高层建筑结构设计第5章框架结构分析与设计.docxVIP

PAGE

1-

高层建筑结构设计第5章框架结构分析与设计

一、框架结构概述

框架结构作为一种常见的建筑结构形式，在高层建筑中占据着重要地位。其主要由梁、柱、板等构件组成，通过节点连接形成一个整体，具有良好的受力性能和空间适应性。据统计，目前我国高层建筑中，框架结构的比例高达70%以上。框架结构的主要优点包括：自重轻、施工速度快、抗震性能好、适用范围广等。例如，我国著名的上海环球金融中心，其主体结构采用框架-核心筒结构体系，高度达到了492米，成为当时的世界第一高楼。

框架结构的设计与计算是建筑结构工程中的重要环节。在设计过程中，需要充分考虑荷载、材料、构造等因素，确保结构的安全性和经济性。荷载主要包括恒载、活载和风载等，其中风载对高层建筑的影响尤为显著。例如，我国规范规定，高层建筑的风荷载标准值取为0.35kN/m2。在计算分析时，常采用有限元方法，如ANSYS、SAP2000等软件进行模拟，以提高计算精度和效率。

框架结构的抗震性能是设计中的重要关注点。在地震作用下，框架结构容易出现柱脚破坏、梁柱节点失效等问题。为了提高抗震性能，设计时需要采取一系列措施，如增大梁柱截面、设置抗震钢筋、优化节点设计等。例如，我国某大型商场在抗震设计时，采用了一系列抗震措施，包括增大柱截面、设置抗震钢筋、优化节点连接等，最终通过了地震安全性鉴定，确保了建筑的安全使用。

二、框架结构计算分析方法

框架结构的计算分析方法主要分为静力分析和动力分析两大类。静力分析主要关注结构在静力荷载作用下的受力状态，包括弯矩、剪力、轴力等内力的计算。在静力分析中，常用的方法有结构力学基本方程法、矩阵位移法、有限单元法等。例如，矩阵位移法利用结构刚度矩阵和荷载向量，通过求解线性方程组得到节点位移，进而求得内力。

动力分析则着重于结构在动态荷载作用下的响应，如地震、风荷载等。动力分析包括自振特性分析和动力反应分析。自振特性分析主要用于确定结构的自振频率和振型，这对于了解结构的动态响应至关重要。动力反应分析则关注在动态荷载作用下结构的位移、速度、加速度等响应。在动力分析中，常用的方法有振型分解法、直接积分法、随机振动法等。以振型分解法为例，它通过将结构的动态反应分解为各个振型的组合，简化了计算过程。

在实际工程中，框架结构的计算分析方法还需考虑多种复杂因素。首先，需要根据建筑物的用途和重要性确定结构的安全等级，进而选择相应的计算方法和安全系数。其次，需要考虑材料性能、连接方式、施工质量等因素对结构受力的影响。例如，在考虑材料性能时，需要根据材料的弹性模量和泊松比等因素，对结构刚度矩阵进行修正。此外，还需要对结构进行非线性分析，尤其是在大变形、大位移的情况下，结构的行为可能呈现出非线性特征。非线性分析通常采用有限元法，通过引入几何非线性、材料非线性和接触非线性等效应，更准确地模拟结构的真实受力状态。

三、框架结构设计要点与实例分析

(1)框架结构设计要点中，梁柱节点的设计至关重要。节点作为梁柱连接的部分，其受力状态复杂，往往成为结构中的薄弱环节。在设计时，需要确保节点具有足够的强度和刚度，以承受梁柱传来的荷载。例如，在高层住宅设计中，梁柱节点通常采用焊接或螺栓连接，以确保节点在地震作用下的稳定性。以某30层住宅楼为例，其梁柱节点设计采用了高强螺栓连接，节点刚度达到设计要求的1.5倍，有效提高了结构的抗震性能。

(2)框架结构设计中，柱网的布置对建筑物的整体性能有着重要影响。合理的柱网布置可以优化结构受力，降低材料消耗，提高建筑物的空间利用效率。在设计过程中，需要根据建筑物的功能、尺寸和荷载等因素，合理确定柱网间距。例如，某大型商场在设计中，考虑到商场内部空间的灵活性和柱网的均匀分布，采用了8m×8m的柱网布置，既满足了商场内部空间的需求，又保证了结构的整体稳定性。

(3)框架结构设计中，抗震设计是关键环节。根据我国抗震设计规范，高层建筑抗震设防烈度一般不低于7度。在抗震设计中，需要采取一系列措施，如设置抗震缝、采用抗震材料、优化结构布置等。以某35层办公楼为例，其抗震设计采用了以下措施：首先，在建筑物的长宽方向设置抗震缝，以减小地震作用下的侧向位移；其次，采用高强钢筋和高性能混凝土，提高结构的抗震性能；最后，优化结构布置，使结构在地震作用下的变形均匀，减少结构破坏风险。通过这些措施，该办公楼在抗震性能测试中，达到了设计要求的抗震等级。