浅谈框架结构体系

蒙敏捷

【摘要】 从建筑艺术与结构受力方面简单论述框架结构的特点及应用范围

【关键词】 框架结构；框架布置；框架结构与建筑艺术；高宽比

1.框架结构类型

1.1按框架构件组成划分

（1）梁板式结构

这种框架是由梁、板、柱三种基本构件组成骨架形式的框架结构，广泛用于多层与高层房屋建筑上，是一种典型的框架结构型式。

（2）无梁式结构

这种由板和柱子组成的结构实质是无梁楼盖结构。这种结构广泛用于车库，冷藏库，仓库等净高要求较高的建筑物中。

1.2按框架施工方法划分

（1）现浇整体式框架

这种框架全部构件均采用现场现浇成整体，整体性和抗震性好，构件尺寸不受标准所限制，对房屋各种使用功能的适用性大。

（2）装配式框架

这种框架构件采取预制安装，可加速施工进度和提高建筑工业化程度，不过，这种框架的构件节点连接构造应达到刚节点的要求，目前节点构造的作法仍在不断研究改进中，故这种施工方法现在还未普及应用。

2.框架的布置。柱网尺寸及构件截面尺寸的初步确定

2.1 框架的布置

根据承重框架布置方向的不同框架的布置可有以下三种：

（1）承重框架横向布置

这种布置以横向框架作为主要承重框架，所以横向的梁即为框架主梁，纵向的梁为次梁。一般房屋平面宽度比长度短很多，从房屋的总体几何形状而言，纵向刚度易于保证，而横向刚度显得薄弱，故通常把承重框架沿横向布置，可以有效地提高房屋横向的抗侧力强度和刚度。这种布置不仅结构上合理而且建筑上有利于立面处理和室内采光，因而一般工业与民用房屋多采用此种结构布置。

（2）承重框架纵向布置

这种布置以纵向框架作为主要承重框架，框架主梁沿纵向布置，横向的梁即为此梁。这种布置由于横向连系梁截面高度较小，对于有集中通风要求的厂房，可便于通风管道沿纵向通过而不致于减小楼层的净高，有利于楼层净高的有效利用。此外，房间的使用划分也比较灵活，但这种房屋的横向刚度很差，一般只能用于层数不多的无抗震要求的厂房。

（3）承重框架纵横两向布置

这种布置的纵横两向框架都作为主要承重框架。这种布置主要考虑受力的需要。当房屋平面接近正方形，或者当房屋有抗震设防要求时，房屋两个方向的受力相差较小，两个方向的框架都应具备足够的强度和刚度，另外，对于楼面有沉重设备或楼面有大开洞的厂房框架不能只在一个方向布置，而需要纵横两向布置。

2.2 柱网尺寸

框架的柱网布置应力求做到简单、规则、整齐，柱网尺寸应符合经济原则和尽量符合模数。

2.2.1多层厂房的柱网尺寸

（1）内廊式柱网—常用跨度为6.0+2.4+6.0（m）或6.9+3.0+6.9（m）

（2）等跨式柱网—常用跨度为6m，7.5m，9m，12m（从经济性考虑不宜超过9m）

2.2.2多层民用房屋的柱网尺寸

因民用房屋种类繁多，功能要求亦各不相同，柱网尺寸难以硬性统一，但从一般情况考虑，柱网尺寸的适宜范围是：柱距3.3～6m（旅馆建筑时它往往等于两个客房的宽度，故常为6～8m），跨度6～12m（从经济性考虑不宜超过9m）。

2.3构件截面尺寸

框架结构是由梁与柱子相互刚接而成。框架结构的承载能力主要梁和柱子的强度，框架房屋的刚度又直接与梁柱的构件刚度有关，所以考虑强度与刚度的需要，根据实际工程与理论结合分析，框架横梁及柱截面尺寸可参照下列数字取值，框架梁截面梁高h=（1/8～1/12）梁跨，梁宽b=（1/2～1/3）h。框架柱的宽与高≈（1/15～1/20）层高。

2.4抗震设防区框架体系房屋体型和结构布置的要求

（1）房屋的平立面宜采用简单的体型。

（2）抗侧力构件的布置应尽量可能使房屋的刚度中心与地震力合力作用线接近或者重合。

（3）抗侧力构件的布置应使房屋中各部分的刚度均匀，不应过分悬殊。

（4）在烈度较高的抗震设防区，楼梯与电梯间不宜布置在结构单元的两端和拐角部位。

（5）应注意控制房屋的侧向变位和层间相对变位，并对填充墙采取适当的加强措施。

（6）各层楼板应尽量设置在同一标高上，尽可能不采用复式框架。

（7）房屋高低层不宜用牛腿相连，宜用防震缝分开。

（8）柱子的净高与截面长边的比值宜大于4。

3.框架结构的运用于建筑艺术技巧的配合

3.1框架带悬挑与建筑艺术的有效结合

根据连续梁端部适当悬挑有利于减少跨度中弯矩的原理，把建筑底层以上的室内空间向周边延伸，这种设计手法不仅对结构有利，而且扩大了建筑使用面积，同时室内空间艺术处理也有新意。一般来说悬挑的长度不应大于二分之一内跨长度也不宜小于四分之一内跨长度，三分之一内跨长度最为合适。框架的悬挑最好是框架的两端同时挑出，这样结构上可以维持框架外形的对称而减少侧移。而且最好是纵横两向框架同时悬挑，这样对框架角柱的受力与建筑造型更能达到合理协调。

3.2框架柱网布置与建筑平面布局的融合构思

框架柱网布置越简洁单一对结构设计就越有利。采用尺寸变化最少的矩形柱网或者方形柱网，不但构件尺寸可以趋近划一，而且有利于荷载均匀分布的整体刚度的提高。因此，在尽可能简单规矩的结构柱网上，配以布置富于变化的建筑空间，这是现代建筑艺术创新的一条卓有成效的途径。

4.框架结构的适用层数与高宽比

框架结构是由梁柱相互刚接而成的，框架的承载能力和结构效能主要依赖于梁柱的强度和节点的刚度。框架结构在竖向力与侧向力作用下的反应两者是完全不同的。从4-1a及4-2a图看来，在竖向荷载作用下，框架的变形或弯矩与框架的层数的多少没有太大的关系，也就是说，框架的层数增加而框架的变形或弯矩没有显著的变化。但从4-1b及4-2b图看来，在水平荷载作用下，框架的变形或者弯矩与框架的层数多少有极大的关系：右图可以看出，框架层数越多，产生的水平位移越大，框架的内力也随层数的增加而迅速增长，层数超过一定程度时，水平荷载产生的内力远远超过竖向荷载产生的内力，这时水平荷载对设计起主要控制作用而竖向荷载对设计已失去控制作用，框架结构的优越性就不能表现出来，层数越多就越不利。

当房屋向更多层数发展或更大的高宽比发展时，采用框架体系将会产生不少的矛盾。首先，从强度方面来看，由于层数和高度的增加，竖向荷载和水平荷载长生的内力都相应加大，特别是水平荷载产生的内力增加得更快。因此，當高度达到一定数值后，在框架内将产生可观的内力。其次，从刚度方面来看，随着房屋高度增加，高宽比也逐渐增大，在水平荷载作用下，框架本身柔性较大，水平位移成为重要的控制因素。工程实践表明，框架结构的合理层数为6～15层，最经济是10层左右。而框架的一般高宽比约为5～7。

5.结论

框架结构在结构上以强度高、自重轻、整体性和抗震性好，在建筑上它不依靠砖墙承重，建筑平面布置灵活从而获得较大的使用空间而被广泛应用于各种工业厂房，民用建筑中。