关于框架结构内力计算与框架梁截面设计的探讨

　　摘要：框架结构内力计算与设计是建筑框架结构设计的重要组成部分，这一部分处于框架设计的核心地位，对框架结构的稳定性具有不可忽视的影响。文章将就框架结构内力计算与设计的方法和原则进行相关的探讨。
　　关键词：建筑结构；框架结构；内力计算与设计
　　在框架内力计算中，钢筋混凝土框架结构在竖向荷栽，以及水平荷栽作用下的内力计算的简化方法是主要的内容。框架内力组合的基本原理，以及梁、柱的内力组合目标、组合方法、框架截面设计的基本构造要求和基本规定，以及框架抗震承栽力验算的表达式和方法等也是决定设计的主要因素。文章主要是就结构布置与计算简图、竖向荷载作用下的内力计算、框架梁截面设计与构造要求进行探讨。
　　一、结构布置与计算简图
　　（一）结构布置
　　1、柱网布置
　　(1)框架结构柱网布置的原则。在进行框架柱网的布置过程中，表现要考虑四个方面，即要从满足生产工艺要求、满足建筑平面要求、使结构受力合理和方便施工这四个方面。通常情况下，会把柱子设在建筑纵横轴线的交叉点上，这样才能有效的减少柱网对建筑使用功能的影响。当然，在设计中不能忽视的一点是柱网与梁跨度是密切有关的，如果柱网尺寸大，那就能够获得更大的空间，不过这同时会加大梁柱截面尺寸，所以在设计时，必须要结合建筑需要和结构造价综合考虑。在柱网布置的过程中，需要考虑到使结构在竖向荷载作用下内力分布均匀合理，保证各构件材料强度都能够充分利用。此外，还需要尽量做到方便和加快施工进度，以便能够更好的降低工程造价。
　　(2)框架结构的典型平面
　　框架结构平面通常会多采用四排柱方案，主要有两种形式，即等跨式和内廊式。等跨式一般在公共建筑或轻型厂房中使用；内廊式通常适用于办公楼、教学楼、医院和宾馆等需要有公共走廊的建筑中。内廊式的边跨跨度L1通常控制在6～7m之间，内廊跨度L2取2．4～3m。如果考虑受力角度，L2大那受力就好，这就有利于降低中间支座负弯矩，构造上也好处理。在条件一致的情况下，等跨式框架梁跨中的最大弯矩、梁支座最大负弯矩及柱端弯矩一般都会比内廊式小。
　　(3)框架结构应设计成双向梁柱抗侧力体系
　　从框架按楼板的支承方式的角度上看，可分为三种，即横向承重框架、纵向承重框架和混合承重框架。不过从抗风和抗
　　震的角度看，不管是选择哪种承重方案，框架都必须是抗侧力结构，所以都需要设计成刚接框架结构，同时还需要保持尽可能多次超静定。尤其是在抗震设计中，由于纵向地震作用与横向地震作用大致相同，所以双向框架梁就需要必须按相关的抗震要求进行设计。一般来说，主体结构除个别部位外，都不宜采用铰接。对有抗震设防要求的框架结构，纵向和横向都应该设计为刚接框架，使之成为双向抗侧力体系。
　　2．关于单跨框架
　　《高层建筑混凝土结构技术规程》明确规定：抗震设计的框架结构不宜采用仅有两排柱的单跨框架。这是主要是因为单跨框架的耗能能力不强，所以超静定次数少，假设柱子在强震时无法避免地出现塑性铰，那就很有可能出现连续倒塌的可能。1999年“9．21”的台湾集集地震，就有不少单跨框架结构倒塌的震害实例。带剪力墙的单跨框架结构，由于有剪力墙作为第一道防线，可以不考虑此限制，不过也要控制好高度，不宜太高。
　　3．梁柱节点的粱偏心处理
　　为保证建筑能够形成可靠的抗侧力结构，有效防止产生过大的偏心弯矩和柱子的扭转，应该尽可能的让框架梁、柱轴线重合。如果梁柱中心线无法重合，那在计算中就必须要考虑偏心对梁柱节点核心区受力和构造的不利影响，以及梁荷载对柱子的偏心影响。梁、柱中心线之间的偏心距，9度抗震设计时不能大于柱截面在该方向宽度的1／4，非抗震设计和6～8度抗震设计时，不要大于柱截面在该方向宽度的1／4。
　　事实上，在具体的工程设计中，框架梁、柱中心线无法重合，而且会产生偏心的情况是较为普遍的，必须要进一步加以处理。假如外墙贴外柱砌筑，那可以考虑把梁做成L形，再用挑出的翼缘承托外墙，而梁的矩形形心线保持和柱子形心重合。如果出现偏心距大于该方向柱宽的1／4的情况，那就应该考虑采取梁水平加腋的措施。在框架梁设置水平加腋后，还需要进一步考虑梁柱偏心的不利影响。根据国内外的试验结果，采用水平加腋的方法，能明显改善梁柱节点的承受反复荷载的性能。
　　二、竖向荷载作用下的内力计算
　　由于多层、多跨框架在竖向荷载作用下的侧移很小，所以我们可以近似地按无侧移框架进行分析。在进行竖向荷载作用下的简化计算过程中，往往会把框架简化为纵、横向的平面框架。求解内力的近似方法有很多中，主要包括分层法，精确方法有力矩分配法、迭代法和无剪力分配法，本文主要是针对前两种方法进行探讨。
　　框架在竖向荷载作用下按弹性方法计算内力。考虑到有利于实现强柱弱梁的延性设计原则，允许梁端首先进入塑性状态并出现塑性铰，对梁端考虑塑性内力重分布，乘以梁端弯矩调幅系数，这样可降低梁端钢筋的数量，方便施工。对于现浇框架，弯矩调幅系数可取0．8～0．9。支座弯矩降低后，跨中弯矩按照调幅后的支座弯矩计算。与水平荷载内力进行组合时，应使用调幅后的弯矩。
　　1．竖向荷载作用下内力计算的弯矩分配法
　　如果分配和传递多次循环，那弯矩分配法可以取得很高的精度，这是一种较为精确的计算方法。然而，在实际工程中通常只要做到两次分配和一次传递，就能够得到符合要求的计算精度，所以也叫做弯矩二次分配法。由于节点多，所以在高层建筑结构中，在计算中往往各节点同时分配，接着在同时传递，再同时进行一次分配，最后将各节点分配弯矩取和即可。当然，在进行弯矩传递时，必须要注意保证同层梁的左右端弯矩互相传递，同层柱的上下端弯矩互相传递，绝对不能发生传递错误。接着，在求出弯矩的基础上，再根据隔离体平衡求出其他内力。
　　2．弯矩调幅
　　在工程抗震设计中，一般是通过塑性铰控制在梁端实现强柱弱梁和耗能设计原则。也就是说在进行计算内力时，一定要考虑梁端塑性变形，对梁端弯矩乘以弯矩调幅系数0．8～0．9(现浇)、0．7～0．8(装配整体)。跨中弯矩按调幅以后的支座弯矩计算。框架梁设计时，跨中弯矩设计值要大于按照简支梁计算的跨中弯矩的一半。
　　三、框架梁截面设计与构造要求
　　1．提高梁截面延性的措施
　　在抗震设计中，一般要求框架结构呈“强柱弱梁”、“强剪弱弯”的受力性能。这时，框架梁的延性及结构抗震耗能能力较好。对框架梁采用的延性措施主要有：选择合理的截面尺寸，获得适宜的配筋率，防止超筋破坏和脆性剪切破坏，使梁获得一定的转动能力，严格控制最大配筋率；加密箍筋，提高对混凝土及受压钢筋的约束；梁的跨中及支座应配置适量的受压钢筋(形成双筋截面)，或采用T形截面，降低受压区高度保证塑性铰转动能力；提高混凝土等级，采用中低级钢筋。
　　2．框架梁截面尺寸的确定
　　框架梁截面尺寸应根据所承受的荷载大小、跨度、抗震设防烈度、混凝土强度等级等因素确定。一般应从构造要求、刚度要求、承载力要求和延性要求等方面考虑。
　　（1）刚度要求
　　一般情况下，框架梁的截面高度hb可按（1/10～1/12）Lb确定；Lb为主梁计算跨度。
　　（2）构造要求框架梁的净跨与截面高度之比不宜小于4，粱的截面宽度不应小于200mm，截面高宽比不宜大于4。这是由于梁的跨高比对梁的抗震性能有明显的影响，这就意味着当跨高比不断减少，其剪力的影响就会不断加大，进而导致剪切变形占全部位移的比重亦加大。大量的试验结果表明，当梁的跨高比小于2时，就很有可能发生以斜裂缝为特征的破坏形态。而假如主斜裂缝形成，那就直接导致梁的承载力急剧下降，从而呈现出极差的延性性能。如果梁的跨度较小，而梁的设计内力较大时，就应该优先考虑加大梁的宽度，尽管这样会增加梁的纵筋用量，不过对提高梁的延性却十分有利。当梁的高度不大于800mm时，梁高通常取50mm的倍数。
　　现浇梁板结构中，为方便布筋，框架梁的高度一般都会大于次梁的高度。如果框架梁底部是单排纵筋，那框架梁应该要高出次梁50mm，如果是采用双排纵筋或在次梁处布置横向吊筋，那就必须要保证高出次梁100mm以上。
　　四、结语
　　事实上，框架结构内力计算与设计还包括许多方面的内容，本文主要是就其中较为核心的部分进行探讨，要想获得更好的设计方案，保证设计的可行性和科学性，就需要设计人员结合多方面的内容进行综合考虑，在确定最佳的方案。
　　参考文献：
　　1童根树，米旭峰．钢框架内嵌带竖缝钢筋混凝土剪力墙的内力计算模型[J]．建筑结构学报，2006年05期
　　2廉晓飞，邹超英．高层建筑钢结构中带竖缝混凝土剪力墙板设计方法建议[J]．哈尔滨建筑大学学报，1996年0