详解框架结构设计原理

 框架结构是多层建筑物最经常使用的结构形式之一，该结构以其传力明确而简捷的特点，被结构工程师所青睐。框架结构的构件受力形式以受弯为主，杆件可以采用各种延性材料，形成钢框架、钢筋混凝土框架、劲性混凝土框架、木框架等多种框架形式。不论哪一种，其宏观受力状况是相同的。在这里，以钢筋混凝土框架为例，阐述框架结构的各种特点。

框架结构房屋的结构组成

框架结构的组成包括梁、板、柱、以及基础。
梁与柱的节点为刚节点，个别情况下做成半铰节点。柱的基础多为刚性节点基础，有时做成铰节点。框架结构属于超静定结构，在力学计算中，通常称之为刚架。

柱
柱是框架的主要承重构件、抗侧向力构件，是框架的关键构件。框架结构的柱多为矩形，从室内看，一般突出于墙面。近几年，随着计算技术的发展，也随着入们对于室内空间要求的提高，异型柱逐渐流行，“L”、“T”、“十”形状的柱也有使用。在一些大型建筑中，圆形柱也有采用。

梁
梁在框架中起着双重作用，一方面梁承接着板的荷载，并将其传递至柱上，并进而通过柱传递至基础；另一方面，梁也在协调着柱的内力，与柱共同承担竖向与水平荷载，这在框架各种荷载作用下的弯矩与剪力图上，可以清楚地看到。
框架与框架之间的梁称为联系梁，理论上联系梁不承担荷载，仅仅连接框架。实际上，联系梁也要调整框架不均匀的受力作用，促使框架受力更加均衡。同时部分联系梁也承担着板所传来的荷载。

板
板是不仅直接承担垂直荷载的构件，而且对于水平荷载，板所起到的作用也是十分重要的。板是重要的保证框架结构空间刚度的构件——板的平面内刚度极大，甚至可以被认为是无穷大，因此可以起到对于各个柱所承担的侧向受力进行整体协调的作用，还可以有效平衡各个框架之间的受力不均匀。在楼梯间处，由于没有连续的楼板，空间刚度大大折减，要靠四角的柱来稳固这一不利空间，因此很多工程师将楼梯间四角的柱设计成相对较大的尺度。
梁与板一般采用钢筋混凝土整体浇筑，才能保证这种空间刚度，装配式楼板不能满足要求，因此对于抗震地区，现浇楼板是必须的。

墙
框架结构的墙体仅仅是填充性的墙体，即为分隔与围护的作用，不承担任何重量与作用。没有墙体，框架结构仍然存在。因此，墙体要与框架可靠的相连，防止在意外受力时被甩出结构，但又要避免连接过密而与框架形成整体工作体系，改变框架的受力状态。

由于框架柱是各自独立的将上部荷载传递至地面的，可以对于每一根柱单独设计其基础，因此框架多采用柱下独立基础。但有时由于荷载较大或地基相对软弱，以及各个独立基础下的土层的差异，独立基础之间会形成地基的不均匀变形，从而导致地上结构的裂缝；或由于独立基础面积过大，在实际施工中已经形成各个基础的相连状态，此时设计者也经常选择柱下条形基础。
一方面柱下条形基础可以调整柱之间的受力，是地基承担的荷载更加均匀，另一方面条形基础的基底面积要大于独立基础，更有利于基础对于荷载的承担与分布，提高了基础的整体性。条形基础可以设计成单向的平行的条形基础，也可以设计成相互交叉形式的交叉梁式基础，后者的整体性更好。
对于较高层的框架结构，或地质状况相对较软弱的区域，框架结构的基础也可以选择筏板式基础——以一块筏板将各个柱子连在一起，协调柱子之间的作用，形成整体性的基础，更有利于荷载的传递。筏板基础施工极为方便，但是由于筏板较为厚大，混凝土用量较多，因此在选择时宜慎重。
基础与基础之间一般设有基础梁，其作用是平衡柱所承担的弯矩，减小基础由于弯矩作用产生的偏心。

框架结构的计算模型与传力路径

计算平面
由于框架结构横向柱数量较少，刚度较弱，同时也由于计算技术的制约，传统的框架结构设计多进行横向平面结构的设计计算， 将横向的梁在设计中做成框架梁。而相对横向结构的纵向柱较多，刚度较大，一般仅作构造处理，纵向的框架与框架之间联结的梁，则被做成联系梁。但随着现代建筑体形的复杂化与计算技术的发展，现代框架结构有时已经很难明显的区分框架梁与联系梁了。

框架结构一般采取正交矩形柱网的方式，并在整体平面上也形成矩形。当然这并非绝对，计算技术的发展已经可以保证现代的工程技术入员，在面对任何复杂的平面时，均可以做出满意的设计。

计算荷载传递
框架结构中，受力主要是垂直力与水平力两类。垂直荷载源于自重、以及各种活荷载，除非特殊荷载，多数垂直荷载被设计成均布荷载，可能直接作用在框架上（楼板搭载框架梁上），也可能通过其他构件（次梁）以集中荷载的方式传递至框架上（楼板搭在非框架梁的次梁上，再由次梁传递至框架梁上）。框架结构的垂直荷载通过梁板体系来承担，进而传给柱，由柱传给基础。
水平荷载主要是由风与地震的作用产生的。由于楼板承担了建筑中主要的重量，地震时在楼板高度处会产生巨大的地震作用力，因此一般将水平地震荷载简化为作用在楼板高度处的水平集中力。框架所承担的风力作用在建筑物的侧墙上，进而通过侧墙传递至承担墙体的框架梁上，因此风荷载对于框架也可以简化为集中作用。也就是说，水平荷载作用的简化结构是作用于各个层高处的水平集中荷载。

框架结构的内力图

从内力图可以看出，框架结构的梁、柱是共同协调受力的，除了等跨结构的中柱在垂直荷载作用下，可以不承担弯矩以外，其他各种情况下，柱子均要受弯。这对于顶层柱来讲，由于轴向作用的荷载较小，而弯矩作用表现得就更加明显。

框架结构的计算方法简述
在实际的工程设计中，框架结构的内力基本上采用计算机进行精确分析完成。但手工算法也时有采用，主要是对于简单的框架进行初步分析，了解手工算法，对于掌握框架结构的力学概念与结构构造，是十分重要的。

1.竖向荷载作用下的近似计算——分层计算法。
由精确分析法与弯矩图可知，在竖向荷载作用下，多层多跨框架侧移较小，各层荷载对其他层杆件的内力影响也较小，因此可以在计算中进行简化。分层计算法的基本假定为：在竖向荷载作用下，可以忽略框架的侧向位移，忽略本层梁上的竖向荷载对于其他各层梁的内力的影响。此时，多层框架可以按单层框架进行求解，在误差允许的范围内，大大简化了计算过程。

2.水平荷载作用下的近似计算——反弯点法。
框架结构所受的水平荷载（地震力、风力）可简化成节点上的水平集中力。在集中力作用下，框架梁、柱弯矩图均为直线，且杆件都有一个反弯点——弯矩为0的点。如果能求出反弯点的位置和反弯点处的剪力，则框架梁、柱的内力图即可求出。
当框架横梁线刚度与柱的线刚度之比大于3时，框架上部各层节点实测转角很小，可在计算中进行简化与忽略。在计算中基本假定为：在确定各柱间的剪力分配时，认为框架横梁的线刚度与柱的线刚度之比为无穷大，则上下柱端只有侧移而无转角，且同一层柱中各端的侧移相等；在确定各柱反弯点的位置时，认为除底层外，各层柱的上下端转角相等。这样，饭碗点的位置就确定在了柱的中部，采用剪力分配法，就可以求得框架结构的内力图。（剪力分配法见排架一节）

3.水平荷载作用下的改进反弯点法——D值法。
改进的反弯点法是在分析多层框架受力和变形特点的基础上，提出修正柱的抗侧移刚度和调整反弯点高度的方法。修正后柱的抗侧移刚度以D来表示，称为D值法。
它的两项改进为：其一，增加了柱的侧移刚度修正系数，反映了由于节点转动降低柱抵抗侧移的能力，可以根据梁柱线刚度比值计算柱侧移刚度；其二，调整反弯点高度，经分析发现，拄的反弯点高度与该柱上下两端转角大小有关，因此柱的反弯点并不一定处于柱的中心高度。
根据D值法，可以更准确的分析出框架结构在侧向力作用下的变形与受力。

框架的设计概念原则
框架结构属于高次超静定结构，计算复杂，虽然可以依靠计算机进行精确分析，但必须建立在概念设计的基础之上。对于框架结构设计，其概念原则有以下几点：

强柱弱梁、强节弱杆、强剪弱弯、强压弱拉
这是从破坏的延性与相对脆性的角度以及重要程度两方面来考虑的结果。
强柱弱梁——在结构的破坏过程中，柱的破坏会导致整体或局部结构的坍塌，因此要将柱设计得更加稳固；而相对的梁，由于其失效一般不会导致整体结构的问题，因此相对次要。另外，由于柱的破坏可能出现相对脆性的状况，而梁的破坏一般均为延性，因此对于柱的设计，要选择更高的可靠度。
强节弱杆——节点与杆件的设计关系。这一方面在于节点是杆件的联系，节点破坏要比杆件的破坏严重得多；另一方面也在于在现代的设计计算理论中，杆件设计已经较为成熟，而节点设计尚没有完善的理论。
强剪弱弯——与受弯的破坏过程相比，杆件受剪破坏过程体现出相对的脆性，而且受剪计算的计算公式也体现出更多的经验性而非理论性，防止受剪破坏是防止结构整体破坏的重点之一。
强压弱拉——使结构出现更多的受拉特征破坏，是设计的关键之一。钢筋混凝土结构的受压破坏是混凝土的破坏，属于脆性；而受拉破坏是钢筋的屈服破坏，为延性。因此设计者更希望将结构设计成以受拉破坏为特征的体系。

避免使用与框架成整体的小面积刚性墙体
与框架成整体的小面积刚性墙体的刚度要远大于柱的刚度，会承担更多的侧向作用，因此，刚性墙体会改变框架结构的受力体系，改变结构的传力过程，使框架结构出现超出设计的破坏，这是很危险的。
柱宜采用正方形对称配筋，双向受弯设计，纵向梁不一定为联系梁
这是因为在抗震地区，地震作用的方向是随机的，正方形属于双向对称截面，采用双向对称受弯设计，更有利于抗震。由于多向随机的水平作用，各个方向均应设置框架梁。
另外，还要保证框架梁、柱刚性中心线应在一个平面内，避免偏心；避免用梁承担其他框架梁，同层梁的标高尽量一至，避免较大的高差；同时，框架柱的轴压比应控制在一定范围内。