中时具有良好的工作性能。

3 框架结构设计的重要原则

3.1 刚柔并济原则

框架结构太过刚性,则制约了灵活性而影响了变形能力;框架结构太过柔和,则不能保证结构的稳定,容易造成倾覆和滑移问题。可见,一个合理的建筑物结构应该刚柔并济,二者相辅相成。那么“钢”和“柔”应该到什么程度,二者最佳的结合状态应该如何掌握？成为困扰结构设计者和专家们的主要问题。尽管我国相关部门对此制定了一些规范要求,但是仍不能给出精确答案。所以,在框架结构设计的过程中,设计者们应该充分地勘测施工现场环境,收集各种设计材料,结合自身多年来的设计经验,尽可能选择一个合理的结合方式。

3.2 多道防线原则

无论任何建筑结构的框架设计都需要具备完善的安全防护体系,尤其对于多层建筑和高层建筑来讲。这些建筑物往往需要设置很多层的框架结构,更需要层层设防,做好安全防御功能。当地震等破坏性自然灾害来临时,所有抵抗力结构能够通力合作,最大程度地减低损失。虽然框架结构具有很多优点,可还是存在一定的缺点。由于在框架结构中,钢筋和水泥用量较多、构件总量多、工序多、接头多等,一旦发生地震,很容易产生水平位移等破坏性影响。这些因素,决定了框架结构设计应该遵循多道设防的原则。

3.3 抓大放小原则

所谓的抓大放小,通俗说就是取大舍小。在设计框架结构的时候,分清楚梁和柱的主次地位,合理地设计梁和柱的强度。对于建筑结构来讲,事实上并不存在绝对安全的结构设计,只是尽量保证建筑物结构具有最大程度的安全体系。在框架结构中,梁倒了,柱不一定倒,柱倒了,梁也会跟着倒。可见,柱相对于梁而言,其强度较大。因此,设计者在框架结构设计中,可以有意地相对提高柱的强度,保证建筑结构的抵抗外力能力。为什么不能将梁和柱都设计成一样的强度呢？因为这样的设计,一旦遇到巨大破坏性灾害,梁和柱有可能一同倒塌,造成的损失是巨大的。例如,在地震发生的一瞬间,建筑物的梁和柱一起倒塌,人们逃生的时间就会相对减少;假如梁先倒了,而柱没倒,就可以留给人们更多的逃生时间。因此,在框架结构设计中经常采用“强柱弱梁”和“强剪弱弯”的结构设计。

3.4 打通关节原则

在框架结构设计中,打通关节就是使力量在构件与构件的接触位置能够畅通无阻地运行,形成理想中框架结构体系,从而完成刚柔相济、多道防线和抓大放小设计概念中的战略思想。除此之外,打通关节还有另外一个目的,就是保持建筑结构永远处于静止状态,或相对静止状态。

4 建筑结构设计的设计方法

在建筑结构框架设计中,设计方法主要研究的是结构设计中各种不确定性因素问题,实现安全可靠与经济适用之间的平衡。极限状态设计法,就是能够有效实现该目标的设计方法。极限状态设计法,是按结构或构件达到魔种预定功能要求的极限状态为原则的工程结构设计方法。分为半概率极限状态设计法和概率极限状态设计法。

功能函数:Z=R-S=g(X1,X2,X3…Xn)

结构分析:Z=R-S>0,表示结构处于可靠状态;

Z=R-S<0,表示结构处于不可靠状态,结构框架结构设计失败;

Z=R-S=0,表示处于极限状态,因而,此方程式是极限状态方程。

5 结语

在建筑物结构设计中,框架结构是保证建筑物结构安全与稳定的重要设计内容。在本文简单对其基本原理、重要原则和设计方法论述的基础上,相关设计人员应该更加重视以上内容,提高结构设计的科学性与合理性。

参看文献

[1] 吴晓祥.框架结构设计若干问题探讨[J].中国新技术新产品,2010(5).

[2] 范二安.框架结构初步设计分析[J].科技情报开发与经济,2010(24).