框架结构也可以抗震.doc

我们常见的房屋建筑结构形式有：砌体，框架，框剪，剪力墙，框筒等等。根据相关规范规定，这些结构形式的建筑高度限值依次递增，从这个角度来看，框架结构的抗震性能仅优于砌体结构（砖混），而低于其他结构形式。框架结构真的抗震吗？真的。当然了，前提是设计、施工质量有保证的框架结构。就像牛奶肯定对身体有好处，但是含三聚氰胺的不算。为什么框架结构能够抗震呢？建筑结构的尺度一般都很大，而且绝大多数建成之后都被掩盖在装修材料之下，可能很少有机会能够一览全貌。那我们就用身边的小例子来说明吧。抗震能力，可以简单理解成承担水平荷载的能力。你站在公交车里，没抓扶手，公交车突然启动或者刹车，你的感觉就像是有人突然推了你一把。地震来了，建筑物的反应也是如此，就像是整个建筑被推来推去一样。我们都知道，与三角形相比，矩形不是一个稳定的结构，很容易在外力作用下变成平行四边形。比如上面图片中，用四根木条做成一个画框，在水平外力作用下，这个画框很容易就变形成平行四边形。而三角形的画框就没有这个问题。但是，我们很少见到三角形的画框，我们也很少见到三角形剖面的房子。由于我们对建筑空间的需求，普遍意义上，矩形是最合适的形式，三角形剖面的房子无论是空间观感还是使用体验都比不上我们早已习惯了的矩形小房间。我们都知道，与三角形相比，矩形不是一个稳定的结构，很容易在外力作用下变成平行四边形。比如上面图片中，用四根木条做成一个画框，在水平外力作用下，这个画框很容易就变形成平行四边形。而三角形的画框就没有这个问题。但是，我们很少见到三角形的画框，我们也很少见到三角形剖面的房子。由于我们对建筑空间的需求，普遍意义上，矩形是最合适的形式，三角形剖面的房子无论是空间观感还是使用体验都比不上我们早已习惯了的矩形小房间。如何才能让这个四边形画框具有抵抗水平外力的能力呢？如何能够让这个四边形画框不会变成平行四边形呢？方法有很多种，最常见的可能是我上图中所示意的这三种。1 在画框的角部钉加固小木条，让木条与木条之间的夹角保持90度，这样一来，画框就不会变成平行四边形了。2 在这个画框的背面钉一个 X 形的木条，变四边形为多个三角形的组合，这样画框也很难再变形了。3 在画框的四根木条之间镶进去一块木板，因为木板很难变形，所以，画框被里面的这块木板撑住，也不会变形了。在实际的结构工程中，第一种叫做“框架 moment frame”，第二种叫做“带支撑的框架 braced frame”，第三种叫做“带边框的框架-剪力墙”。中文所称的狭义的“框架”特指的是第一种。第三种属于框架-剪力墙体系，不在我们这里的讨论范围之内。第二种带支撑的框架，以及带偏心支撑的框架，跟我们狭义所指的这种“框架”有很多不同，也不在讨论之列。我们重点讨论的还是狭义的“框架”，也就是第一种 moment frame。四边形的框架画框之所以能够不再轻易变成平行四边形，关键就在于四角加钉的加固小木条让木条和木条之间始终保持90度。框架结构的要害也是如此，关键就在于梁柱节点是否能够形成足够的框架效应。所以，框架结构很重要的一个设计原则就是“强节点弱杆件”。节点一定要有足够的承载力，如果节点先于杆件破坏，丧失了节点的四边形框架会一下子变成平行四边形，即使构成四条边的杆件再结实也无济于事了。如何保证框架的梁柱节点足够结实呢？拿最常见的钢筋混凝土框架来说吧，钢筋混凝土结构的优点之一就是能够通过内部钢筋的布设来控制结构性能。两个看起来完全一样的混凝土结构，很可能因为内部钢筋布置的不同而具有差异很大的结构性能。对于钢筋混凝土框架结构来说，梁柱节点处的钢筋锚固非常重要。锚固的形式要合理、锚固的长度要足够、节点核芯区的箍筋要足够。上面的图片选自标准图集06G901-1，表示了几种常见的节点钢筋锚固形式。这些锚固形式的目的，就是要起到那个加固小木片的作用，让框架梁和框架柱保持刚性连接，保持足够的节点承载力。上面的图片选自标准图集06G901-1，表示了几种常见的节点钢筋锚固形式。这些锚固形式的目的，就是要起到那个加固小木片的作用，让框架梁和框架柱保持刚性连接，保持足够的节点承载力。此外，框架结构是一种很敏感的结构形式，内部钢筋的配置情况对整体性能影响比较大。合理的配筋、合理的梁端柱端加密区、合理的节点配筋，可以让结构具有相当好的变形能力和水平荷载承载力。反过来，设计粗劣的框架结构非常糟糕，还不如施工质量良好的砌体结构。事实上，这种粗制滥造的框架结构在自建房中非常普遍，随便去土木在线论坛一搜“自建”、“框架”这两个关键字，就能搜出这么多胡乱拍脑袋、基本没有设计根据、全凭经验的框架结构设计：土木在线_自建 框架。框架结构的一个好处就是解放了墙体，建筑物的墙体不再承担结构荷载，因此，可以随心所欲的采用各种墙体材料。建筑物的墙体，变成了画框里的画，所有的外荷载都由画框承受，画框里面可以是油画、水彩、水粉、写意、工笔.就像上图所示的，同样的框架结构，填充墙可以采用各种材料，砖头、玻璃、木材、彩钢板、GRC板、塑料、玻璃砖、竹子.只要你想，都可以用来当墙体。各种各样的梦幻神奇的建筑效果，也正是这样达成的。框架结构的一个好处就是解放了墙体，建筑物的墙体不再承担结构荷载，因此，可以随心所欲的采用各种墙体材料。建筑物的墙体，变成了画框里的画，所有的外荷载都由画框承受，画框里面可以是油画、水彩、水粉、写意、工笔.就像上图所示的，同样的框架结构，填充墙可以采用各种材料，砖头、玻璃、木材、彩钢板、GRC板、塑料、玻璃砖、竹子.只要你想，都可以用来当墙体。各种各样的梦幻神奇的建筑效果，也正是这样达成的。上图引自我的另一个答案 近百年来新型建筑材料促使结构设计理念产生了怎样的发展？ 右上图是高迪1910年设计的米拉公寓，左图是设计于1925年的上海外滩12号汇丰银行大楼，右下图是设计于2003年的同济大学土木学院楼。你相信吗？在它们风格迥异的外表下，其实是一样的钢结构框架。回到题目提到的“掉墙皮”问题，相信大家也已经明白了，框架结构里的墙体是不承受任何结构作用的。事实上，如果你去工地上观察一下，就像上面这两张照片一样，这些砌体填充墙最上面的那一排砖头都是斜着垒的，根本不与上面的框架梁接触。回到题目提到的“掉墙皮”问题，相信大家也已经明白了，框架结构里的墙体是不承受任何结构作用的。事实上，如果你去工地上观察一下，就像上面这两张照片一样，这些砌体填充墙最上面的那一排砖头都是斜着垒的，根本不与上面的框架梁接触。即使把这些填充墙都砸掉、都换成玻璃、或者都换成屏风，其实都可以。当然，隔音保温需要额外考虑。像“掉墙皮”问题以及墙体开裂，可能会影响建筑使用，比如会不美观，会吸潮，会导致外装修层开裂破坏等等。但这些与结构安全无关，完全是另外的问题。但是，有一个问题需要注意。虽然这些墙体不承受任何结构作用，但是在地震的时候，它们本身有可能倒塌伤人，就像家里的书橱、衣橱等大家具也可能在地震的时候翻倒伤人。为了防止这种情况，框架结构的砌体墙里都要加入拉结钢筋，把混凝土框架之间的砌体填充墙牢靠的固定好，防止填充墙在地震中倒塌。我个人觉得，好的发展方向是用干法墙体代替目前的砖头砌体墙，比如轻钢龙骨石膏板、蜂窝墙板等。这些新型墙体的保温、隔热、隔音性能都很不错，重量很轻，可以降低主体结构的造价，以后的改造装修也很方便，而且地震中也不容易坍塌伤人，即使墙体倒了砸了人，一般也不会有严重的后果。但目前看来，市场很不认可，一个原因是我们市场的劳动力价格还是低，可以承受劳动密集的砌体墙作业，另一个原因是砖头还是比干法墙体便宜，还有一个原因是消费者的观念不认同，比如这个帖子：曝光：西安一楼盘隔墙竟是纸做的！不塌才怪（图）什么东西最抗震，通俗来说，越柔软的东西，它的每部分都发生变形，而不是集中在某处，不会硬碰硬，这样最抗震。同时也要明确，抗震设计是分两阶段的，是一个动态的过程：1、刮风和普通小震时，房子需要能正常使用。怎么保证？想象一下，餐桌垒几盒牛奶，突然抽出桌布，现象就是左边那样，底部的位移和受力都比较大。因此，通过加强底部柱，保证小震时不变形不开裂，通过框架梁的“完全框架作用”加大刚侧刚度，使建筑不会晃来晃去影响生活。（左）2、毁灭性的地震时，在设计时故意削弱的梁，会发生极大的变形，从力学的角度算是断开（实际上人仍是安全）。此时的框架结构，从垒起的一盒盒牛奶，变成一根柔杆，地震剪力均匀分布到整栋房子，充分吸收地震的能量（中）。小震加强一下柱子倒可以，大震来了，柱子也不可能无限粗。如果像砌体那样，就跟一盒牛奶垒起来差不多，没有协调，上面非常非常牢固，结果就是底层破坏，轰然倒下（右）。小震加强一下柱子倒可以，大震来了，柱子也不可能无限粗。如果像砌体那样，就跟一盒牛奶垒起来差不多，没有协调，上面非常非常牢固，结果就是底层破坏，轰然倒下（右）。但是最近遇到台湾地震，稍微分析了下，有些心惊胆战，我的意见，国家规范可能高估了框架的抗震能力。原因详见本次台湾地震倒塌的楼，底层坍塌，上部完整。上面已经有人意识到了填充墙的刚度增大系数，但是抗剪也会增大的！但是PKPM里面没这个参数！实际工程中，最大的问题就是，大部分的框架结构底层是架空或者商用的，所