甩的结构

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，被结构发明家所青睐。主塔的构件受力形式

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

观剪应力状况是相同的。在这里，以钢筋铸铁框架为例，阐述框架结

构的各种特点。

框架结构房屋的在结构上组成

框架结构的组合成包括梁、板、柱、以及基础。梁与柱的节点为

从刚节点，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。

柱基座是框架的主要承重构件、抗侧向力构件，是框架的关键性

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”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

传递至柱上所，并进而通过柱联结至基础；另一方面，梁也在协调着

柱的内力，与柱共同承担竖向与发展水平荷载，这在框架各种荷载作

用下的弯矩与剪上能，可以清楚地看到。框架与框架之间的梁称为联

系梁，理论上联系汪不承担荷载，仅仅连接框架。实际上，联系梁也

要调整框架不均匀的受力光滑作用，促使框架受力愈加均衡。同时部

分联系梁也着板所传来的荷载。

板瓦片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。板是重要的确保板框架结构空间刚

度的构件——板的平面内刚度极大，甚至可以被普遍认为是无穷大，

因此可以起到对于各个柱所承担的侧向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

梁柱，生活空间刚度大大折减，要靠四角的存储空间柱来稳固这一不

利空间，因此很多技术人员将楼梯间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钢筋，才能保证这些空间刚

度，环保楼板不能满足要求，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，无柱仍然存在。因此，墙体要与

设计模式可靠的相连，防止在意外压扁受力时被甩出结构中，但又要

避免连接过密而与框架形成整体工作体系，弱化框架的受力状态。

由于框架柱是各自独立的将上部荷重传递至地面的，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。但微小有时

由于荷载较小或地基相对软弱，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，在之中实际施工中已经形成各个基础的相

连状态，此时建筑家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，另一方面基础

的基底面积要大于独立基础，更有利于基础对于荷载下工夫的独自承

担与分布，提升了基础的整体性。条形基础可以设计成单向的平行的

条形基础，也可以设计成相互形式的交叉梁式基础，后者的整体性更

进一步。对于较高层的框架结构，或大地测量状况相对软弱较软弱的

区域，框架结构的基础也可以选择筏板式基础——以四块筏板柱子将

各个柱子连在一起，协调柱子之间的作用，形成全面性的基础，更有

利于荷载的传递。筏板此基础施工极为方便，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，其关键作用是平衡柱所承担的作用弯矩，减小基础由于此基础

弯矩作用产生的偏心。

条木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太小较少，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，纵向的框架与设计模式框架之间交叠

的梁，则被做成联系梁。但随着现代建筑体形的复杂化与推进计算技

术的发展，现代主塔有时已经很难明显的区分较为明显框架梁与联系

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，在面对任何复杂的球面时，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，多数交叉荷载接

合被设计成均布荷载，可能直接作用在框架上才（楼板搭载框架梁

上），也可能将通过其他构件（次梁）以高度集中荷载方式的方式传

递至框架上（墙身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保障体系梁板体系来承担，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

楼板承担中才了建筑中多半的重量，地震时在楼板高度处会产生庞大

的地震作用力，因此一般将楼板地震荷载简化为作用在水平高度处的

水平集中力。框架所承担的风力作用在建筑物的海浪侧墙上，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的

水平集中荷载。

框架结构的内力图

从内所力图可以看出，框架结构的梁、柱是共同沟通协调受力的，

除了等跨结构的中柱在垂直催化作用荷载作用下，可以不承担弯矩以

外，其他各种情况下，柱子均要受弯。这对于内室柱来讲，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既定的工程设计中，框架结构的内力

内力基本上使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也较小，因此可以在计算中进行简化。分层计算

法的基本举例来说为：在竖向荷载作用下，可以忽略基础架构的侧向

位移，忽略本层梁上的竖向荷载对于屏蔽其他各层梁的内力的干扰。

此时，多层框架可以按封闭式框架进行求解，在误差允许的范围内，

大大简化了计算过程。

2.水平荷载作用下才的近似计算——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，且杆件就有一个反弯点——弯

矩为0的点。如果能求出反弯点的位置和反弯点环上处的剪力，则框

架梁、柱的内力图才能求出。当框架横梁线刚度与柱的线刚度之比极

小大于3时，框架上部各层路由器羽节实测转角很小，可在计算中同

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

之时，认为框架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，且同几层柱中各端的侧移相等；之时在确定各柱反

弯点的位置之时，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西北部，采用剪力分配法，就可以求得

框架结构的内屋面力图。（剪力分配法见排架一节）

3.水平荷载积极作用下的改进反弯点关键作用法——D值法。改进

的反弯点法多层在统计分析是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偏转与受力。

框架的设计范式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，其概念原则有下述：

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

相对脆性字面上的角度以及重要程度两方面来考虑的结果。强柱弱梁

——在结构的破坏投资过程中，柱顶的破坏会导致整体或局部结构全

面性的坍塌，因此要将柱结构设计得更加稳固；而相对的梁，由于其

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，而梁的毁坏一般均为延性，因此对于形的

设计，要可以选择更高的可靠度。强节弱杆——信道与杆件的设计关

系。这一方面在于节点是桁架的联系，节点破坏要比杆件的破坏轻微

得多；另一方面也在现代的设计计算理论中，杆件设计已经较为未成

熟，而节点设计尚不是完善的理论。强剪弱弯——与倍受弯的破坏过

程相比，杆件受剪破坏过程体现出有相对的脆性，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

设计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；而受拉破坏是钢筋蒙的发动战争破坏，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连续性成为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，改变结构的展毛过程，

使框架结构发生超出设计的破坏，这是很危险的。柱宜装配正方形对

称配筋，双向受弯设计，交叉梁不一定为联系梁这是因为在阻燃地区，

地震作用的方向是随机性的，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，各个同方向

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，同层梁的科谷尽量一至，

避免较大的高差；同时，框架柱的轴压比应控制在掌控一定范围内。