框架结构设计布置方案与计算

框架结构设计布置方案与计算摘要：本文主要对框架结构的布置特点进行分析与阐述，同时对计算简图的设计原则进行分析，以供广大建筑设计同行参考与探讨。关键词：建筑框架布置计算一、框架建筑结构设计方案布置特点介绍框架建筑结构的布置主要是确定柱在平面上的排列方式也就是柱网布置，选择结构承重方案和构件选型，不仅要满足建筑工程功能的要求，还要确保建筑构体布局规则、受力合理、施工方便。1、柱网与层高民用建筑柱网与层高根据建筑的设计功能来确定，一般情况下住宅、宾馆、办公楼柱网可划分为小柱网和大柱网两种类型，小柱网与大柱网小柱网一般为一个开间设一个柱距，柱距一般为3.3米、3.6米、4米这几种形式，大柱网指两个开间为一个柱距，柱距通常为6米、6.6米、7.2米、7.5米等，常用的跨度房屋进深有4.8米、5.4米、6米、7.5米等，民用建筑层高为2.8-4.8米，公共建筑的层高可以更高。工业建筑柱网尺寸和层高根据生产工作的条件的决定，常用的柱网有内廊式和等跨式两种，内廊式的边跨跨度一般为6-8米，中间跨跨度为2-4米，等跨式跨度一般为6-12米，采用不等跨时，大跨内通常要布置一道纵梁，以承载走道纵墙，层高设计为3.6-5.4米。从有利于结构受力角度来考虑，沿竖向框架柱宜上下连通，结构的侧向刚度宜下大上小。2、框架结构的承重方案（1）横向框架承重。在横向布置主梁，楼板平行于长轴布置，在纵向布置连系梁构成横向框架承重方案，横向框架往往跨数少，由于竖向荷载主要由横向框架承受，横梁截面高度较大，主梁沿横向布置有利于提高结构的横向抗侧刚度，另外，主梁沿横向布置还有利于室内的采光与通风，对预制楼板而言，这样传力比较明确，这样的承重方式在实际结构设计中应用较多。（2）纵向框架承重。在纵向布置主梁，楼板平行于短轴布置，在横向布置连系梁构成纵向框架承重方案，横向框架梁与柱必须形成刚接，该方案楼面荷载由纵向传到柱子，所以横向梁的高度较小，有利于设备的安装与管线的铺设，当在房屋纵向需要较大空间的时候，纵向框架承重方案能够得到很好的室内净高，利用纵向框架的刚度还可以调整该方向的不均匀沉降，另外，该才承重方案还具有传力明确的特点，纵向框架承重方案的缺点是房屋的横向刚度较小，在实际结构设计中运用的不多。（3）纵、横向框架承重。房屋的纵、横向都布置承重框架，楼盖采用现浇双向板或井子梁楼盖，当柱网平面为正方形或者接近正方形、或当楼盖承重荷载加大时，多采用此类承重方案。以上是将框架结构的承重方案视为竖向承重结构来进行讨论的，框架结构同时也是抗侧力结构，可以承受纵、横两个方向的水平荷载如风荷载和水平地震荷载，这就要求纵、横两个方向的框架均应具有一定的侧向刚度和水平承载力，因此高规规定，框架结构应设计成双向梁柱抗侧力体系，主要结构除了个别部位外，不能使用铰接形式。二、梁截面的尺寸计算与柱截面尺寸的计算框架结构的构件选型包括确定构件的尺寸与形式，框架一般是采用高次超静定结构，所以需要落实截面的形式与几何图形后方能进行受力分析与计算。1、梁截面的尺寸计算框架建筑结构中框架梁的截面高度，可以根据梁的计算跨度、活荷载大小等来确定，为了预防梁发生剪切脆性的破坏，高度一般不大于四分之一的梁净跨，主梁截面宽度不宜小于200mm，为了保证梁的侧向稳定性，梁截面的高度比不宜大于4，为了降低楼层高度，可将梁设计成宽度较大而高度较小的扁梁，扁梁的截面宽度与高度的比值不宜大于3，在建筑设计中，如果梁上作用的承载力很大，可选择较大的高跨比，当梁高较小或采用扁梁的时候，除了验算其承载力和受剪截面的要求外，还应验算竖向荷载作用下梁的挠度和裂缝宽度，以确保日常使用的质量安全。在结构内力与位移计算中，与梁一起现浇的楼板可以做为框架梁的边缘，每一侧的冀缘的有效宽度为板厚的6倍，装配整体式楼面可以取等于或大于6倍，无现浇面层的装配式楼面，楼板的作用通常不用考虑，在建筑设计中，为了简化计算，一般情况下近似确定粱面的惯性矩。当采用预制楼板盖时，为减少楼盖结构高度和增加建筑的净空，梁的截面一般为十字型或者花篮型，如果预制梁做成T型截面，在预制梁和预制板安装结束以后，再进行现浇部分混凝土作业，确保后浇筑的混凝土与预制梁结合为整体。2、柱截面尺寸框架柱的截面形式常常为矩形或者正方形，由于一些建筑功能的特殊需要，也有设计为圆形或者其他形状的，一般称之为异形柱，构件的尺寸通常靠设计人员的经验确定，如果选型不科学，就没法满足承载力和其他要求，造成设计失败或者设计工作的返工，确定构件尺寸的时候，第一步要确保构造的要求，并参考工作经验初步进行尺寸的选定，然后进行下一步的承载力的计算，楼盖部分构件的尺寸可以按照后面梁板结构的办法进行敲定，柱的截面尺寸可以先依据其所受的轴力进行估算，再乘以适当的系数进行计算。通常情况下框架柱的截面宽度与高度一般不小于300mm，圆柱截面直径一般不小于350mm，柱截面高度与宽度比一般不大于3，为了防止柱产生剪切破坏，柱净高与截面长边的比例一般不大于4，或者柱的剪跨比不高于2。三、框架结构的计算单元与计算简图介绍框架结构的建筑由梁柱板和基础构成一个空间，一般计算都在三维空间下进行，在实际设计工作中，对于平面布局比较规则的框架结构房屋，为了简便计算方式，一般会把结构简化为若干个横向或者纵向的平面框架结构进行分析与计算，在某一方向的水平荷载作用下，一个框架结构可以看作为若干个平面框架，一起抵抗和平面框架平行的水平荷载，与该方向正面交叉的结构不参与受力。将复杂的空间框架简便为水平框架结构后，需要进一步对平面架构转化为计算模型，这就需要进行框架结构的计算简图。在框架结构的计算简图中，梁柱作用用轴心进行标注，梁柱之间的连接用节点进行标注，梁和柱的长度用节点之间的长度进行标示，对于梁柱板都采用现浇的建筑，梁截面的形心线可以近似取至板底，对于底层柱的下端，一般取值为基础顶面，当设计有整体刚度比较大的地下室，如果地下室结构的楼层侧向刚度大于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍时，可以取至到地下室结构的顶板处，对于斜梁或者折线形的梁，当倾斜度小于八分之一时，在计算简图可以按水平轴线进行取值。在实际建筑结构设计工作中，框架柱的截面尺寸通常根据建筑高度进行变化，当上层柱截面尺寸减小同时其形心轴与下层柱的轴心重合时，这时候的计算简图与各层柱截面不变时候的值相等，当上下层柱截面尺寸不同而且形心轴也不重合，一般采用取近似值的方法，可以用顶层的形心线作为整个柱子的轴线，这时应该注意的是，在框架结构的内力与变形分析中，各层梁的计算跨度以及刚度应按实际数值进行选取，还有一点，还要考虑上下层柱轴心线不重合，由上层柱传来的轴力在变截面处所发生的力矩，该力矩也要认定为外荷载，应该与其他竖向荷载一起进行框架内力的计算与分析。框架结构的建筑由于构件采用类型少，便于进行预制构件的施工，也可以作为现浇机构进行施工，此类结构的建筑物构建简单，便于进行施工、同时功能比较简单实用，在工业、商业建筑领域得到了大量的使用，可以说框架建筑是一种很科学的构造体系，如果墙体材料采用轻质墙体等节能材料时，钢筋混凝土的框架结构可以建造很高的楼房，同时建筑成本低廉，目前还有框架钢结构的建筑形式也在大量的使用，可见框架结构建筑很有实用空间，需要我们在建筑结构设计工作中多总结多学习，为设计出更优秀的框架结构不断努力。参考文献：1、朱莎莎.框架结构原理与设计分析.中国建筑设计2011年度高端论坛文献集.2011.08.2、马德忠.浅析框架建筑结构设计.建筑设计与科技.2010.11.3、刘宝平.工业厂房框架结构分析与应用.工民建施工与管理.2008.02.注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。