详解框架结构设计原理，详解框架结构设计原理是什么

框架结构是多层建筑物最常用的结构形式之一，该结构以其传递力清晰简洁的特点受到结构工程师的青睐。 框架结构构件的受力形式主要为屈曲，构件采用多种延性材料，可以形成钢结构、钢筋混凝土框架、刚性混凝土框架、木框架等多种框架形式。 总之，其宏观受力情况是相同的。 本文以钢筋混凝土框架为例，阐述框架结构的各种特点。

由结构家的结构构成

框架结构的组成包括梁、板、柱和基础。

梁柱节点为刚性节点，个别情况下为半铰接节点。 柱的基础多为刚性节点的基础，有时作为铰接节点。 框架为静定结构，力学计算中通常称为刚架。

柱子

柱是框架的主要承重构件、抗侧力构件，是框架的重要构件。 框架构造柱多为矩形，从室内看一般从墙面突出。 近年来，随着计算技术的发展，对室内空间需求的提高，异形柱逐渐流行起来，甚至使用“L”、“t”、“十”形柱。 一些大建筑物还采用了圆形柱子。

梁

梁在框架中起着双重作用，一方面梁承受板的荷载，将其传递到柱上，再通过柱传递到基础上，另一方面梁也在调整柱的内力，与柱共同承担着纵向和水平的荷载。 框架在各种载荷作用下的弯矩和剪力图中可以清楚地看到这一点。

框架与框架之间的梁称为连梁，理论上连梁不承担荷载，只连接框架。 在实践中，连梁也要调整框架不均匀的受力作用，使框架的受力更均衡。 另外，一些联络梁也承担着来自板块的载荷。

板块

板不仅是直接承担垂直荷载的构件，板对水平荷载的作用也非常重要。 板是保证框架结构空间刚度的重要构件，——板的平面内刚度极大，可以认为是无限大的，因此对各柱承担的侧向受力起整体协调作用，可以有效平衡各框架之间的受力不均。 由于楼梯间没有连续的楼板，空间刚度大大降低，为了用四角柱加固这一不利空间，许多工程师将楼梯四角柱设计成较大的尺度。

梁和板一般采用钢筋混凝土整体浇筑，可以保证该空间的刚度。 装配式地板不能满足要求。 因此，抗震地区需要楼板。

墙壁

框架结构墙体是填充性墙体，是隔断和围护的作用，不承担重量和作用。 没有墙壁，框架结构依然存在。 因此墙体必须与框架可靠连接，避免意外受力时被甩出结构，但避免连接过密与框架形成整体工作体系，改变框架的受力状态。

由于框架柱分别独立将上荷载传递至地面，每根柱均可独立设计基础，故框架多采用柱下独立基础。 但由于荷载大、地基相对薄弱，以及独立基础下土层的不同，可能会导致独立基础之间地基的不均匀变形，导致地面结构裂缝； 或独立基础面积过大，实际施工中已形成各基础的连接状态，设计者也多选择柱下条形基础。

柱下条形基础可以调整柱间的受力，一方面基础受力更均匀，另一方面条形基础的基础面积必须大于独立基础，有利于地基承载力的承担和分布，提高了基础的整体性。 基础可以是单向平行条形基础，也可以是相互交叉形式的交叉梁式基础，后者整体性更好。

对于高层框架结构或地质条件相对薄弱的区域，框架结构基础也可以选择筏板式基础——通过筏板连接各柱，协调柱间作用，形成整体基础，有利于荷载的传递。 虽然筏子基础施工非常方便，但由于筏子板厚，混凝土用量大，所以在选择上很慎重。

基础与地基之间一般设有基础梁，其作用是平衡柱承担的弯矩，减小弯矩作用下基础的偏心。

由结构家的结构构成

计算平面

由于框架结构横柱数量少，刚度弱，且由于计算技术的限制，传统框架结构设计多采用横平面结构的设计计算，在设计过程中将横向梁作为框架梁。 另一方面，相对于横向结构，纵向柱多，刚性大，一般只进行结构处理，纵向框架和框架之间的梁为连接梁。 但随着现代建筑体形的复杂化和计算技术的发展，现代框架结构有时很难明确区分框架梁和连梁。

框架结构一般采用矩形柱网正交的方式，在整体平面上也形成矩形。 当然，这不是绝对的。 计算技术的发展保证了现代工程技术的进入，无论面对怎样复杂的平面都能做出满意的设计。

计算载荷传递

在框架中，受力主要有垂直力和水平力两种。 垂直载荷来自自重和各种活动载荷。 除非有特殊载荷，否则大多数垂直载荷设计为均匀载荷，可能直接作用于框架，也可能作为集中载荷通过其他构件传递到框架。 框架结构的竖向荷载由梁板体系承担，进而传递至柱，再由柱传递至基础。

水平荷载主要由风和地震的作用产生。 由于楼板承担着建筑中的主要重量，地震时楼板高度会产生较大的地震力，因此水平地震荷载一般简化为作用于楼板高度的水平集中力。 框架承担的风力作用于建筑物的侧壁，进而通过侧壁传递到承担墙壁的框架梁，因此风荷载对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层高处的水平集中荷载。

框架结构的内在功夫

从内镜中可以看到，骨架结构的梁、柱都是协同受力的，等跨度结构的中柱在竖向荷载作用下可以不承担弯矩，此外，在其他各种情况下，柱还必须受弯。 这在最上面的柱中，由于作用在轴向上的载荷较小，所以弯矩的作用更为明显。

框架计算方法综述

在实际工程中，框架结构的内力基本上是利用计算机进行精确分析后完成的。 但手工算法也时有采用，主要对简单的框架进行初步分析，了解手工算法，对掌握框架结构的力学概念和结构结构非常重要。

1 .竖向荷载作用下的近似计算——层次计算法。

由精确分析法和弯沉图可知，在竖向荷载作用下，多层多跨向框架侧移动小，各层荷载对其他层构件内力的影响也小，计算中可以简化。 分层计算法的基本前提是竖向荷载作用下，框架侧向位移被忽略，主层梁上竖向荷载对其他各层梁内力的影响被忽略。 在这种情况下，多层帧可以按单层帧求解，在误差允许的范围内，计算过程将大大简化。

2 .水平荷载作用下的近似计算——反弯点法。

框架结构上的水平载荷简化为节点处的水平集中力。 在集中力作用下，框架梁、柱弯矩图均为直线，杆件均有弯矩为0的点。 只要能求出反弯点的位置和反弯点处的剪力，就能求出框架梁、柱的内力。

当框架横梁的线刚度与柱线刚度之比大于3时，框架上部各层节点的实测转角较小，可以在计算中进行简化和忽略。 计算中基本上确定各柱间剪力分配时，考虑到框架梁的线刚度与柱线刚度之比无限大，假设上下柱端只有横向移动而没有棱角，同一层柱各端的横向移动相等； 在确定各柱拐点位置时，除下层外，各层柱上下端的角均相等。 据此，碗的位置确定在柱子的中央部，采用剪力分配法就可以求出框架结构的内向性。

3 .水平荷载作用下的改进反弯点法——D值法。

在分析多层框架受力和变形特点的基础上，提出了改进的反弯点法修正柱抗侧移刚度和调整反弯点高度的方法。 柱后相对于横向移动的刚性用d表示，称为d值法。

其两个改进：一是增加了柱的侧移刚度修正系数，反映了节点转动对柱侧移的阻力，可以根据梁柱线刚度比计算柱的侧移刚度； 其二，调整拐点高度，通过分析发现，拐杖拐点的高度与其柱上下两端角的大小有关，因此柱的拐点不一定位于柱中心的高度。

通过D值法可以较准确地分析框架结构在侧向力作用下的变形和受力。

框架设计概念原则

结构属于高阶超静定结构，计算复杂，可以依靠计算机进行准确分析，但必须建立在概念设计的基础上。 关于框架结构设计，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

这是从被破坏的延性和相对脆性的角度和重要度两方面考虑的结果。

强柱弱梁——在结构破坏过程中，柱的破坏会导致整体或局部结构的倒塌，所以将柱设计得更牢固； 与此相对，梁的故障一般不会导致整体结构的问题，因此是相对次要的。 另外，柱的破坏可能会出现相对脆性的情况，但梁的破坏一般是延性的，因此对于柱的设计，需要选择更高的可靠度。

强节弱杆——节点与杆的设计关系。 一方面在于节点是棒材的连接，节点的破坏比棒材的破坏严重得多，另一方面在于现代设计计算理论中杆设计已经成熟，但节点设计还没有完善的理论。

强剪弱弯——与受弯破坏过程相比，杆件的受剪破坏过程具有相对脆性，且受剪计算公式多为经验性，防止受剪破坏是防止结构整体破坏的关键之一。

强压弱拉——使结构破坏更多的拉伸特征，是设计的关键之一。 钢筋混凝土结构受压破坏是混凝土的破坏，是脆性的； 拉伸破坏是钢筋的屈服破坏，是延性的。 因此，设计者希望将结构设计成以拉伸破坏为特征的体系。

避免使用与框架一体化的小面积刚性墙体

与框架一体化的小面积刚性墙体的刚度远大于柱的刚度，承担更多的侧向作用。 因此，刚性墙体改变框架结构的受力体系，改变结构的传递过程，对框架结构造成超过设计的破坏是很危险的。

柱宜采用正方形对称配筋，设计成双向弯曲，纵梁不一定是联络梁

这是因为在抗震区，地震作用方向是随机的，正方形为双向对称截面，采用双向对称受弯设计有利于抗震。 由于多方向的随机水平作用，各方向都必须设置框架梁。

并保证框架梁、柱刚度中心线在一个平面内，避免偏心； 梁不承担其他框架梁，同层梁标高尽量提高，避免出现较大高差； 另外，框架柱的轴压比应控制在一定范围内。

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