框架結(jié)構(gòu)真的抗震嗎？真的。當(dāng)然了，前提是設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量有保證的框架結(jié)構(gòu)。就像牛奶肯定對身體有好處，但是含三聚氰胺的不算。
為什么框架結(jié)構(gòu)能夠抗震呢？建筑結(jié)構(gòu)的尺度一般都很大，而且絕大多數(shù)建成之后都被掩蓋在裝修材料之下，可能很少有機(jī)會(huì)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(dān)水平荷載的能力。你站在公交車?yán)?，沒抓扶手，公交車突然啟動(dòng)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(yīng)也是如此，就像是整個(gè)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(gè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，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(gè)畫框，在水平外力作用下，這個(gè)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(gè)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(yàn)都比不上我們早已習(xí)慣了的矩形小房間。如何才能讓這個(gè)四邊形畫框具有抵抗水平外力的能力呢？如何能夠讓這個(gè)四邊形畫框不會(huì)變成平行四邊形呢？
方法有很多種，最常見的可能是我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(huì)變成平行四邊形了。
2.在這個(gè)畫框的背面釘一個(gè) x 形的木條，變四邊形為多個(gè)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(jìn)去一塊木板，因?yàn)槟景搴茈y變形，所以，畫框被里面的這塊木板撐住，也不會(huì)變形了。
在實(shí)際的結(jié)構(gòu)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，不在我們這里的討論范圍之內(nèi)。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，也不在討論之列。我們重點(diǎn)討論的還是狹義的“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(guān)鍵就在于四角加釘?shù)募庸绦∧緱l讓木條和木條之間始終保持90度?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的要害也是如此，關(guān)鍵就在于梁柱節(jié)點(diǎn)是否能夠形成足夠的框架效應(yīng)。所以，框架結(jié)構(gòu)很重要的一個(gè)設(shè)計(jì)原則就是“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件”。節(jié)點(diǎn)一定要有足夠的承載力，如果節(jié)點(diǎn)先于桿件破壞，喪失了節(jié)點(diǎn)的四邊形框架會(huì)一下子變成平行四邊形，即使構(gòu)成四條邊的桿件再結(jié)實(shí)也無濟(jì)于事了。
如何保證框架的梁柱節(jié)點(diǎn)足夠結(jié)實(shí)呢？拿最常見的鋼筋混凝土框架來說吧，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)之一就是能夠通過內(nèi)部鋼筋的布設(shè)來控制結(jié)構(gòu)性能。兩個(gè)看起來完全一樣的混凝土結(jié)構(gòu)，很可能因?yàn)閮?nèi)部鋼筋布置的不同而具有差異很大的結(jié)構(gòu)性能。對于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)來說，梁柱節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)核芯區(qū)的箍筋要足夠。
上面的圖片選自標(biāo)準(zhǔn)圖集06g901-1，表示了幾種常見的節(jié)點(diǎn)鋼筋錨固形式。這些錨固形式的目的，就是要起到那個(gè)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(jié)點(diǎn)承載力。
此外，框架結(jié)構(gòu)是一種很敏感的結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)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(qū)、合理的節(jié)點(diǎn)配筋，可以讓結(jié)構(gòu)具有相當(dāng)好的變形能力和水平荷載承載力。反過來，設(shè)計(jì)粗劣的框架結(jié)構(gòu)非常糟糕，還不如施工質(zhì)量良好的砌體結(jié)構(gòu)。事實(shí)上，這種粗制濫造的框架結(jié)構(gòu)在自建房中非常普遍，隨便去土木在線論壇一搜“自建”、“框架”這兩個(gè)關(guān)鍵字，就能搜出這么多胡亂拍腦袋、基本沒有設(shè)計(jì)根據(jù)、全憑經(jīng)驗(yàn)的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
框架結(jié)構(gòu)的一個(gè)好處就是解放了墻體，建筑物的墻體不再承擔(dān)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(dāng)墻體。各種各樣的夢幻神奇的建筑效果，也正是這樣達(dá)成的。
右上圖是高迪1910年設(shè)計(jì)的米拉公寓，左圖是設(shè)計(jì)于1925年的上海外灘12號匯豐銀行大樓，右下圖是設(shè)計(jì)于2003年的同濟(jì)大學(xué)土木學(xué)院樓。你相信嗎？在它們風(fēng)格迥異的外表下，其實(shí)是一樣的鋼結(jié)構(gòu)框架。
回到題目提到的“掉墻皮”問題，相信大家也已經(jīng)明白了，框架結(jié)構(gòu)里的墻體是不承受任何結(jié)構(gòu)作用的。事實(shí)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(fēng)，其實(shí)都可以。當(dāng)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(huì)影響建筑使用，比如會(huì)不美觀，會(huì)吸潮，會(huì)導(dǎo)致外裝修層開裂破壞等等。但這些與結(jié)構(gòu)安全無關(guān)，完全是另外的問題。
但是，有一個(gè)問題需要注意。雖然這些墻體不承受任何結(jié)構(gòu)作用，但是在地震的時(shí)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(shí)候翻倒傷人。為了防止這種情況，框架結(jié)構(gòu)的砌體墻里都要加入拉結(jié)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。
我個(gè)人覺得，好的發(fā)展方向是用干法墻體代替目前的磚頭砌體墻，比如輕鋼龍骨石膏板、蜂窩墻板等。這些新型墻體的保溫、隔熱、隔音性能都很不錯(cuò)，重量很輕，可以降低主體結(jié)構(gòu)的造價(jià)，以后的改造裝修也很方便，而且地震中也不容易坍塌傷人，即使墻體倒了砸了人，一般也不會(huì)有嚴(yán)重的后果。但目前看來，市場很不認(rèn)可，一個(gè)原因是我們市場的勞動(dòng)力價(jià)格還是低，可以承受勞動(dòng)密集的砌體墻作業(yè)，另一個(gè)原因是磚頭還是比干法墻體便宜，還有一個(gè)原因是消費(fèi)者的觀念不認(rèn)同。