框架建筑结构简介计算方法分析
摘要：框架结构在诸多种结构类型里具有明显的优势而逐步被各地所采用，对于框架结构的研究势必成为建筑领域的必由之路。本文从框架建筑结构的分类特点入手，选取具有代表性的案例进行计算方法的分析。
关键词：框架结构；计算方法；分析
框架结构又叫构架式结构，是适合大规模工业化施工的高效率建筑结构类型，它的承重结构是用钢筋混凝土浇捣制成的承重梁柱，一般采用刚接或者铰接，之后在承重结构之间用预制的膨胀珍珠岩、蛭石、浮石、加气混凝土、 陶粒等质量较轻的板材进行砌筑和装配。因为这种构成方式使得框架结构工程质量有明显优势，对于框架结构的计算也是基于其构成原理。
1.框架建筑结构的分类及特点
1.1框架建筑结构的分类
建筑物的框架结构按照跨数分为单跨和多跨，不同于悬臂结构，一个梁上有且只有两个支点的是单跨结构，多于两个的则为多跨；按层数分又可以分为单层和多层；按照框架用料不同分为混凝土框架、钢框架、钢与钢筋混凝土混合框架、胶合木结构框架等；按照立面构成可分为对称和不对称框架。目前比较常用的是混凝土框架和钢框架。
1.2框架建筑结构的利弊
1.2.1框架建筑结构优势
框架建筑由于自重较轻，可以很灵活地进行空间分隔，并且大大节省了材料成本，同时可以配合建筑平面布置，完成对于一些较大空间建筑结构的布局。而框架的基本单元都是梁和柱，十分容易标准化制造，方便定型，可以浇注成各种所需截面形状，在运输过程中也极为简便，使得工期可以得到很大程度缩短。另外由于现浇混凝土框架整体性优良，刚度也不低，如果设计合理，甚至能够达到很好的抗震效果。
1.2.2框架建筑结构弊端
框架过程里的节点，在承重过程中受到集中的应力，并且在侧向，框架结构的刚度欠佳，这种红柔性特质使得在强震发生时水平受力得不到有效抵抗而产生明显位移，很容易造成非结构性破坏。在组装过程中工序比较多，对于人力和设备使用频率较高，而且还受到气候环境的影响，适应性不强。
框架建筑结构不适用于建造高层楼房，楼层高度尽量保持在十五层以内。梁柱系统构成的是杆系结构，在水平方向上受力与悬臂剪切梁极为相像，承载能力和刚度都不是十分理想。梁柱结构的受力情况是水平位移上端比较大，而各个楼层的层间形变上方反而比下方小，特别是高度很大层数很多时候情况就更加明显，同时梁柱结构由于水平荷载产生的弯矩及整体侧移明显，更加难以处理建筑平面的空间布局。
1.3框架建筑结构与其他结构的比对
1.3.1框架结构与框剪结构
框剪结构比框架结构多了剪力墙，使得侧向的刚度大大加强，并且也可以对墙体的围护和分隔起到一定作用。
1.3.2框架结构与砖混结构
框架结构承重主要在与梁柱和板面上，这一点不同于以楼板和墙体承重的砖混结构。框架结构的牢固性也要由于砖混结构，后者楼层高度不能超过六层。另外对于后期对建筑物的改造，框架结构由于其墙体基本不承重所以容易改变，而砖混结构很多墙都是承重墙，是不可以拆除的。
1.4框架结构的应用
框架建筑结构可以设计为静定三铰框架或者超静定的双铰框架和无铰框架。通常目前对于住宅学校和办公楼的建筑结构，采用的是混凝土框架，或者经过预应力施加来契合较大跨度的用途。
1.5框架建筑结构的施工
框架结构的设计主要是依据人防等级和抗震等级以及地基情况而设定。以下是施工过程需要注意的典型方面。
1.5.1布置预制板
对于预制板的布置前标准，避免对角线标注，线的交叉会使得标注影响后期布置。对于板缝的布置尽量为四十，这样可以不必配筋。如若在构造上有整浇层，则需要板缝大于六十。需要注意的是构造柱处是不能够布置预制板的，地下车库也不可以布置。
1.5.2配筋现浇板
在现浇板配筋时通常选用板厚为120、140、160、180尺寸。对于跨度在两米以内的板上部钢筋不需要断开，只需要说明钢筋是双向双排。
2.框架结构分析的计算
以往的框架结构计算繁琐而容易出差错，采用新的微分各个单元的方法会使得结构计算得到大大简化，这种方法一般被称为超元法。超元法是单个构件仍按照常规的有限元来进行处理，而对于整体的结构则是按照连续划分单元进行。
2.1超元法计算原理
超元法计算的原理是类似微分的连续小单元的思想，这样可以将一个复杂的离散结构通过像微积分一样的方式进行简化和组合。通常步骤都是将某离散结构进行极小单位划分，称之为超元，之后将这些超元再离散成为可以进行常规有限元计算的更小的子单元；得到超元运算矩阵的方法也不复杂，只是将各个子单元的运算矩阵按照原来的对应关系转换成超元节点自由度的运算矩阵；由此可以得出框架的控制方程，这样就可以反算出各个子单元。
位移模式方程为：
这里 代表的是超元形函数矩阵， 代表的是超元的自由度向量。
这里只需要得到两个空间坐标值代入即可。取一个杆单元两端结合点i，j空间坐标为（xi，yi，zi）和（xj，yj，zj），这样可以求得位移列阵：
2.2案例计算分析
为了方便对超元法的分析，按照下例进行案例分析。
案例 某10层的空间框架结构，其中层高为3米。此框架的截面为40cm×40cm，而梁截面积为30cm×70cm。该空间框架的弹性模量E=2.8×107kN/m2。此处假设框架的基础为刚性，侧向受到风载荷作用，横梁上有均匀分布的载荷。
根据图可以将框架结构按照每两层一个超元分成5个超元，这样就会形成68个超元节点，因而计算出其内力分布和形变分布。之后再选取11个超元节点计算绘出图二中Uy，Uz沿着z方向的分布情况。
结束语：随着建筑行业与日俱增的扩大，框架结构自如与延展性优势得到了更广大空间的发展，是创收的重要内容。因此对于框架结构的计算也成为建筑之初需要着重考量的方面。目前国内大部分计算方法大多都以构建离散化为前提，然而这样的工作量就变得十分巨大，而采用超元法進行计算则可以大大简化过程。
参考文献：
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