浅谈多层框架房屋建筑结构设计

张文靖

【摘要：】本文主要分析了多层框架房屋建筑结构设计的研究现状和计算方法，然后结合工程实例探讨了多层框架房屋建筑结构的设计。

【关键词：】多层框架；房屋建筑；结构设计

引言

框架结构是人们追求大空间、低成本的建筑空间的产物，满足了人们不断追求使用个性化的要求。框架形式多样，在建筑中等跨或不等跨、层高各异、抽梁抽柱等，为建筑提供了灵活的使用空间，同时框架结构的承载力较低，属于柔性结构，自振周期较长，地震反应较小，经过合理的布局和结构设计可以具有较好的延性性能。框架结构的这些优点，促进了其在住宅、公共建筑等方面的发展。

1 多层框架房屋建筑结构设计研究现状和优缺点分析

1.1 框架结构的定义及设计研究的现状

（1）框架结构的定义

框架结构主要是指由立柱和横梁组成的杆件体系，其节点全部或大部分为刚架或铰接。框架结构主要用于多层住宅、办公楼、厂房、旅馆等，其特点是双向柱网拉接，也可局部抽梁或抽柱。框架结构的种类按不同的标准可分为不同的类型，按照施工方法可以分为装配式、整体式和装配整体式，按照楼层数可分为单层、多层和高层，另外框架结构的布置方式主要包括横向承重、纵向承重和纵横双向承重。

（2）框架设计研究的现状

目前，框架结构设计的研究主要侧重于设计的计算理论、计算机软硬件、材料研究和结构型式等方面。

设计的计算理论方面，基于概率论和数理统计分析的可靠度理论有待完善，混凝土的微观断裂机理和多轴强度理论、非线性变形的计算理论等方面突破不够；计算机软硬件方面。随着计算机的普及和功能的多样化，各类结构CAD软件系统的开发及应用，使建筑结构设计的时间和工作量减少，从而提高经济效益；材料研究方面，目前主要侧重于研究易成型、耐久、高强的高性能混凝土和高强、防腐、延性好的钢筋；结构型式方面。预应力混凝土结构由于抗裂性好、高强度材料利用程度高而发展迅速，高性能新型组合结构由于材料强度利用充分、延性好、施工简单而得到广泛应用。

1.2 多層框架房屋建筑结构设计优缺点分析

（1）框架结构的优点

框架结构的优点主要体现在：第一，结构轻巧，便于布置。框架结构的空间分隔比较多样，可以灵活地配合建筑平面布置，有利于安排需要较大空间的建筑结构；第二，框架整体性较好。相比于砖混结构和内框架结构，多层框架结构的整体性更好；第三，能形成大的使用空间。建筑平面的布置更加灵活，方便安排较大的空间结构；第四，施工方便。框架结构的梁、柱构件易于标准化、定型化，便于采用装配整体式结构，施工更方便；第五，造价、成本低。多层框架结构自重轻，节省材料，施工方便，便于缩短施工工期，降低施工成本。

（2）框架结构的缺点

框架结构虽然存在诸多优点，但是也存在着一些局限性，其主要表现在以下两个方面：第一，建筑高度受限：多层框架结构灵活性较强，但是不应用于高层建筑；第二，抗震性能低：框架结构节点应力集中显著，框架结构的侧向刚度小，属柔性结构框架，在强烈地震作用下，结构所产生水平位移较大，易造成严重的非结构性破坏，因此，在抗震要求比较高时，选择框架结构及其设计要谨慎。

2 多层框架房屋建筑计算方法

2.1 竖向荷载作用下内力计算

内力计算时，在竖向荷载作用下框架结构的内力可用分层法、弯矩二次分配法等近似方法计算。分层法在分层计算时，将上、下柱远端的弹性支承改为固定端，同时将除底层外的其他各层柱的线刚度乘以系数0.9，相应地柱的弯矩传递系数由1/2 改为1/3，底层柱和各层梁的线刚度不变且其弯矩传递系数仍为1/2。弯矩二次分配法是先对各节点的不平衡弯矩都进行分配（其间不传递），然后对各杆件的远端进行传递。分层法和弯矩二次分配法的计算精度较高，可用于工程设计。

2.2 水平荷载作用下内力计算

水平荷载作用下框架结构内力可用D 值法、反弯点法等简化方法计算。各种计算方式中D 值法的计算精度较高，但当梁、柱线刚度比大于3 时，反弯点法也有较好的计算精度。D 值是框架结构层间柱产生单位相对侧移所需施加的水平剪力，可用于框架结构的侧移计算和各柱间的剪力分配。D 值是在考虑框架梁为有限刚度、梁柱节点有转动的前提下得到的，故比较接近实际情况。柱的反弯点是D值法的特例，反弯点位置也可根据以下规律确定：影响柱反弯点高度的主要因素是柱上、下端的约束条件。柱两端的约束刚度不同，相应的柱端转角也不相等，反弯点向转角较大的一端移动，即向约束刚度较小的一端移动。

2.3 软件辅助计算

在手算前，用广厦结构CAD等软件对初选方案进行结构刚度、效应分析、杆件内力标准值的计算，基本掌握模型建立、荷载输入、参数确定、整体计算、结果分析等各重要环节。如若电算通过，则继续进行手算；若不通过，则应变换截面尺寸，直至电算通过。此外，还可利用SAP2000 等数值分析软件，对设计方案进行建模模拟，验算内力、变形等。

3 多层框架房屋建筑结构设计实例分析

3.1 多层框架房屋建设结构设计原始资料

某办公楼建筑，室外气温：年平均气温最冷月份-20℃，年平均气温最高月份25℃；冻土深度：最大冻土深度为1.2m；基本雪压：0.40kN/m2；基本风压：0.25kN/m2；地质资料：20m 以上为轻亚粘土，f=210kPa，地下水位深18m。抗震设防烈度为Ⅶ度，设计基本地震加速度值为0.10g，场地设计分组为第三组，场地土类型为Ⅱ类。地面粗糙度类别C 类。建筑场地：70m×40m。

提供的建筑材料：钢筋：HPB300 级，HRB335 级，HRB400～HRB500级。混凝土：C30～C40。砌体（填充墙）：加气砌块、空心砌块，强度等级≥MU7.5（加气砌块、空心砌块容重不大于8kN/m3），采用M7.5 混合砂浆砌筑。焊条：HPB300 级（准）级钢筋用E43××焊条，HRB400 级（准）级钢筋用E60××焊条。

3.2 多层框架房屋建筑物组成及功能要求

办公大楼拟建6 层总建筑面积3000～5000m2 左右。其中办公室：35～45m2 左右，50 个左右；会议室：80～90m2 左右，2 个，分布在上部。设电梯一部，入口门庭两层通高。要求采用框架结构，建筑设计要求有标志性并体现时代气息。建筑物防火等级为二级。

3.3 多层框架房屋建筑结构设计步骤

（1） 建筑设计部分

平面设计：合理确定平面柱网尺寸；布置房间；确定楼（电）梯数量、位置及形式；满足室内采光、通风要求。剖面设计：确定合理层高；给出楼（地）面、屋面、墙身工程做法。立面设计：建筑风格、造型应富有创意，有时代感。要求完成的建筑施工图有：首层平面图（1：100）；标准层平面图（1：100）；建筑详图（50 或1：25）；立面图（1：100 或1：50）：正立面、侧立面；剖面图（1：100 或1：50，剖切位置必须在楼梯部位）；建筑设计说明书（在建筑设计说明中，应说明自己所选取的方案的设计意图，注意从平、立、剖等方面分别说明）。

（2） 结构设计部分

首先，结构选型方面，可以根据建筑设计方案及设计原始资料，选择适当的结构体系；其次，确定承重方案，框架结构的平面布置形式非常的灵活，按照承重方式的不同分为横向框架承重方案、纵向框架承重方案、纵横向框架混合承重方案三种类型；最后，合理进行结构布置，可以先确定柱在平面上的排列方式，一般柱网有内廊式和等跨式两种，确定好排列方式后，再合理布置结构构件，初步確定材料强度等级及构件截面尺寸。要确定构件的截面尺寸，只能先估算，等构件的内力和结构的变形计算好后，如果估算的截面尺寸符合要求，便以估算的截面尺寸作为框架的最终截面尺寸。如果所需的截面尺寸与估算的截面尺寸相差很大，则要重新估算和重新进行计算。结构内力分析及构件设计：根据现行国家设计规范，计算结构荷载及地震作用；手算完成结构一个主轴方向的内力分析，进行框架梁、柱、的内力组合，完成构件截面设计；同时，可采用工程设计软件计算结构构件的内力及配筋，进行正误对比（如图2 为某工程卫生间处错误配筋图和卫生间处正确配筋图），并与手算结果进行对比分析，以选择出更合理有效的正确配筋图，完善设计内容。同时，完成楼梯梯板梯梁、附属结构级细部大样的计算和配筋，组合好后绘制结构施工图。

4 结束语

随着社会发发展，人们在生产和生活过程中，对大空间的要求越来越高，同时又希望最大化的节约成本，而多层框架房屋建筑结构具有大空间、布局灵活、节省材料的特点，恰好可以满足人们个性化的要求，因此框架结构的设计研究具有广阔的前景。但是发展和研究的过程中，必然会遇到困难，比如在设计中会遇到一些规范或规程未论及的问题，这就需要专业设计人员不断探索、积累经验，设计出理想的多层框架房屋建筑结构，从而促进我国建筑行业的良性发展，也体现出这一课题的现实意义。

参考文献

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