浅析建筑框架结构的设计要素

安海龙

摘要：框架结构在建筑物中担任着重要的角色，不仅是建筑物受力的主要结构，也是提高建筑物各项性能的重要结构。本文将从以下几个方面来详细的分析建筑设计中框架结构设计的重点环节和需要重点关注的一些要素，以期提高建筑框架结构设计的质量。

关键词：建筑；框架结构；设计要素

一、前言

在建筑框架结构设计中，如果设计人员不重视提高框架结构的设计质量，不遵循框架结构设计的原理，就容易导致后期使用出现各种问题，降低建筑物的各项性能。所以，必须在设计过程中重视框架结构的设计工作。

二、框架结构设计的基本原理

在建筑结构中框架结构设计的基本原理主要包括两个方面：一是建筑结构的荷载，二是极限状态设计法。

1.建筑结构的荷载

荷载：施加在结构上的集中力或分布力，称之为直接荷载；引起结构外加变形或约束变形，称之为间接荷载。荷载效应：由作用引起的结构构件的反映。结构抗力：结构或结构构件承受效应的能力。

2.极限状态设计法

为了保证框架结构设计的安全性、耐久性与实用性，必须对其极限状态进行验算。同时，这也是框架结构设计的方法。安全性：满足特定的与建筑物功能相适应的承载力极限状态；耐久性：保证结构的承载力的持续时间与环境使用度；实用性：保证结构在正常使用中时具有良好的工作性能。

三、框架结构的构造理论

1.梁

首先要按照构造要求选择梁高；按混凝土结构规范GB20010-2010设计协调扭转构件，计算内应力要考虑抗扭刚度下降和构件开裂所产生的内应力重新分布问题。分析并确定抗扭纵筋和箍筋，满足混凝土规范规定的最小配筋要求；建筑工程框架结构应选用双向梁柱刚接体系，部分框架的横梁也可以搭在另外的框架上；梁或过梁的截面较大时，要计算最小配筋率；采用井字梁时，如果梁的自重大于板自重，那么梁自重不可忽略。

2.柱

框架结构柱的高宽比一般可取1/10～1/15；柱子的轴压比要满足规范要求；在柱长度系数的确定过程中，要有效控制误差；若柱梁刚度比过大或过小，则不安全；若柱间跨度不等、竖向载荷分配不均则误差较大；框剪结构中由于层间位移不同，可能导致较大误差；框架结构的梁、柱所用的混凝土应相差一个等级。

3.基础

按照《抗震规范》设计基础，对于钢筋混凝土多层框架结构房屋可以建立柱下独立基础模式，不存在软弱粘性土层的建筑在不超过25米的情况可以不用进行地基的抗震承载力验算。当地基埋深较深时，应在适当位置建造基础梁来降低底层柱的长度和位移；当地基埋深较浅时，要在两个主轴方向建立拉梁来避免地基不稳固和柱子载荷分布不均造成安全性的降低。对于有防空洞或枯井的建筑，地基可用厚板将洞和井跨过。独立的桩基承台要对底部的钢筋的保护层厚度进行严格要求。

4.板钢筋

单向楼板厚度为短边的1/35，双向板厚度为短边的1/40，悬臂板厚度为悬臂长的1/12。钢筋要优先选择三级钢筋，这样既可以方便施工又可以节约造价，安全性也高。跨度在2米以下的板上部和顶层及考虑抗裂时板上的钢筋可以不断开。

四、工程概况

某单位工程是五层的框架结构，设防了六度抗震，并具备框架四级的抗震等级和二级的耐火等级，该单位工程处某小区旁，建筑面积拥有1718m2，其总长是27.84m，总宽度是16.44m，总占地面积是457.69m2。

施工条件：该建筑工程还不是该市一级企业。但具备完善技术装备，施工器具也可以按照需求选择，施工所需劳动力可用民工解决，单位可提供技术人员。

五、工程中框架结构设计

建筑工程中框架结构设计是在总体规划基础上按照任务书要求全方位考虑建筑艺术、建筑经济、材料设备、结构施工、使用功能和基地环境等问题，从而设计出既具艺术性、又具科学性的生活和生产环境。

本工程结构设计特点是：设防六度抗震，并要具备框架四级的抗震等级和二级的耐火等级，结构构件其主筋保护层的厚度是框架为30mm，板是20mm，基础是40mm。构造柱混凝土等级是C20，其余的构件混凝土全部为C25等级，框架梁柱其纵向钢筋锚固的长度是40d，搭接长度是30d，分框架梁低的纵筋锚固的长度是25d。砌砖用M5混合砂浆，砌体采取Mu10烧结砖。下面就框架结构设计作主要阐述。

1.框架柱设计

框架柱设计要符合以下要求：

（一）设计柱网要符合建筑功能要求，对于旅馆和住宅等建筑，设计柱网时要和建筑隔墙相适应，通常情况下，为尽量降低柱網对建筑其使用功能作用，一般柱子设计在纵横墙的交叉点上；

（二）设计柱网时要满足合理结构受力、明确传力体系、间距要适中、整齐、规则等要求，框架结构承受竖向的载力时还需承载水平力，同时只能承受来自自身平面水平力，所以设置框架时应处在建筑物两个主轴的方向。另外，柱网尺寸还承受梁跨度约束，梁跨度一般为6到9米；

（三）设计柱网时要确保便利性，在设计结构时要充分考虑到施工便利性，尽量降低项目造价，提高施工速度。另外设计时还需考虑构件尺寸标准化和模数化，缩减构件规格，设计柱网要使板、梁规则、简单。

2.梁格设计

梁格设计按照楼面不同竖向负荷传送路线可以分为：纵向结构承重、横向结构承重和纵横向结构承重三种。

（一）纵向结构承重方案主要设计是在横向设计好连系梁，在纵向设计好结构承重梁。纵向结构承重方案缺点建筑横向的抗侧刚度比较弱，一般在建筑进深较小且是大开间柱网的情况下使用，该方案由于受力不好，在设计中很少使用；

（二）横向结构承重方案是在纵向设计好连系梁，在横向设计好结构承重梁。横向结构的主框架梁是沿着横向设计并处于建筑短向，拥有较少跨数，当加大梁截面时将有利于建筑物横向抗侧其刚度的提高，对于纵向由于拥有较多跨数，因此刚度也大，所以该种设计会使横向和纵向两方向刚度逐步接近，结构受力也更加合理，所以建筑框架设计时应优先考虑该设计方案；

（三）纵横向结构承重方案是指在横向和竖向都设计结构承重梁用来承受楼面的载力，该种设计方案具备整体性能好优势，框架柱都是双向偏心的受压构件、是空空受力系统，也被称作空间框架结构并被广泛采用。

3.框架结构的选择高度设计

据调查大量震害及项目设计经验得出为满足既经济实惠又安全可靠要求，高层和多层由钢筋混凝土构成的建筑其高度不可过高。当处在水平负荷压力下时，框架弯矩和变形程度在很大程度上与框架层数相关，随着框架层数的增多，水平位移距离也越大，与此同时，框架内力也跟着在快速增长，当层数达到某一数值时，竖向负荷产生内力将远远小于由水平负荷产生内力，此时竖向负荷将对设计失去控制作用，水平负荷将对设计起到控制作用，建筑中框架结构优越性将被掩盖。从强度角度上看，建筑高度和层数的不断增加，虽然竖向负荷及水平负荷产生内力都在相应增加，但是水平负荷产生内力增加速度却更快，所以当建筑程度到达某一数值时，框架内会产生相当大的内力。从刚度角度上看，当建筑高度不断增加后，宽高比就不断缩减，水平负荷作用下，建筑框架结构就具备较大柔性，建筑层间水平位移成为了主要控制元素。所以，在建筑层数相对较高时，为负荷刚度和强度要求，就必须增加框架下方几层柱、梁截面尺寸，但是也务必会带来不经济与不合理。

4.框架结构的抗震级数设计

在相同地震强度下，对于不同类型结构钢筋混凝土建筑都有着不同抗震要求。在建筑抗震的设计规范中明确指出建筑抗震级数设计是按照建筑高度、建筑结构类型和抗震设防烈度将框架抗震墙和框架结构划分成四个等级抗震等级，同时还要求不同抗震级数结构要满足相应的结构措施和结构计算要求。

六、结束语

综上所述，在建筑框架结构的设计过程中，既要明确框架结构设计的一些基本的原则，又要掌握框架结构设计的基本原理和设计理论。在具体工程的框架结构设计中，更是要围绕工程的实际情况来展开设计。

参考文献：

[1]吴晓祥.框架结构设计若干问题探讨[J].中国新技术新产品，2010（5）.11.

[2]徐秀丽.混凝土框架结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.36.