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房屋框架结构抗震原理分析

发布:2020-09-21 阅读:190次

房屋结构有多种形式,我们经常见的有砌体结构、砖混结构、框架结构等。提起它们的抗震能力,大家总是存在很多疑惑,那么,框架结构真的抗震吗?

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。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?

房屋框架结构抗震原理分析

方法有很多种,最常见的可能是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。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。大家重点来看一下狭义的框架,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。

我们知道,绑扎钢筋的时候,最常见的是钢筋节点的各种锚固形式。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。

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。

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。