结构概念和体系：第4章 框架作用

第四章结构的竖向体系(TheVerticalSystemofStructure)绪论(Introduction)

第一章一些重要的结构概念(SomeImportantConceptsofStructure)

第二章结构设计中的总体问题(TheGeneralProblemsinStructuralDesign)第三章结构的水平体系(TheHorizontalSystemsofStructure)第五章工程实例简介(IntroductiontoEngineeringExamples)第四章结构的竖向体系(TheVerticalSystemsofStructure)提纲(Outline)要求有足够的承载能力和足够的抗侧移刚度竖向体系的作用是承受竖向荷载水平荷载第四章结构竖向体系(VerticalStructuralSystem)必须满足承载力极限状态和正常使用极限状态传给基础芝加哥（Chicago）湖点大厦（Lakepointtower）

抗侧移刚度不足，风荷载作用下下层层间位移过大，造成许多玻璃幕墙破碎。第四章结构竖向体系(VerticalStructuralSystem)4.1框架作用(FrameAction)

第四章结构的竖向体系(TheVerticalSystemsofStructure)

4.2关于“框架作用”的推理（DiscussiononFrameAction）4.4提高高层结构体系整体承载力和抗侧移能力的有效措施（SomeEffectiveWaystoImprovetheCarryingCapacityandStiffnessofHigh-riseBuildingStructure）4.1框架作用(FrameAction)

4.5未来超高层建筑结构(High-riseBuildingStructureinFuture)4.3结构竖向体系的主要类型和特点(TheMajorStylesandCharacteristicsoftheVerticalStructuralSystem)

当柱顶与横梁铰接时称为排架(BentFrame)4.1框架作用(FrameAction)（1）

结构的竖向体系可以由柱、排架、框架、结构墙或筒体结构等组成，也可由上述几种结构构件联合组成。

当柱顶和横梁刚接时，称为框架(Frame)

排架结构，构件间均为铰支，受力明确，设计计算和节点构造相对简单，对房屋变形的影响不敏感。在单层工业厂房中，吊车是很大的集中荷载，常会引起厂房较大的局部变形，从而引起复杂的内力重分布。所以，单层工业厂房往往采用排架，使结构受力明确。

框架柱和横梁连成整体，荷载下变形一致，柱的变形会迫使横梁变形，他们共同工作，抵抗外荷。一般说来，框架受力比排架合理，刚度也较大。

下面对独立柱(CantileverColumn)、排架和框架在荷载作用下的工作特点作一简单比较。

假设各柱截面完全相同。独立柱的承载力和柱的计算长度有关，根据力学知识，杆件的计算长度相当于荷载下杆件弹性变形曲线的半波长。独立柱的计算长度L01=2h。4.1FrameAction

…

一、竖向荷载作用下独立柱、排架和框架的比较

排架在房屋中由于屋盖系统的联系，各柱的侧向变形要协调，在竖向荷载作用下排架的侧向变形很小，可以忽略不计，这在计算简图上相当于加上一个水平连杆支座，此时的柱相当于下端嵌固，上端为无侧移(允许竖向变形)铰支座，柱的计算长度L02

=0.7h,由于计算长度减小，柱不易失稳，承载力将略有提高。

对于柱顶与横梁刚性连接的框架，柱顶的转动要受到横梁刚度的约束。横梁刚度为零时，横梁对柱没有约束，此时柱的变形与在排架中完全一样；当横梁刚度无穷大时，柱顶不能有一点转动，相当于两端嵌固，此时柱的计算长度L03

=0.5h。可见，在框架中，横梁刚度将影响柱的计算长度，减小柱的失稳趋势，在一定程度上，提高柱的抗压承载力。P/2PPh反弯点反弯点a)独立柱b)排架c)框架EI=0～∞4.1FrameAction

…

二、在柱顶水平荷载作用下独立柱、排架和框架的比较

为了便于比较，取各柱截面刚度均为EI，每个柱顶作用的水平力都为H/2。独立柱象一根悬臂梁一样工作，排架柱顶为铰接，对柱的侧移没有约束，故其固端弯矩和柱顶侧移和独立柱完全相同。根据力学知识，固端弯矩:M

1=M2=(H/2)×h;

柱顶侧移:Δ1=

Δ2=(H/2)×h3/3EI

框架柱在水平力作用下，柱顶的转角受到横梁刚度的约束，横梁在约束柱顶转动的同时，柱对横梁作用一个力矩，此力矩将在横梁中形成弯矩和剪力;同时，横梁对柱有一个反向力矩，横梁刚度越大，此反向力矩也越大。柱受到反向力矩作用，将在柱内形成反弯点(OppositeFlexuralpoint)，从而减小了柱的计算长度。H/2hHHEIM反弯点Va)独立柱b)排架c)框架柱顶水平力作用下独立柱、排架和框架比较d4.1FrameAction

…

二、在柱顶水平荷载作用下独立柱、排架和框架的比较

由反弯点以上横梁的平衡可以看出，横梁剪力将引起柱的轴向力V，左柱受拉，右柱受压，形成力矩V·d

。从总体上看,力矩V·d

与外荷H引起的倾覆力矩方向相反，可以抵消一部分倾覆力矩，从而减小柱的固端弯矩。若把反弯点(Opposite

FlexuralPoint)以下部分取为割离体，反弯点处弯矩为零，只有剪力H/2。由于反弯点高度

h1＜h，则框架固端弯矩:

M

3=H/2×h1

＜M1=

M2=H/2×hh<hHH/2H/2VVVH/2VH/2反弯点EIEIH/2H/2VVa)从梁柱节点切开的框架隔离体b)从反弯点切开的框架隔离体框架作用14.1FrameAction

…

二、在柱顶水平荷载作用下独立柱、排架和框架的比较

横梁刚度越大，横梁内的剪力(也即柱内竖向轴力)也越大，可以抵消更多的倾覆力矩。当EI=∞，柱顶没有转动，相当于一个可以侧移的嵌固端，柱的反弯点位于柱高中点。由图可见，此时柱的固端弯矩M

4

=(H/2)×h/2

，仅为独立柱或排架柱固端弯矩的一半。柱顶侧移相当于被反弯点分开的两段悬臂短柱侧移的总和，即柱顶侧移:Δ4

=

2×(H/2)×(h/2)3/3EI=Δ1

/4=Δ2

/4

可以看出，这里所指的横梁刚度实质上是指横梁对节点转动的约束，而节点上不仅有横梁还有立柱，节点的转动刚度是横梁和立柱在节点处转动刚度的总和。所谓横梁比较“刚”，是指在节点总转动刚度中横梁所占比例较大。杆件在节点处的转动刚度与杆件截面抗弯刚度EI成正比，与杆件长度成反比(还与杆件远端的边界条件有关)，通常用线刚度

i=EI/L来表达。HHEI=∞EI=∞dH/2H/2h/2h/2hH/2H/2MHh/2Hh/2完全框架作用4.1FrameAction

…

二、在柱顶水平荷载作用下独立柱、排架和框架的比较

我们可以用横梁和柱的线刚度（i=EI/L）比λ

=ib

/ic来描述它们对节点转动的约束程度。λ值越大，横梁对框架节点转动的约束也越大。由于这种影响是通过框架的刚性节点来实现的，所以称为“框架作用”(FrameAction)

。工程中λ≥4时

，可近似认为横梁已能可靠地约束节点转动，即上述EI=∞情况，称为“完全框架作用(FullyFrameAction)”。完全框架作用将使柱内弯矩减半，使框架的抗侧移刚度提高到独立柱的四倍，效益十分显著。实际上工程中既无绝对刚接，也无绝对铰接。4.1FrameAction

…

二、在柱顶水平荷载作用下独立柱、排架和框架的比较美国纽约框架作用应用在索桥立柱中刚性横梁刚性横梁4.1FrameAction

…

二、在柱顶水平荷载作用下独立柱、排架和框架的比较

框架作用的概念具有普遍意义。例如右图,将框架转90o，利用“框架作用”提高悬挑结构的刚度。楼面结构水平悬挑构件楼面结构水平悬挑构件框架4.1FrameAction

…

二、在柱顶水平荷载作用下独立柱、排架和框架的比较“框架作用”和“完全框架作用”的概念对设计人员非常重要，在高层建筑结构设计中经常要用到它，希望大家认真体会，加深理解，应用到工程设计中去，有效提高结构的刚度和承载力。4.2关于“框架作用”的推理（DiscussiononFrameAction）第四章结构的竖向体系(TheVerticalSystemsof

Structure)4.2关于“框架作用”的推理（DiscussiononFrameAction）4.4提高高层结构体系整体承载力和抗侧移能力的有效措施（SomeEffectiveWaystoImprovetheCarryingCapacityandStiffnessofHigh-riseBuildingStructure）4.1框架作用(FrameAction)

4.5未来超高层建筑结构(High-riseBuildingStructureinFuture)4.3结构竖向体系的主要类型和特点(TheMajorStylesandCharacteristicsofTheVerticalStructuralSystem)4.2关于“框架作用(FrameAction)”的推理…

上一节我们讨论了双列柱框架的内力和变形，工程中框架的形式较多，随房屋高度的增加，如何进一步提高框架的抗侧移刚度显得十分重要。下面我们来讨论还有哪些措施可以把框架的刚度和承载力再提高一些。4.2关于“框架作用(FrameAction)”的推理…一、增设框架内柱的影响

如果条件允许，增设内柱，不仅增加了抵抗荷载的柱数，还减小了横梁的跨度，相对提高了横梁的线刚度，增强了框架作用，甚至可能达到“完全框架作用”。

增加内柱后，总柱数为m，则每柱剪力为H/m。若能达到“完全框架作用”，反弯点在柱高中点，则柱根处弯矩为：

Mm

=(H/m)×(h/2)=

(1/m)×(H×h/2)

<<M1

;柱顶侧移为:Δm

=2×(H/m)×(h/2)

3

/(3×EC

×

IC

)

<<Δ1

;

可见，增加柱数对减小柱根弯矩和减小框架侧移是有效的。HhH/2H/2V增加内柱的影响EI=∞h/2h/2H/mH/mm-柱数

从图b)可以看出，与立柱铰接的连系梁对框架的变形没有任何约束作用，两根立柱的变形曲线与独立柱的变形曲线完全相同。若横梁与立柱刚接，见图c)，情况就完全不同了，为简化分析，这里以“完全框架作用”为例，设n为层数，即横梁总数。显然立柱剪力没有变，仍为H/2，但此时立柱可以看成是由2n段长为h/2n的小柱组成，其框架顶端侧移Δn为2n根悬臂柱侧移的总和。即：Δn

=2n×(H/2)×(h/2n)3/3ECIC

=(1/4n2)×Δ14.2关于“框架作用(FrameAction)”的推理…二、增设框架横梁的影响

请注意，这里Δn与层数(或横梁数)n的平方成反比，可见增加刚性横梁可大大减小框架侧移，尤其当n

很大时，效果就尤为明显。这样，我们就不难理解金门大桥高高的立柱上为什么要设置多道刚性横梁了。在高层建筑结构中，多层框架的作用也类似。沿房屋短方向布置框架，承重的框架横梁截面要比连系梁大，可以有效提高“框架作用”，增强房屋沿短方向的抗侧移刚度。所以设计人员都喜欢沿房屋的短方向布置主框架。HHhHEI=∞反弯点反弯点a)单层框架b)加铰接横梁c)加刚接横梁增加横梁的影响4.2关于“框架作用(FrameAction)”的推理…二、增设框架横梁的影响框架作用在悬索桥立柱中的应用实例4.2关于“框架作用(FrameAction)”的推理…二、增设框架横梁的影响

这里还应指出，增加横梁后柱的计算长度短了。节点处梁柱线刚度比将减小，有可能不足以实现“完全框架作用”。尽管如此，增加横梁的作用还是很明显的。4.2关于“FrameAction”的推理…三、加大框架梁、柱截面高度的影响

框架抗侧移刚度与柱截面刚度EcIc直接有关，而惯性矩Ic=bchc3/12，即刚度与柱截面高度hc的三次方成正比，可见增加柱截面高度对提高房屋抗侧移是很有效的。当然，柱截面尺寸的确定与许多因素有关，必须考虑它对平面布置和使用功能的影响，这里只作为方案分析来讨论。对于两列柱的框架，由于外墙不能外移，所以柱的最大截面高度hcmax＜

d/2

必须注意，此时柱的有效中心距de＜d，并且由于柱刚度的增大，框架作用将减弱。因此，必要时还要相应增加框架梁的截面高度hb。dhHHH/2H/2H/2H/2ddeM加大梁柱截面高度的影响a)b)4.2关于“FrameAction”的推理…四、同时采用以上几种措施的讨论

在此基础上如果加大梁和柱的截面尺寸，则剩下可供开窗洞的尺寸就越来越小，最后洞口为零时，就成了一片实墙。在结构设计中，把这种抵抗侧力的钢筋混凝土墙称为结构墙。

上述三种措施都可以有效提高框架的抗侧移刚度。设想如果同时增设内柱和横梁，如下图所示,实际上就形成了多层多跨框架结构。e)加大梁柱截面a)框架b)加柱c)加梁d)加柱和梁(框筒)开孔率不宜大于50%f)无开孔墙(筒体)框架-剪力墙(筒体)的相互转化4.2关于“FrameAction”的推理…四、同时采用以上几种措施的讨论(a)整体墙

其工作状态就象一片悬臂深梁；若在结构墙上开一些小洞，则其工作状态仍是结构墙，只在洞口局部有一些应力集中现象。(b)整体小开口墙洞口开大4.2关于“FrameAction”的推理…四、同时采用以上几种措施的讨论（c）联肢墙(d)组合整体墙(e)壁式框架

当梁柱都较宽，节点处形成一个刚性区域时，设计中应考虑刚域的影响。洞口开大再开大再开大剪力墙-框架的相互转化刚域4.3结构竖向体系的主要类型和特点(TheMajorStylesandCharacteristicsofTheVerticalStructuralSystem)第四章结构的竖向体系(TheVerticalSystemsofStructure)4.2关于“框架作用”的推理（DiscussiononFrameAction）4.4提高高层结构体系整体承载力和抗侧移能力的有效措施（SomeEffectiveWaystoImprovetheCarryingCapacityandStiffnessofHigh-riseBuildingStructure）4.1框架作用(FrameAction)

4.5未来超高层建筑结构(High-riseBuildingStructureinFuture)4.3结构竖向体系的主要类型和特点(TheMajorStylesandCharacteristicsofTheVerticalStructuralSystems)一、混合结构房屋的竖向体系

(VerticalStructuralSystemofMixedStructure)一、混合结构房屋的竖向体系

(VerticalStructuralSystemofMixedStructure)二、排架体系(BentFrameSystem)四、结构墙体系

(ShearWallSystem)五、框架-结构墙体系

(Frame－ShearWallSystem)

三、框架体系(FrameSystem)

4.3结构竖向体系的主要类型和特点(TheMajorStylesandCharacteristicsofVerticalStructuralSystem)六、筒体

(Tube)七、巨型框架体系(GiantFrameSystem)九、蒙皮结构体系

(ShinPlateStructure)十、其他组合体系

(OtherMixedStructuralSystems)八、巨型桁架体系(GiantTrussSystem)4.3结构竖向体系的主要类型和特点(TheMajorStylesandCharacteristicsofVerticalStructuralSystem)4.3一、the

VerticalStructuralSystemofMixedStructure

混合结构房屋墙体自重大，强度低，几乎不能承受拉力，抗震能力差，通常适用于八层以下民用房屋。烧制粘土砖需大量占用农田，国家已严格限制粘土砖的使用。利用工业废料生产的砌块品种很多，为混合结构房屋砌体提供了新的材料来源。近年来开发的高强混凝土空心砌块，以及在此基础上发展起来的在空心砌块中设置配筋芯柱和圈梁的新型配筋砌块砌体结构体系，自重轻，强度高，芯柱和圈梁形成的“区格”大大提高了砌体的整体性，承载力和抗震性能好。配筋砌块混合结构房屋正在逐渐向中高层发展。

混合结构房屋多以墙体为主要承重结构，有时也用一些砖柱或钢筋混凝土柱，以减小楼盖的跨度。横墙承重房屋的抗侧移刚度很大，但房间划分受到限制；纵墙承重方案开间划分较灵活，可设较大开间的房间，但它的横向刚度差，有时也可适当布置一些横隔墙以提高房屋抗侧移刚度。在采用钢筋混凝土预制板作楼盖(或屋盖)时，若横墙间距小于32m，房屋的侧移很小，设计中可以忽略不计，在静力分析中称为刚性方案。a)横墙承重b)纵墙承重c)设内柱(内框架)混合结构墙体布置方案4.3一、theVerticalStructuralSystemofMixedStructure新型配筋砌体结构体系二、排架体系（BentFrameSystem）一、混合结构房屋的竖向体系（TheVerticalStructuralSystemsofMixedStructure）二、排架体系（BentFrameSystem）

四、结构墙体系（ShearWallSystem）五、框架-结构墙体系（Frame－ShearWallSystem））三、框架体系（FrameSystem）

4.3结构竖向体系的主要类型和特点（TheMajorStylesandCharacteristicsofVerticalStructuralSystem）4.3VerticalStructuralSystem

…二、BentFrameSystem

排架主要用在单层工业厂房中，排架柱与屋架(或屋面大梁)铰接，对支座沉降或吊车荷载引起的厂房局部变形不敏感，施工安装也比较方便。排架在自身平面内的承载力和刚度都较大，但在出平面方向相对较弱，因此,除屋盖支撑系统外，还需设置柱间支撑和纵向系杆，以承受纵向水平力(吊车纵向制动力和山墙传来的纵向风荷载等)和提高厂房的纵向刚度。在有吊车厂房，吊车梁本身也是很好的纵向系杆。柱间支撑三、框架体系(FrameSystem)一、混合结构房屋的竖向体系（TheVerticalStructuralSystemsofMixedStructure）

二、排架体系(BentFrameSystem)

四、结构墙体系

(ShearWallSystem)五、框架-结构墙体系

(Frame－ShearWallSystem)三、框架体系