本科生毕业设计
文献综述
题 目 框架结构研究进展
姓 名 弋科星
学 号 100304036
学 院 工 学 院
专 业 土木工程
指导教师 刘丽娜
2012年 3月 21日
框架结构研究进展
随着经济的发展、人们生活水平的提高、建筑要求的提升,混凝土组合结构在建筑行业得到了迅速发展。随着建筑造型和建筑功能要求日趋多样化,无论是工业建筑还是民用建筑,在结构设计中遇到的各种难题也日益增多,建筑结构设计是建设工程设计的重要环节,是保障建筑结构安全、实现建筑使用功能的灵魂[1]。
采用框架结构形式,可形成内部大空间,能进行灵活的建筑平面布置,因此,框架结构体系在结构设计中应用甚广,对于框架结构的内力目前多采用计算机辅助软件来进行分析和计算,但是目前有的工程设计人员过分地依赖计算机的计算结果,而缺少独立分析问题、解决问题的能力,致使在一些图纸中出现不必要的问题,为以后事故的发生埋下隐患。每个设计者的经验不同,对规范的理解不同,所以在处理某个设计问题时,也就会采取不同的处理方法[2]。
钢筋混凝土框架结构是由楼板、梁、柱及基础四种承重构件组成的。由主梁、柱与基础构成平面框架，各平面框架再由连续梁连接起来形成空间结构体系。钢筋混凝土框架结构是一种由梁、柱组成的超静定结构体系,在地震、风荷载等作用下需设计成延性结构,以便很好地吸收和耗散能量,保证结构具有足够的抵抗变形能力,确保结构安全[3]。高层建筑采用框架结构体系时，框架梁应纵横向布置，形成双向抗侧力构件，使之具有较强的空间整体性，以承受任意方向的侧向力。框架结构具有建筑平面布置灵活、造型活泼等优点，可以形成较大的使用空间，易于满足多功能的使用要求。在结构受力性能方面，框架结构属于柔性结构，自振周期较长，地震反应较小，经过合理的结构设计，可以具有较好的延性性能[4]。其缺点就是整体侧向刚度较小,在强烈地震作用下侧向变形较大,容易使填充墙产生裂缝，并引起建筑装修、玻璃幕墙等非结构构件的破坏。不仅地震中危及人身安全和财产损失,而且震后的修复工作和费用也很大[5]。框架结构的承载力较低，它的受力特点类似于竖向悬臂剪切梁，楼层越高，水平位移越慢，高层框架在纵横两个方向都承受很大的水平力，这时，现浇楼面也作为梁共同工作的构件，装配整体式楼面的作用则不考虑，框架结构的墙体是填充墙，起围护和分隔作用。纵横向框架混合承重方案 纵横向框架混合承重方案是沿纵横两个方向上均布置有框架梁,作为楼盖的主梁,楼面荷载由纵,横向框架梁共同承担.它具有较好的整体工作性能[6]。不同等级混凝土邻接面的留设在钢筋混凝土结构中,高层建筑框架结构的梁柱节点比较复杂,由于荷载组合及内力计算的结果,要求同一层的竖向结构(柱、墙)混凝土强度等级高于水平结构(梁、板)的混凝土强度等级。钢筋混凝土框架结构,水平施工缝通常留于柱脚,柱顶若要留水平施工缝则应留于梁底。若同层的竖向构件和水平构件的混凝土同时浇捣,则柱顶不留施工缝[7]。钢筋混凝土异形柱框架结构是近年来推广使用的一种新型结构体系，其抗震性能一直被人们所关注。研究异形柱框架结构的抗震性能及设计方法，有重要的理论意义和实用价值。 目前国内外研究者对异形柱构件抗震性能的试验研究较为深入，对异形柱框架结构的试验研究则相对较少；对异形柱框架结构基于力的设计方法的研究较多，对基于位移的抗震设计方法的研究则尚属空白，而后者代表了未来结构抗震设计的发展方向[8]。
钢筋混凝土框架结构属于具有多个多余约束的超静定结构,其荷载效应不仅与外荷载大小有关, 还与结构构件的材料特征、几何构造特征有关。钢筋混凝土框架结构的分部优
化设计,即是在结构整体内力分析完成后,根据梁柱各构件的控制内力进行截面优化设计,确定满足荷载效应水平要求的各结构构件的几何特征和配筋量的优化结果,由此导致原结构的几何特征和荷载特征发生变化, 优化结构在现荷载作用下内力分布特征发生变化,各构件控制截面上的控制内力也发生相应变化,据此再进行新一轮的优化设计。因此框架结构的分部优化设计实际上是一个迭代、渐进的寻优过程, 计算结果虽不总能等价于整体优化设计结果,但通常能给出工程实用的满意结果。钢筋混凝土框架结构的分部优化设计方法的具体步骤为:
（1）初始选型:根据结构平面、立面布置及建筑物设计使用功能,分析结构所受的竖向荷载和水平荷载及其传力路线,并考虑施工因素,归并框架梁、柱的类型,初选梁柱的几何尺寸;
（2）结构分析:按照结构的实际几何构造特征,计算结构所受竖向荷载及水平荷载,对钢筋混凝土结构进行空间内力分析。根据结构分析结果,将截面尺寸相同的构件的控制截面内力,根据其大小进行分类,并确定每一类构件的设计控制内力;
（3）截面优化设计:针对每一种梁柱构件的控制内力进行优化设计, 得出优化约束条件下的结构几何构造特征和配筋特征的优化设计结果,从而构成新的优化意义上的设计结构;
（4）收敛性判断:在工程精度意义上选取一个较小的数值,作为检验结构收敛性的条件,进行收敛性判断。若优化结构与原结构基本一致,则认为优化结构是收敛的,可以转入下一步的可行性判断,否则转回第②步重新进行结构分析、优化设计;
（5）可行性判断:对优化设计结果进行一次内力分析,检验其可用性。若整体分析能够满足工程设计要求,则可按此方案进行配筋和构造处理,作为最终的优化设计结果。否则需根据工程经验和结构内力分析结果进行局部调整,直到方案可用为止[9]。
目前，国内外对钢管混凝土结构的研究多集中于基本构件的力学行为，较好开展钢管混凝土框架结构工作性能的研究。本文对钢管混凝土框架结构的抗震性能进行试验与理论研究，具有重要的工程实践和理论指导意义。钢管混凝土框架结构抗震性能的试验研究。基于现有规范相关规定，设计的钢管混凝土框架在低周反复荷载下能形成梁铰破坏机制。其变形能力、承载能力、延性、耗能能力等受力性能均满足抗震要求。框架模型的有效延性系数达到7.54，远大于一般延性框架延性系数的要求。基于钢管混凝土柱抗弯刚度研究成果，应用“D”值法的基本原理，计算钢管混凝土框架结构的水平侧移，与试验测试值符合较好[10]。
在土木工程的发展过程中，工程实践经验常先行于理论，工程事故常显示出未能预见的新因素，触发新理论的研究和发展[11]。至今不少工程问题的处理，在很大程度上仍然依靠实践经验[12]。
[1] 李文庆; 浅析钢筋混凝土框架结构设计[J]. 沿海企业与科技 2010年06期
[2]高峰; 框架结构设计的探讨[J]. 今日科苑 2010年20期
[3] 徐俊民; 钢筋混凝土框架结构设计应注意的问题[J]. 建设科技 2008年13期
[4]同济大学等，《混凝土结构与砌体结构设计》，北京：中国建筑工业出版社,, 2008
[5]王可峰. 高层结构体系的选择, 山西建筑, 2009(15): 53-54
[6] 同济大学等，《混凝土结构与砌体结构设计》，北京：中国建筑工业出版社,, 2008
[7] 夏銮; 宁国栋; 框架结构混凝土的施工[J]. 中小企业管理与科技 2007年06期
[8] 黄雅捷; 钢筋混凝土异形柱框架结构抗震性能及性能设计方法研究[D]. 西安建筑科技大学 2003
[9]李健豪. 浅谈某高层建筑结构优化设计,建材与装饰, 2007(11): 5-6
[10] 许成祥; 钢管混凝土框架结构抗震性能的试验与理论研究[D]. 天津大学 2003
[11]《Seismic retrofit schemes for RC structures and local–global consequences》 G.E.Thermou（Greece） and A.S.Elnashai（USA） 2006.8
[12]Sohn H;Law K H Extraction of Ritz vectors from vibration test data [外文期刊] 2001(01)
本科生毕业设计
文献综述
题 目 框架结构研究进展
姓 名 弋科星
学 号 100304036
学 院 工 学 院
专 业 土木工程
指导教师 刘丽娜
2012年 3月 21日
框架结构研究进展
随着经济的发展、人们生活水平的提高、建筑要求的提升,混凝土组合结构在建筑行业得到了迅速发展。随着建筑造型和建筑功能要求日趋多样化,无论是工业建筑还是民用建筑,在结构设计中遇到的各种难题也日益增多,建筑结构设计是建设工程设计的重要环节,是保障建筑结构安全、实现建筑使用功能的灵魂[1]。
采用框架结构形式,可形成内部大空间,能进行灵活的建筑平面布置,因此,框架结构体系在结构设计中应用甚广,对于框架结构的内力目前多采用计算机辅助软件来进行分析和计算,但是目前有的工程设计人员过分地依赖计算机的计算结果,而缺少独立分析问题、解决问题的能力,致使在一些图纸中出现不必要的问题,为以后事故的发生埋下隐患。每个设计者的经验不同,对规范的理解不同,所以在处理某个设计问题时,也就会采取不同的处理方法[2]。
钢筋混凝土框架结构是由楼板、梁、柱及基础四种承重构件组成的。由主梁、柱与基础构成平面框架，各平面框架再由连续梁连接起来形成空间结构体系。钢筋混凝土框架结构是一种由梁、柱组成的超静定结构体系,在地震、风荷载等作用下需设计成延性结构,以便很好地吸收和耗散能量,保证结构具有足够的抵抗变形能力,确保结构安全[3]。高层建筑采用框架结构体系时，框架梁应纵横向布置，形成双向抗侧力构件，使之具有较强的空间整体性，以承受任意方向的侧向力。框架结构具有建筑平面布置灵活、造型活泼等优点，可以形成较大的使用空间，易于满足多功能的使用要求。在结构受力性能方面，框架结构属于柔性结构，自振周期较长，地震反应较小，经过合理的结构设计，可以具有较好的延性性能[4]。其缺点就是整体侧向刚度较小,在强烈地震作用下侧向变形较大,容易使填充墙产生裂缝，并引起建筑装修、玻璃幕墙等非结构构件的破坏。不仅地震中危及人身安全和财产损失,而且震后的修复工作和费用也很大[5]。框架结构的承载力较低，它的受力特点类似于竖向悬臂剪切梁，楼层越高，水平位移越慢，高层框架在纵横两个方向都承受很大的水平力，这时，现浇楼面也作为梁共同工作的构件，装配整体式楼面的作用则不考虑，框架结构的墙体是填充墙，起围护和分隔作用。纵横向框架混合承重方案 纵横向框架混合承重方案是沿纵横两个方向上均布置有框架梁,作为楼盖的主梁,楼面荷载由纵,横向框架梁共同承担.它具有较好的整体工作性能[6]。不同等级混凝土邻接面的留设在钢筋混凝土结构中,高层建筑框架结构的梁柱节点比较复杂,由于荷载组合及内力计算的结果,要求同一层的竖向结构(柱、墙)混凝土强度等级高于水平结构(梁、板)的混凝土强度等级。钢筋混凝土框架结构,水平施工缝通常留于柱脚,柱顶若要留水平施工缝则应留于梁底。若同层的竖向构件和水平构件的混凝土同时浇捣,则柱顶不留施工缝[7]。钢筋混凝土异形柱框架结构是近年来推广使用的一种新型结构体系，其抗震性能一直被人们所关注。研究异形柱框架结构的抗震性能及设计方法，有重要的理论意义和实用价值。 目前国内外研究者对异形柱构件抗震性能的试验研究较为深入，对异形柱框架结构的试验研究则相对较少；对异形柱框架结构基于力的设计方法的研究较多，对基于位移的抗震设计方法的研究则尚属空白，而后者代表了未来结构抗震设计的发展方向[8]。
钢筋混凝土框架结构属于具有多个多余约束的超静定结构,其荷载效应不仅与外荷载大小有关, 还与结构构件的材料特征、几何构造特征有关。钢筋混凝土框架结构的分部优
化设计,即是在结构整体内力分析完成后,根据梁柱各构件的控制内力进行截面优化设计,确定满足荷载效应水平要求的各结构构件的几何特征和配筋量的优化结果,由此导致原结构的几何特征和荷载特征发生变化, 优化结构在现荷载作用下内力分布特征发生变化,各构件控制截面上的控制内力也发生相应变化,据此再进行新一轮的优化设计。因此框架结构的分部优化设计实际上是一个迭代、渐进的寻优过程, 计算结果虽不总能等价于整体优化设计结果,但通常能给出工程实用的满意结果。钢筋混凝土框架结构的分部优化设计方法的具体步骤为:
（1）初始选型:根据结构平面、立面布置及建筑物设计使用功能,分析结构所受的竖向荷载和水平荷载及其传力路线,并考虑施工因素,归并框架梁、柱的类型,初选梁柱的几何尺寸;
（2）结构分析:按照结构的实际几何构造特征,计算结构所受竖向荷载及水平荷载,对钢筋混凝土结构进行空间内力分析。根据结构分析结果,将截面尺寸相同的构件的控制截面内力,根据其大小进行分类,并确定每一类构件的设计控制内力;
（3）截面优化设计:针对每一种梁柱构件的控制内力进行优化设计, 得出优化约束条件下的结构几何构造特征和配筋特征的优化设计结果,从而构成新的优化意义上的设计结构;
（4）收敛性判断:在工程精度意义上选取一个较小的数值,作为检验结构收敛性的条件,进行收敛性判断。若优化结构与原结构基本一致,则认为优化结构是收敛的,可以转入下一步的可行性判断,否则转回第②步重新进行结构分析、优化设计;
（5）可行性判断:对优化设计结果进行一次内力分析,检验其可用性。若整体分析能够满足工程设计要求,则可按此方案进行配筋和构造处理,作为最终的优化设计结果。否则需根据工程经验和结构内力分析结果进行局部调整,直到方案可用为止[9]。
目前，国内外对钢管混凝土结构的研究多集中于基本构件的力学行为，较好开展钢管混凝土框架结构工作性能的研究。本文对钢管混凝土框架结构的抗震性能进行试验与理论研究，具有重要的工程实践和理论指导意义。钢管混凝土框架结构抗震性能的试验研究。基于现有规范相关规定，设计的钢管混凝土框架在低周反复荷载下能形成梁铰破坏机制。其变形能力、承载能力、延性、耗能能力等受力性能均满足抗震要求。框架模型的有效延性系数达到7.54，远大于一般延性框架延性系数的要求。基于钢管混凝土柱抗弯刚度研究成果，应用“D”值法的基本原理，计算钢管混凝土框架结构的水平侧移，与试验测试值符合较好[10]。
在土木工程的发展过程中，工程实践经验常先行于理论，工程事故常显示出未能预见的新因素，触发新理论的研究和发展[11]。至今不少工程问题的处理，在很大程度上仍然依靠实践经验[12]。
[1] 李文庆; 浅析钢筋混凝土框架结构设计[J]. 沿海企业与科技 2010年06期
[2]高峰; 框架结构设计的探讨[J]. 今日科苑 2010年20期
[3] 徐俊民; 钢筋混凝土框架结构设计应注意的问题[J]. 建设科技 2008年13期
[4]同济大学等，《混凝土结构与砌体结构设计》，北京：中国建筑工业出版社,, 2008
[5]王可峰. 高层结构体系的选择, 山西建筑, 2009(15): 53-54
[6] 同济大学等，《混凝土结构与砌体结构设计》，北京：中国建筑工业出版社,, 2008
[7] 夏銮; 宁国栋; 框架结构混凝土的施工[J]. 中小企业管理与科技 2007年06期
[8] 黄雅捷; 钢筋混凝土异形柱框架结构抗震性能及性能设计方法研究[D]. 西安建筑科技大学 2003
[9]李健豪. 浅谈某高层建筑结构优化设计,建材与装饰, 2007(11): 5-6
[10] 许成祥; 钢管混凝土框架结构抗震性能的试验与理论研究[D]. 天津大学 2003
[11]《Seismic retrofit schemes for RC structures and local–global consequences》 G.E.Thermou（Greece） and A.S.Elnashai（USA） 2006.8
[12]Sohn H;Law K H Extraction of Ritz vectors from vibration test data [外文期刊] 2001(01)