第四章 多、高层框架结构.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,混凝土结构设计,本 章 内 容,4.1,概述,4.2,框架结构的结构布置,4.3,框架结构的计算简图及荷载,4.4,竖向荷载作用下框架结构的内力计算,4.5,水平荷载作用下框架结构内力和侧移的近似计算,4.6,荷载效应组合与构件设计,4.7,框架结构的构造要求,4.8,基础设计,4.9,剪力墙与框架,-,剪力墙结构的受力特征,框 架：,由梁和柱通过节点连接组成的结构单元。,框架结构：,整个房屋的骨架均由框架组成，即竖向承重,体系或抗侧力结构体系均为框架。,4.1,概述,结构组成,分类,地震区：,多采用梁、柱、板全现浇或梁柱现浇、板预制,非地震区：,可采用梁、柱、板均预制,装配式,现浇式,装配整体式,优点：,平面布置灵活,结构自重较轻,计算理论比较成熟,缺点：,侧向刚度较小，侧移较大,。,框架结构的特点,设计时应控制框架结构的高度和高宽比。,框架结构,最大适用高度,最大适用高宽比（,H/B,）,非抗震设计,70m,5,抗震设计,6,度,60m,4,7,度,55m,4,8,度（,0.20g/0.30g,）,40m,（,35m,）,3,9,度,24m,H,室外地面到主要屋面高度。,最大适用高度和高宽比,柱网、层高,由生产工艺确定,常用柱网,内廊式、等跨式,内廊式跨度,边跨,6,8m,，中间跨,2,4m,等跨式跨度,6,12m,柱距,常,6m,层高,3.6,5.4m,柱网和层高,根据建筑使用功能确定,住宅、宾馆、办公楼柱网,小柱网、大柱网两类,小柱网柱距,3.3m,，,3.6m,，,4.0m,大柱网柱距,6.0m,，,6.6m,，,7.2m,，,7.5m,常用跨度,4.8m,，,5.4m,，,6.0m,，,6.6m,，,7.2m,，,7.5m,4.2,框架结构的结构布置,4.2.1,柱网布置,工业建筑,民用建筑,4.2.2,框架结构的承重方案,横向框架承重,纵向框架承重,纵、横向框架承重,主要包括：,沉降缝、伸缩缝、防震缝,三种。,由于设缝给建筑、结构和设备的设计和施工带来一定,困难，基础防水也不容易处理。目前的,总趋势是少设,缝或不设缝,，从,总体布置或构造上,采取措施来减小沉,降、温度变化或体型复杂造成的不利影响。,4.2.3,变形缝的设置,4.2.3.1,伸缩缝,由于温度变化对建筑物造成的危害在其底部数层和顶,部数层较为明显，基础部分基本不受温度变化的影,响，因此，当房屋长度超过规范规定的限值时，宜用,伸缩缝将上部结构,从顶到基础顶面断开,，分成独立的,温度区段。,钢筋混凝土结构伸缩缝的,最大间距,宜符合混凝土结,构设计规范（GB500102010,）表,8.1.1,的规定。,4.2.3.2,沉降缝,当上部结构不同部位的竖向荷载差异较大，或同一建,筑物不同部位的地基承载力差异较大时，应设沉降缝将,其分成若干独立的结构单元，使各部分自由沉降。,沉降缝应将建筑物从顶部到基础底面完全分开。,4.2.3.3,防震缝,位于地震区的框架结构房屋体型复杂时，宜设置防震,缝。防震缝应有足够的宽度，以免地震作用下相邻建,筑发生碰撞。,房屋既需设伸缩缝又需设沉降缝时，沉降缝可兼做伸,缩缝，两缝合并设置。对有抗震设防要求的房屋，其,伸缩缝和沉降缝均应符合防震缝要求，尽可能做到三,缝合一。,4.3,框架结构的计算简图及荷载,4.3.1,截面尺寸的确定,梁截面尺寸,柱截面尺寸,框架梁、柱截面尺寸应当根据,构件承载力,、,刚度,及,延性,等要求确定。,先由经验估算截面尺寸；,再进行承载力和变形验算，若不满足，再调整截面,尺寸，直至满足。,4.3.1.1,梁截面尺寸,当跨度较大时，为节省材料和有利于建筑空间，可设计成加腋形式。,框架主梁,（防止梁发生剪切破坏）,（保证梁侧向稳定）,扁梁,柱截面尺寸可直接凭经验确定；,根据其所受轴力按轴心受压构件估算，再乘以适当的放大,系数以考虑弯矩的影响。即,构造要求：,柱截面边长不宜小于,300mm,，圆柱的截面直径,不宜小于,350mm,，截面高宽比不宜大于,3,，柱净,高与截面长边之比宜大于,4,，或柱剪跨比宜大于,2,。,按柱支承的楼面面积计算由重力荷载产生的轴力值,4.3.1.2,柱截面尺寸,柱承受的轴向压力设计值,实际框架结构中，楼板的存在，使梁的刚度加大，在结构计算中，梁截面惯性矩按,楼板的类型,来计算。,4.3.1.3,梁截面惯性矩,翼缘有效宽度的确定,梁截面惯性矩的确定,翼缘的有效宽度,中框架梁,边框架梁,现浇式楼面,2.0,1.5,装配整体式楼面,1.5,1.2,现浇式楼面,可取至,6,倍板厚度,装配整体式楼面,视其整体性可取,6,倍板,装配式楼面,楼板作用不予考虑,梁截面惯性矩,相应的,矩形截面梁的惯性矩,4.3.2.1,计算单元,4.3.2,框架结构的计算简图,一般应按,三维空间结构,进行分析。,对于平面布置较规则的框架结构房屋，通常简化为,若干个横向或纵向平面框架进行分析，每榀,平面框,架,为一计算单元。,平模型面框架的计算单元及计算模型,4.3.3.2,计算简图,用轴线表示框架梁和柱，用节点表示梁与柱之间的连接，用节点间的距离表示梁或柱的长度。,柱,（除底层外）的计算高度即为各层层高（当各层,梁截面尺寸相同时）,底层柱,的下端，一般取至基础顶面；当地下室整体刚,度很大，且地下室结构的楼层侧向刚度不小于相邻上,部结构楼层侧向刚度的,2,倍时，可取至地下室结构的顶,板处。,框架梁,的计算跨度即为框架柱轴线之间的距离,当上、下层柱截面形心轴不重合时，将顶层柱的形心线,作为整个柱子的轴线,，,框架结构计算单元,上、下层柱截面形心轴重合,上、下层柱截面形心轴不重合,应考虑由上层柱传来的轴力在变截面处所产生的,力矩,现浇,钢筋混凝土框架，假定梁、柱节点为,刚接,。,4.3.2.3,节点连接的简化,装配整体式,框架，如果梁、柱中的钢筋在节点处为焊接,或搭接，则可视为,刚接,节点,.,装配式,框架，一般是在构件的适当部位预埋钢板，安装,就位后再予以焊接，将这种节点模拟为,铰接或半铰接,。,竖向荷载：,恒载、楼（屋）面活荷载和雪荷载,水平荷载：,风荷载、水平地震作用,4.3.3,荷载计算,恒载,恒载的标准值可按设计尺寸与材料自重标准值计算。,楼（屋）面活荷载,作用在多高层框架结构上的楼（屋）面活荷载，可根据,房屋及房间的不同用途按,建筑结构荷载规范,取用。,风荷载,雪荷载,4.4,竖向荷载作用下框架结构的内力计算,分层法,弯矩二次分配法,结构力学方法（力法、位移法）；迭代法。,4.4.1.1,计算假定,框架的侧移忽略不计，即不考虑框架结构的侧移对其内力,的影响；,每层梁上的荷载对其他各层梁、柱内力的影响可忽略不,计，仅考虑对本层梁及其上、下柱的内力的影响。,4.4.1,分层法,4.4.1.2,计算步骤与要点,分层（无侧移敞口框架，各柱端均为固定端,）,计算各敞口框架的杆端弯矩,(,无侧移框架，弯矩分配法,),梁端,M,：各层计算结果,梁端,V,、梁跨中,M,：用静力平衡条件计算,计算杆端,M,分配系数、梁固端,M,。,全部节点不平衡,M,进行第一次分配。,所有杆端,M,向其远端传递。,对新的不平衡,M,进行第二次分配，使各节点处于平衡状态。,各杆端固端,M,分配,M,传递,M,，即得各杆端,M,。,4.4.2,弯矩二次分配法,计算步骤,4.5,水平荷载作用下框架结构内力和侧移的近似计算,D,值法,反弯点法,门架法,节点产生侧移和转角，且越靠近底层越大；,梁、柱中有反弯点；,梁、柱弯矩图均为直线。,4.5.1,水平荷载作用下框架结构的受力及变形特点,关键,特点,确定层间剪力在各柱间的分配；,确定各柱的反弯点位置。,水平荷载作用下框架结构的变形图及弯矩图,4.5.2,D,值法,4.5.2.1,层间剪力在各柱间的分配,框架结构第,i,层的,层间剪力,V,i,可表示为,第,i,层第,j,柱分配到的剪力,V,ij,变形条件,物理条件,D,ij,表示框架结构第,i,层第,j,柱的侧向刚度，其物理意义为框架柱两端产生单位相对侧移所需的水平剪力。,平衡条件,将物理条件代入平衡条件，考虑变形条件可得,将上式代入平衡条件，可得,每根柱分配的剪力与其抗侧刚度成比例。,4.5.2.2,框架柱的侧向刚度,一般规则框架中的柱,柱高不等及有夹层的柱,一般层,底层,规则框架：,层高、跨度、柱线刚度、梁线刚度分别相等。,基本假定,一般规则框架中的柱,柱两端及与之相邻各杆远端的转角均相等,柱及与之相邻的上下层柱的弦转角均相等,柱及与之相邻的上下层柱的线刚度均相等,框架柱侧向刚度计算图示,柱抗侧移刚度,一般层,B,点：,整 理，得,：,两式相加，得：,可由,A,、,B,节点力矩平衡条件求得,:,A,点：,表示节点两侧梁平均线刚度与柱线刚度的比值，简称,梁柱线刚度比,。,柱侧向刚度修正系数，反映了节点转动降低了柱的侧向刚度。节点转动的大小取决于梁对节点转动的约束程度。,这表明：,梁线刚度越大，对节点的约束能力越强，,节点转动越小，柱的侧向刚度越大。,底层,同理，当底层柱的下端为铰接时，可得：,，,式中,令,则，,当 取不同值时，通常在,(,1),(,0.67),范围内变化，为简化计算且在保证精度的条件下，可取 ，则得,故,柱侧向刚度修正系数,柱高不等及有夹层的柱,当底层中有个别柱的高度,h,a,、,h,b,与一般,柱的高度不相等,时，其层间水平位移 对各柱仍是相等的，因此仍可用侧向刚度式计算这些不等高柱的侧向刚度。,当,同层中有夹层,时，对于特殊柱,B,，其层间水平位移为,则,B,柱的侧向刚度,为,4.5.2.3,柱的反弯点位置,柱的反弯点高度,是指柱下端至柱中反弯点的距离。,影响柱反弯点高度的因素,上、下横梁线刚度变化,上、下层层高变化,框架各柱的反弯点高度比,y,可用下式表示为：,y,=,y,n,+,y,1,+,y,2,+,y,3,反弯点高度比,y,n,标准反弯点高度比,y,1,上、下横梁线刚度变化时反弯点高度比的修正,y,2,和,y,3,上、下层层高变化时反弯点高度比的修正值,标准反弯点高度比,y,n,规则框架的反弯点高度比。配套教材附表,7.1,附表,7.3,。,上、下横梁线刚度变化时反弯点高度比的修正值,y,1,，反弯点上移，,y,1,为正,，反弯点下移，,y,1,为负,取,当,当,取,上、下层层高变化时反弯点高度比的修正值,反弯点上移，,y,2,为正,反弯点下移，,y,2,为负,反弯点下移，,y,3,为负,反弯点上移，,y,3,为正,4.5.2.4,计算要点,计算框架结构各层层间剪力,对框架每一层，计算各柱的侧向刚度,计算每个柱所分配的剪力,确定每个柱的反弯点高度比,y,计算柱上、下端的弯矩,根据节点平衡条件，计算梁端弯矩,根据梁端弯矩，由平衡条件计算梁端剪力，再进而计算,柱轴力。,4.5.3,反弯点法,应用条件：梁的线刚度比柱的线刚度大很多（,i,b,/,i,c,3,）。,柱侧向刚度：,反弯点的位置：各柱反弯点位于柱中央，底层近似认为,在距底,2,h,/3,处。,方法与,D,值法类似，但忽略梁柱节点转角的影响，更简单。,4.5.4,门架法,门架法假定所有,柱子的反弯点,都在柱中点，所有,梁的反,弯点,都在梁跨中；,每根柱子所承担的层间剪力,比例等于该柱支承框架梁的,长度与框架总宽度之比。,门架法比反弯点法更简单，但其,精度较差,。,4.5.5,框架结构侧移的计算与控制,梁、柱弯曲变形,引起的侧移,柱轴向变形,引起的侧移,前者是由水平荷载产生的层间剪力引起的，其侧移,曲线与等截面剪切悬臂柱的剪切变形曲线相似，曲,线凹向结构的竖轴，层间相对侧移是下大上小，称,这种变形为框架结构的,总体剪切变形,；,后者主要是由水平荷载产生的倾覆力矩引起的，侧,移曲线凸向结构竖轴，其层间相对侧移下小上大，,故称为框架结构的,总体弯曲变形,。,框架结构的剪切型变形,框架结构的弯曲型变形,4.5.5.1,弯曲变形引起的侧移,第,i,层层间相对侧移,第,i,层楼面标高处侧移,框架顶点侧移,4.5.5.2,轴向变形引起的侧移,计算较复杂，可借助计算机用,矩阵位移法,求得精确值，也可用近似方法。一般采用,连续积分法,，该法假定水平荷载只在边柱中产生轴力及轴向变形。,顶点位移,V,0,结构底部总剪力；,F,(,b,),与,b,有关的函数，根据荷载作用形式,不同选择不同公式计算，详见配套教,材。,4.5.5.3,水平位移控制,框架结构的侧向刚度宜合适，不过大或过小，一般以使结,构满足,层间位移限值,为宜。,层间位移角限值，框架取,1/550,，其,确定原则,为：,u,/,h,u,/,h,保证主体结构基本处于弹性受力状态。即柱不出现,裂缝；梁等楼面构件的裂缝限制在规范允许范围之内。,保证填充墙、隔墙和幕墙等非结构构件的完好，避免,产生明显裂缝和破坏。,4.6,荷载效应组合与构件设计,4.6.1,荷载效应组合,框架结构在各种荷载作用下的荷载效应（内力、位移等）确定之后，必须进行荷载效应组合，才能求得框架梁、柱各控制截面的最不利内力。,4.6.1.1,控制截面及最不利内力,及相应的,框,架,梁,梁端,跨中,框,架,柱,上、下端,及相应的,及相应的,及相应的,内力组合前应将各种荷载作用下柱轴线处梁的弯矩值换算到,柱边缘,处。,梁端的控制截面,4.6.1.2,活荷载的不利布置,楼面活荷载是随机作用于结构上的竖向荷载，设计中，一般按下述方法确定框架结构楼面活荷载的最不利布置。,布置法,最不利布置法,逐层逐跨布置法,布置方法,框架杆件的变形曲线,框架结构活荷载不利布置示例,4.6.1.3,效应组合,由于框架结构的侧移主要是由水平荷载引起的，通常不考虑竖向荷载对侧移的影响，所以荷载效应组合实际上是指内力组合。,考虑设计使用年限为,50,年时，,4.6.2,构件设计,4.6.2.1,框架梁,受弯构件正截面受弯承载力计算：,确定纵筋数量。,受弯构件斜截面受剪承载力计算：,确定箍筋数量。,梁端调幅,考虑梁端塑性变形内力重分布，对竖向荷载作用下梁端负弯矩进行调幅。,负弯矩,调幅系数,现浇式：可取,0.8,0.9,装配整体式：可取,0.7,0.8,（节点处钢筋焊接、锚固、接缝不密实等，节点整体性不如现浇）,调幅原因,避免梁支座负钢筋过分拥挤,抗震结构中形成梁铰破坏机构增加结构的延性,跨中弯矩,应按平衡条件相应增大,4.6.2.2,框架柱,柱截面最不利内力的选取,偏心受压构件正截面受压承载力计算：,确定纵筋数量,偏心受压构件斜截面受剪承载力计算：,确定箍筋数量,大偏心受压组：,M,相差不多时，,N,越小越不利,小偏心受压组：,M,相差不多时，,N,越大越不利,N,相差不多时，,M,越大越不利,N,相差不多时，,M,越大越不利,楼盖类型,柱的类别,l,0,现浇楼盖,底 层 柱,1.0,H,其余各层柱,1.25,H,装配式楼盖,底 层 柱,1.25,H,其余各层柱,1.5,H,框架柱计算长度,4.6.2.3,叠合梁,叠合梁示意图,在装配整体式框架中，为了节约模板，方便施工，并增强结构的整体性，框架的横梁常采用二次浇捣混凝土。,4.7,框架结构的构造要求,4.7.1,框架梁,纵筋,箍筋,最小配筋率,最大配筋率,顶面和底面沿全长应至少各配置两根纵筋，直径不,应小于,12mm,。,应沿框架梁全长设置箍筋。,箍筋的直径、间距、配筋率等要求与一般梁的相同。,4.7.2,框架柱,4.7.2.1,柱纵向钢筋的构造要求,形式,宜对称配筋，直径不宜小于12mm,全部纵筋配筋率,采用,HRB400,、H,RB,F,400,时，,0.5,5,%,；采用HRB500、HRBF500时，,0.5%,;,C60,时，应将上述两值分别增加0.1%；,不宜,5%,每一侧纵筋配筋率,不应,0.2%,间距,不宜,300mm,，净距不应,50mm,连接,不应与箍筋、拉筋及预埋件等焊接,4.7.2.2,柱箍筋的构造措施,柱箍筋形式,4.7.3,梁柱节点,箍筋构造：,节点内的箍筋应符合框架柱箍筋的构造要求，,且其箍筋间距不宜大于,250mm,。,连接要求：,在保证结构整体受力性能的前提下，连接形式,力求简单，传力直接，受力明确。,梁柱节点处于剪压复合受力状态，为保证节点具有足够的受剪承载力，防止节点产生剪切脆性破坏，必须在节点内配置足够数量的水平箍筋。,4.7.4,钢筋连接与锚固,梁上部纵向钢筋,梁下部纵向钢筋,顶层中节点柱纵向钢筋和边节点柱内侧纵向钢筋,顶层端节点处柱外侧纵向钢筋,中间层中间节点处梁上、下部纵向钢筋,4.8,基础设计,4.8.1,基础形式的选择,基础类型：,柱下独立基础、条形基础、十字交叉条形基,础、筏形基础、箱形基础和桩基础等。,基础选择原则：,应根据工程地质和水文地质条件、上部,结构的层数和荷载大小、上部结构对地,基土不均匀沉降以及倾斜的敏感程度、,施工条件等因素，选择合理的基础型式。,基础类型,4.8.2,条形基础,4.8.2.1,基础尺寸确定,构造要求,基础高度,肋梁宽度,翼板厚度,柱下条形基础的尺寸和构造,当基底压力为梯形分布时,翼板宽度计算,基底压力均匀分布时,，直接按上式计算,先按上式求出,b,f,，并将,b,f,乘以增大系数,1.2,1.4,；,然后根据求出的,b,f,计算得出基底压力；,进行地基承载力验算；,如不满足要求，则可调整,b,f,，直至满足为止。,4.8.2.2,地基承载力验算,荷载效应标准组合,4.8.2.3,基础内力分析,倒梁法假定条形基础的,基底反力为直线分布,，把柱子作为,不动铰支座,，基底净反力作为,荷载,，支座之间不产生相对竖向位移，将基础视为一,倒置的连续梁,进行内力分析。,按倒梁法求得的条形基础梁边跨跨中弯矩及第一内支,座的弯矩值宜乘以,1.2,的系数；,用倒梁法计算所得的支座反力一般不等于原先用以计,算基底净反力的竖向柱荷载。若二者相差超过工程容,许范围，可做必要的调整；,在基底净压力作用下，倒,T,形截面的基础梁，其翼板的,最大弯矩和剪力发生在肋梁边缘截面，可沿基础梁长,度方向取单位板宽，按倒置的悬臂板计算内力。,4.8.2.4,配筋计算与构造,（,4.43,）,肋梁应进行,正截面受弯承载力,计算,翼板的受力钢筋按,悬臂板根部弯矩,计算,肋梁配筋,翼板配筋,4.8.3,十字交叉条形基础,基础特点：,由柱网下的纵横两组条形基础组成，在条形基,础的交叉点处承受上部结构传来的集中荷载,和弯矩。,内力计算：,精确计算较复杂，工程中多采用简化方法。,对于弯矩不予分配，由弯矩所在平面的单向条形基础,负担；,对于竖向荷载则按一定原则分配到纵、横两个方向的,条形基础上，然后分别按单向条形基础进行内力计算,和配筋。,4.9,剪力墙与框架,剪力墙结构的受力特征,4.9.1,剪力墙结构,剪力墙结构：,房屋的竖向承重结构全部由剪力墙组成。,4.9.1.1,剪力墙结构特点,优点：,缺点：,结构自重较大，建筑平面布置局限性大。,楼板直接支承在墙上，房间墙面及天花板平整，,层高较小，特别适用于住宅、宾馆等建筑；,剪力墙的水平承载力和侧向刚度均很大，侧向变,形较小。,4.9.1.2,结构承重方案,大开间横墙承重,小开间横墙承重,大间距纵、横墙承重,房屋使用空间大，建筑平面布置灵活；自重较轻，基础费用相对较少；横墙配筋率适当，结构延性增加。楼盖跨度大，材料用量大。,横墙数量多、墙体承载力未充分利用，建筑平面布置不灵活，房屋自重及侧向刚度大，水平地震作用大。,比小间距方案优越，满足对多种用途和灵活隔断等的需要。,4.9.1.3,剪力墙的布置,布置原则,剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向或多向布置；,剪力墙不宜布置得太密，使结构具有适宜的侧向刚度；,剪力墙宜自下到上连续布置，避免刚度突变；,剪力墙的门窗洞口宜上下对齐，成列布置；,剪力墙结构应具有延性，墙段的长度不宜大于,8m,；,短肢剪力墙较多时，应布置成简体或以,T,形、十字形、,L,形连接。,4.9.2,框架,剪力墙结构,4.9.2.1,框架,剪力墙结构特点,主要结构形式,框架和剪力墙分开布置，各自形成,独立的抗侧力结构,。,在框架结构的若干跨内嵌入剪力墙，框架相应跨的柱和,梁成为该片墙的边框，称为,带边框剪力墙,。,在单片抗侧力结构内,连续分别布置框架和剪力墙,。,上述两种或三种形式的,混合,。,框架,-,剪力墙结构，各层楼盖因其巨大的水平刚度使框架与剪力墙的变形协调一致，因而其侧向变形介于剪切型与弯曲型之间，一般属于,弯剪型,。,弯曲型,剪切型,弯剪型,4.9.2.2,框架,剪力墙结构中剪力墙的布置,设置剪力墙数量的依据：,满足结构的水平位移限值要求。,剪力墙的布置,剪力墙设置过少，则侧移过大；,剪力墙设置过多，则地震作用增加，且大部分被剪力,墙吸收，框架的作用不能充分发挥。,原则：,控制刚度中心的位置，提高抗扭能力。,