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      房屋框架結構抗震原理分析

      發布:2020-09-21 閱讀:2458次

      房屋結構有多種形式,我們經常見的有砌體結構、磚混結構、框架結構等。提起它們的抗震能力,大家總是存在很多疑惑,那么,框架結構真的抗震嗎?

      建筑結構的尺度一般都很大,而且絕大多數建成之后都被掩蓋在裝修材料之下,可能很少有機會能夠一覽全貌。那我們就用身邊的小例子來說明吧。

      抗震能力,可以簡單理解成承擔水平荷載的能力。你站在公交車里,沒抓扶手,公交車突然啟動或者剎車,你的感覺就像是有人突然推了你一把。地震來了,建筑物的反應也是如此,就像是整個建筑被推來推去一樣。

      我們都知道,與三角形相比,矩形不是一個穩定的結構,很容易在外力作用下變成平行四邊形。比如上面圖片中,用四根木條做成一個畫框,在水平外力作用下,這個畫框很容易就變形成平行四邊形。而三角形的畫框就沒有這個問題。但是,我們很少見到三角形的畫框,我們也很少見到三角形剖面的房子。

      由于我們對建筑空間的需求,普遍意義上,矩形是最合適的形式,三角形剖面的房子無論是空間觀感還是使用體驗都比不上我們早已習慣了的矩形小房間。如何才能讓這個四邊形畫框具有抵抗水平外力的能力呢?如何能夠讓這個四邊形畫框不會變成平行四邊形呢?

      房屋框架結構抗震原理分析

      方法有很多種,最常見的可能是上圖中所示意的這三種:

      1.在畫框的角部釘加固小木條,讓木條與木條之間的夾角保持90度,這樣一來,畫框就不會變成平行四邊形了。

      2.在這個畫框的背面釘一個 X 形的木條,變四邊形為多個三角形的組合,這樣畫框也很難再變形了。

      3.在畫框的四根木條之間鑲進去一塊木板,因為木板很難變形,所以,畫框被里面的這塊木板撐住,也不會變形了。

      在實際的結構工程中,第一種叫做框架 moment frame”,第二種叫做帶支撐的框架 braced frame”,第三種叫做帶邊框的框架-剪力墻。中文所稱的狹義的框架特指的是第一種。第三種屬于框架-剪力墻體系。第二種帶支撐的框架,以及帶偏心支撐的框架,跟我們狹義所指的這種框架有很多不同。大家重點來看一下狹義的框架,也就是第一種moment frame。

      四邊形的框架畫框之所以能夠不再輕易變成平行四邊形,關鍵就在于四角加釘的加固小木條讓木條和木條之間始終保持90度??蚣芙Y構的要害也是如此,關鍵就在于梁柱節點是否能夠形成足夠的框架效應。所以,框架結構很重要的一個設計原則就是“強節點弱桿件”。節點一定要有足夠的承載力,如果節點先于桿件破壞,喪失了節點的四邊形框架會一下子變成平行四邊形,即使構成四條邊的桿件再結實也無濟于事了。

      如何保證框架的梁柱節點足夠結實呢?拿最常見的鋼筋混凝土框架來說吧,鋼筋混凝土結構的優點之一就是能夠通過內部鋼筋的布設來控制結構性能。兩個看起來完全一樣的混凝土結構,很可能因為內部鋼筋布置的不同而具有差異很大的結構性能。對于鋼筋混凝土框架結構來說,梁柱節點處的鋼筋錨固非常重要。錨固的形式要合理、錨固的長度要足夠、節點核芯區的箍筋要足夠。

      我們知道,綁扎鋼筋的時候,最常見的是鋼筋節點的各種錨固形式。這些錨固形式的目的,就是要起到那個加固小木片的作用,讓框架梁和框架柱保持剛性連接,保持足夠的節點承載力。

      此外,框架結構是一種很敏感的結構形式,內部鋼筋的配置情況對整體性能影響比較大。合理的配筋、合理的梁端柱端加密區、合理的節點配筋,可以讓結構具有相當好的變形能力和水平荷載承載力。反過來,設計粗劣的框架結構非常糟糕,還不如施工質量良好的砌體結構。事實上,這種粗制濫造的框架結構在自建房中非常普遍。

      框架結構的一個好處就是解放了墻體,建筑物的墻體不再承擔結構荷載,因此,可以隨心所欲的采用各種墻體材料。建筑物的墻體,變成了畫框里的畫,所有的外荷載都由畫框承受,畫框里面可以是油畫、水彩、水粉、寫意、工筆……就像上圖所示的,同樣的框架結構,填充墻可以采用各種材料,磚頭、玻璃、木材、彩鋼板、GRC板、塑料、玻璃磚、竹子......只要你想,都可以用來當墻體。各種各樣的夢幻神奇的建筑效果,也正是這樣達成的。

      相信大家也已經明白了,框架結構里的墻體是不承受任何結構作用的。事實上,如果你去工地上觀察一下,就像上面這兩張照片一樣,這些砌體填充墻最上面的那一排磚頭都是斜著壘的,根本不與上面的框架梁接觸。即使把這些填充墻都砸掉、都換成玻璃、或者都換成屏風,其實都可以。當然,隔音保溫需要額外考慮。像掉墻皮問題以及墻體開裂,可能會影響建筑使用,比如會不美觀,會吸潮,會導致外裝修層開裂破壞等等。但這些與結構安全無關,完全是另外的問題。

      但是,有一個問題需要注意。雖然這些墻體不承受任何結構作用,但是在地震的時候,它們本身有可能倒塌傷人,就像家里的書櫥、衣櫥等大家具也可能在地震的時候翻倒傷人。為了防止這種情況,框架結構的砌體墻里都要加入拉結鋼筋,把混凝土框架之間的砌體填充墻牢靠的固定好,防止填充墻在地震中倒塌。

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