框架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)介紹
框架結(jié)構(gòu)是多層建筑物最經(jīng)常使用的結(jié)構(gòu)形式之一，該結(jié)構(gòu)以其傳力明確而簡捷的特點(diǎn)，被結(jié)構(gòu)工程師所青睞?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的構(gòu)件受力形式以受彎為主，桿件可以采用各種延性材料，形成鋼框架、鋼筋混凝土框架、勁性混凝土框架、木框架等多種框架形式。不論哪一種，其宏觀受力狀況是相同的。在這里，以鋼筋混凝土框架為例，闡述框架結(jié)構(gòu)的各種特點(diǎn)。
框架結(jié)構(gòu)房屋的結(jié)構(gòu)組成
框架結(jié)構(gòu)的組成包括梁、板、柱、以及基礎(chǔ)。
梁與柱的節(jié)點(diǎn)為剛節(jié)點(diǎn)，個(gè)別情況下做成半鉸節(jié)點(diǎn)。柱的基礎(chǔ)多為剛性節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)，有時(shí)做成鉸節(jié)點(diǎn)。框架結(jié)構(gòu)屬于超靜定結(jié)構(gòu)，在力學(xué)計(jì)算中，通常稱之為剛架。
柱
柱是框架的主要承重構(gòu)件、抗側(cè)向力構(gòu)件，是框架的關(guān)鍵構(gòu)件。框架結(jié)構(gòu)的柱多為矩形，從室內(nèi)看，一般突出于墻面。近幾年，隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，也隨著入們對于室內(nèi)空間要求的提高，異型柱逐漸流行，“l”、“t”、“十”形狀的柱也有使用。在一些大型建筑中，圓形柱也有采用。
梁
梁在框架中起著雙重作用，一方面梁承接著板的荷載，并將其傳遞至柱上，并進(jìn)而通過柱傳遞至基礎(chǔ)；另一方面，梁也在協(xié)調(diào)著柱的內(nèi)力，與柱共同承擔(dān)豎向與水平荷載，這在框架各種荷載作用下的彎矩與剪力圖上，可以清楚地看到。
框架與框架之間的梁稱為聯(lián)系梁，理論上聯(lián)系梁不承擔(dān)荷載，僅僅連接框架。實(shí)際上，聯(lián)系梁也要調(diào)整框架不均勻的受力作用，促使框架受力更加均衡。同時(shí)部分聯(lián)系梁也承擔(dān)著板所傳來的荷載。
墻
框架結(jié)構(gòu)的墻體僅僅是填充性的墻體，即為分隔與圍護(hù)的作用，不承擔(dān)任何重量與作用。沒有墻體，框架結(jié)構(gòu)仍然存在。因此，墻體要與框架可靠的相連，防止在意外受力時(shí)被甩出結(jié)構(gòu)，但又要避免連接過密而與框架形成整體工作體系，改變框架的受力狀態(tài)。
由于框架柱是各自獨(dú)立的將上部荷載傳遞至地面的，可以對于每一根柱單獨(dú)設(shè)計(jì)其基礎(chǔ)，因此框架多采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)。但有時(shí)由于荷載較大或地基相對軟弱，以及各個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)下的土層的差異，獨(dú)立基礎(chǔ)之間會形成地基的不均勻變形，從而導(dǎo)致地上結(jié)構(gòu)的裂縫；或由于獨(dú)立基礎(chǔ)面積過大，在實(shí)際施工中已經(jīng)形成各個(gè)基礎(chǔ)的相連狀態(tài)，此時(shí)設(shè)計(jì)者也經(jīng)常選擇柱下條形基礎(chǔ)。
一方面柱下條形基礎(chǔ)可以調(diào)整柱之間的受力，是地基承擔(dān)的荷載更加均勻，另一方面條形基礎(chǔ)的基底面積要大于獨(dú)立基礎(chǔ)，更有利于基礎(chǔ)對于荷載的承擔(dān)與分布，提高了基礎(chǔ)的整體性。條形基礎(chǔ)可以設(shè)計(jì)成單向的平行的條形基礎(chǔ)，也可以設(shè)計(jì)成相互交叉形式的交叉梁式基礎(chǔ)，后者的整體性更好。
對于較高層的框架結(jié)構(gòu)，或地質(zhì)狀況相對較軟弱的區(qū)域，框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)也可以選擇筏板式基礎(chǔ)——以一塊筏板將各個(gè)柱子連在一起，協(xié)調(diào)柱子之間的作用，形成整體性的基礎(chǔ)，更有利于荷載的傳遞。筏板基礎(chǔ)施工極為方便，但是由于筏板較為厚大，混凝土用量較多，因此在選擇時(shí)宜慎重。
基礎(chǔ)與基礎(chǔ)之間一般設(shè)有基礎(chǔ)梁，其作用是平衡柱所承擔(dān)的彎矩，減小基礎(chǔ)由于彎矩作用產(chǎn)生的偏心。
框架結(jié)構(gòu)房屋的結(jié)構(gòu)組成
計(jì)算平面
由于框架結(jié)構(gòu)橫向柱數(shù)量較少，剛度較弱，同時(shí)也由于計(jì)算技術(shù)的制約，傳統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多進(jìn)行橫向平面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算， 將橫向的梁在設(shè)計(jì)中做成框架梁。而相對橫向結(jié)構(gòu)的縱向柱較多，剛度較大，一般僅作構(gòu)造處理，縱向的框架與框架之間聯(lián)結(jié)的梁，則被做成聯(lián)系梁。但隨著現(xiàn)代建筑體形的復(fù)雜化與計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代框架結(jié)構(gòu)有時(shí)已經(jīng)很難明顯的區(qū)分框架梁與聯(lián)系梁了。
框架結(jié)構(gòu)一般采取正交矩形柱網(wǎng)的方式，并在整體平面上也形成矩形。當(dāng)然這并非絕對，計(jì)算技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)可以保證現(xiàn)代的工程技術(shù)入員，在面對任何復(fù)雜的平面時(shí)，均可以做出滿意的設(shè)計(jì)。
計(jì)算荷載傳遞
框架結(jié)構(gòu)中，受力主要是垂直力與水平力兩類。垂直荷載源于自重、以及各種活荷載，除非特殊荷載，多數(shù)垂直荷載被設(shè)計(jì)成均布荷載，可能直接作用在框架上（樓板搭載框架梁上），也可能通過其他構(gòu)件（次梁）以集中荷載的方式傳遞至框架上（樓板搭在非框架梁的次梁上，再由次梁傳遞至框架梁上）?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的垂直荷載通過梁板體系來承擔(dān)，進(jìn)而傳給柱，由柱傳給基礎(chǔ)。
水平荷載主要是由風(fēng)與地震的作用產(chǎn)生的。由于樓板承擔(dān)了建筑中主要的重量，地震時(shí)在樓板高度處會產(chǎn)生巨大的地震作用力，因此一般將水平地震荷載簡化為作用在樓板高度處的水平集中力?？蚣芩袚?dān)的風(fēng)力作用在建筑物的側(cè)墻上，進(jìn)而通過側(cè)墻傳遞至承擔(dān)墻體的框架梁上，因此風(fēng)荷載對于框架也可以簡化為集中作用。也就是說，水平荷載作用的簡化結(jié)構(gòu)是作用于各個(gè)層高處的水平集中荷載。
框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力圖
從內(nèi)力圖可以看出，框架結(jié)構(gòu)的梁、柱是共同協(xié)調(diào)受力的，除了等跨結(jié)構(gòu)的中柱在垂直荷載作用下，可以不承擔(dān)彎矩以外，其他各種情況下，柱子均要受彎。這對于頂層柱來講，由于軸向作用的荷載較小，而彎矩作用表現(xiàn)得就更加明顯。
框架結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法簡述
在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力基本上采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行精確分析完成。但手工算法也時(shí)有采用，主要是對于簡單的框架進(jìn)行初步分析，了解手工算法，對于掌握框架結(jié)構(gòu)的力學(xué)概念與結(jié)構(gòu)構(gòu)造，是十分重要的。
1.豎向荷載作用下的近似計(jì)算——分層計(jì)算法。
由精確分析法與彎矩圖可知，在豎向荷載作用下，多層多跨框架側(cè)移較小，各層荷載對其他層桿件的內(nèi)力影響也較小，因此可以在計(jì)算中進(jìn)行簡化。分層計(jì)算法的基本假定為：在豎向荷載作用下，可以忽略框架的側(cè)向位移，忽略本層梁上的豎向荷載對于其他各層梁的內(nèi)力的影響。此時(shí)，多層框架可以按單層框架進(jìn)行求解，在誤差允許的范圍內(nèi)，大大簡化了計(jì)算過程。
2.水平荷載作用下的近似計(jì)算——反彎點(diǎn)法。
框架結(jié)構(gòu)所受的水平荷載（地震力、風(fēng)力）可簡化成節(jié)點(diǎn)上的水平集中力。在集中力作用下，框架梁、柱彎矩圖均為直線，且桿件都有一個(gè)反彎點(diǎn)——彎矩為0的點(diǎn)。如果能求出反彎點(diǎn)的位置和反彎點(diǎn)處的剪力，則框架梁、柱的內(nèi)力圖即可求出。
當(dāng)框架橫梁線剛度與柱的線剛度之比大于3時(shí)，框架上部各層節(jié)點(diǎn)實(shí)測轉(zhuǎn)角很小，可在計(jì)算中進(jìn)行簡化與忽略。在計(jì)算中基本假定為：在確定各柱間的剪力分配時(shí)，認(rèn)為框架橫梁的線剛度與柱的線剛度之比為無窮大，則上下柱端只有側(cè)移而無轉(zhuǎn)角，且同一層柱中各端的側(cè)移相等；在確定各柱反彎點(diǎn)的位置時(shí)，認(rèn)為除底層外，各層柱的上下端轉(zhuǎn)角相等。這樣，飯碗點(diǎn)的位置就確定在了柱的中部，采用剪力分配法，就可以求得框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力圖。（剪力分配法見排架一節(jié)）
3.水平荷載作用下的改進(jìn)反彎點(diǎn)法——d值法。
改進(jìn)的反彎點(diǎn)法是在分析多層框架受力和變形特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出修正柱的抗側(cè)移剛度和調(diào)整反彎點(diǎn)高度的方法。修正后柱的抗側(cè)移剛度以d來表示，稱為d值法。
它的兩項(xiàng)改進(jìn)為：其一，增加了柱的側(cè)移剛度修正系數(shù)，反映了由于節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動降低柱抵抗側(cè)移的能力，可以根據(jù)梁柱線剛度比值計(jì)算柱側(cè)移剛度；其二，調(diào)整反彎點(diǎn)高度，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，拄的反彎點(diǎn)高度與該柱上下兩端轉(zhuǎn)角大小有關(guān)，因此柱的反彎點(diǎn)并不一定處于柱的中心高度。
根據(jù)d值法，可以更準(zhǔn)確的分析出框架結(jié)構(gòu)在側(cè)向力作用下的變形與受力。
框架的設(shè)計(jì)概念原則
框架結(jié)構(gòu)屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)，計(jì)算復(fù)雜，雖然可以依靠計(jì)算機(jī)進(jìn)行精確分析，但必須建立在概念設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上。對于框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其概念原則有以下幾點(diǎn)：
強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)弱桿、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)壓弱拉
這是從破壞的延性與相對脆性的角度以及重要程度兩方面來考慮的結(jié)果。
強(qiáng)柱弱梁——在結(jié)構(gòu)的破壞過程中，柱的破壞會導(dǎo)致整體或局部結(jié)構(gòu)的坍塌，因此要將柱設(shè)計(jì)得更加穩(wěn)固；而相對的梁，由于其失效一般不會導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的問題，因此相對次要。另外，由于柱的破壞可能出現(xiàn)相對脆性的狀況，而梁的破壞一般均為延性，因此對于柱的設(shè)計(jì)，要選擇更高的可靠度。
強(qiáng)節(jié)弱桿——節(jié)點(diǎn)與桿件的設(shè)計(jì)關(guān)系。這一方面在于節(jié)點(diǎn)是桿件的聯(lián)系，節(jié)點(diǎn)破壞要比桿件的破壞嚴(yán)重得多；另一方面也在于在現(xiàn)代的設(shè)計(jì)計(jì)算理論中，桿件設(shè)計(jì)已經(jīng)較為成熟，而節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)尚沒有完善的理論。
強(qiáng)剪弱彎——與受彎的破壞過程相比，桿件受剪破壞過程體現(xiàn)出相對的脆性，而且受剪計(jì)算的計(jì)算公式也體現(xiàn)出更多的經(jīng)驗(yàn)性而非理論性，防止受剪破壞是防止結(jié)構(gòu)整體破壞的重點(diǎn)之一。
強(qiáng)壓弱拉——使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)更多的受拉特征破壞，是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受壓破壞是混凝土的破壞，屬于脆性；而受拉破壞是鋼筋的屈服破壞，為延性。因此設(shè)計(jì)者更希望將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成以受拉破壞為特征的體系。
避免使用與框架成整體的小面積剛性墻體
與框架成整體的小面積剛性墻體的剛度要遠(yuǎn)大于柱的剛度，會承擔(dān)更多的側(cè)向作用，因此，剛性墻體會改變框架結(jié)構(gòu)的受力體系，改變結(jié)構(gòu)的傳力過程，使框架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)超出設(shè)計(jì)的破壞，這是很危險(xiǎn)的。
柱宜采用正方形對稱配筋，雙向受彎設(shè)計(jì)，縱向梁不一定為聯(lián)系梁
這是因?yàn)樵诳拐鸬貐^(qū)，地震作用的方向是隨機(jī)的，正方形屬于雙向?qū)ΨQ截面，采用雙向?qū)ΨQ受彎設(shè)計(jì)，更有利于抗震。由于多向隨機(jī)的水平作用，各個(gè)方向均應(yīng)設(shè)置框架梁。
另外，還要保證框架梁、柱剛性中心線應(yīng)在一個(gè)平面內(nèi)，避免偏心；避免用梁承擔(dān)其他框架梁，同層梁的標(biāo)高盡量一至，避免較大的高差；同時(shí)，框架柱的軸壓比應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。