多层及高层建筑结构设计.ppt

多层及高层砼建筑结构设计,第四章 框架结构设计,目录,绪论 第一章 高层建筑结构体系及布置 第二章 高层建筑结构上的作用 第三章 计算原则及一般规定 第四章 框架结构设计 第五章 剪力墙结构设计 第六章 框架-剪力墙结构,第四章 框架结构设计,4.1 框架结构的布置 4.2 梁、柱截面尺寸的确定 4.3 竖向荷载作用下框架结构内力的近似计算-分层法 4.4 水平荷载作用下框架结构内力的近似计算-反弯点法 4.5 水平荷载作用下框架结构内力的近似计算-D值法 4.6 框架结构的侧移近似计算 4.7 梁柱截面设计及构造,4.1 框架结构的布置,1应沿建筑的两个主轴方向都应设置框架。 2抗震设计的框架结构不宜采用单跨框架。 3.抗震的钢筋混凝土框架柱网一般不宜超过68m。 过大的柱网将给实现强柱弱梁及延性框架增加一定困难。 4. 框架梁、柱中心线宜重合。 6-8度抗震设计时不宜大于柱截面在该方向柱宽的1/4，否则可采取设梁的水平加腋等措施,5. 框架结构按抗震设计时，不得采用部分由砌体墙承重之混合形式。（高规此条为强制性条文） 框架结构中的楼、电梯及局部突出屋顶的电梯机房、楼梯间、水箱间等，应采用框架承重，不应采用砌体墙承重。框架结构中有填充墙时，填充墙在平面和竖向的布置，宜均匀对称，一、二级抗震的框架，宜采用轻质填充墙，或与框架柔性连接的墙板，粘土砖填充墙应符合下列要求： 避免形成上、下层刚度变化过大； 避免形成短柱 减少因抗侧刚度偏心所造成的扭转。 抗震设计时，填充墙及隔墙应注意与框架及楼板拉结，并注意填充墙及隔墙自身的稳定性；,小柱：支撑楼梯休息平台梁,短柱,当柱高小于4倍柱截面高度（H/b4)时形成短柱。,短柱刚度大，易产生剪切破坏。,角柱,由于双向受弯、受剪,加上扭转作用，震害比内柱重。,6. 抗震设计的框架结构中，当楼、电梯间采用钢筋混凝土墙时，结构分析计算中，应考虑该剪力墙与框架的协同工作。 如果在框架结构中布置了少量剪力墙(例如楼梯间)，而剪力墙的抵抗弯矩少于总倾覆力矩的50%时，则规范要求该结构按框架结构确定构件的抗震等级，但是内力及位移分析仍应按框架-剪力墙结构进行，否则对剪力墙不利。如因楼、电梯间位置较偏等原因，不宜作为剪力墙考虑时，可采取将此种剪力墙减薄、开竖缝、开结构洞、配置少量单排钢筋等方法，以减少墙的作用，此时与墙相连的柱子，配筋宜适当增加。,7. 框架沿高度方向各层平面柱网尺寸宜相同。柱子截面变化时，尽可能使轴线不变，或上下仅有较小的偏心。 当某楼层高度不等形成错层时，或上部楼层某些框架柱取消形成不规则框架时，应视不规则程度采取措施加强楼层，如加厚楼板、增加边梁配筋。,back,可能形成 短柱,应力集中、楼板受到削弱,4.2 梁柱截面尺寸的确定及梁刚度取值,1.框架梁截面尺寸 框架梁截面尺寸应根据承受竖向荷载的大小、跨度、抗震设防烈度、混凝土强度等诸多因素综合考虑确定。 框架梁截面高度： 梁截面宽度 为了降低楼层高度，或便于通风管道等通行，必要时可设计成宽度较大的扁梁。此时应根据荷载及跨度情况，满足梁的挠度限值，扁梁截面高度可取(1/151/18)梁跨度。,2.框架梁截面惯性矩 在进行框架的内力和位移计算时，现浇楼板、上有现浇叠合层的预制楼板和楼板虽无现浇叠合层但为拉开预制板板缝且有配筋的装配整体叠合梁，均可考虑梁的翼缘作用。增大梁的惯性矩。此时框架梁的惯性矩可按下表取值。,3.对框架梁的截面尺寸要求 框架梁应具有足够的抗剪承载力。矩形、T形和工字形截面梁其截面能组合的剪力设计值应符合下列条件：,(1) 无地震作用组合时：,(2) 有地震作用组合时： 跨高比大于2.5的梁,跨高比不大于2.5的梁,式中 框架梁的剪力设计值； 混凝土轴心抗压强度设计值； 梁截面宽度和有效高度； 承载力抗震调整系数为0.85； 混凝土强度影响系数，当混凝土强度等级不大于 C50时取1.0；当混凝土强度等级为C80时取0.8，其间按线性内插取用。,(3) 为了使框架梁具有较好的变形能力，梁端的受压高度应满足以下要求：,式中 相对界限受压区高度,抗震等级：结构体系、 房屋高度、设防烈度,如果梁的受压区x不满足上式要求时，应增大梁的截面尺寸。 在确定梁端混凝土受压区高度时，可考虑梁的受压钢筋计算在内。 式中 受拉钢筋的强度设计值； 钢筋的弹性模量； 梁的截面有效高度； 混凝土受压区高度； 混凝土强度影响系数。,4 柱截面尺寸的确定,框架柱截面尺寸，可根据柱支承的楼层面积计算由竖向荷载产生的轴力设计值Nv，(荷载分项系数可取1.25)，按下列公式估算柱截面积 ，然后再确定柱边长。,(2)有水平地震作用组合时,为增大系数，框架结构外柱取1.3,不等跨内柱取1.25，等跨内柱取1.2；框剪结构外柱取1.11.2，内柱取1.0。,(1)仅有风荷载作用或无地震作用组合时,（3）有地震作用组合时柱所需截面面积为：,其中 为混凝土轴心抗压强度设计值， 为柱轴压比限值见表。 当不能满足公式时，应增大柱截面或提高混凝土强度等级。,结构类型 抗震等级 一级 二级 三级 框架结构 0.70 0.8 0.9 框架-剪力墙 0.75 0.85 0.95,柱轴压比限值,5.柱截面尺寸要求,非抗震设计时，不宜小于250mm,抗震设计时不宜小于300mm;圆柱截面直径不宜小于350mm;柱剪跨比宜大于2；柱截面高宽比不宜大于3。 剪跨比是反映柱截面所承受的弯矩与剪力相对大小的一个参数，表示为： =M/(Vhb),框架柱剪跨比可按下式计算：,式中 框架柱的剪跨比。反弯点位于柱高中部的框架柱，可取柱净高与2倍柱截面有效高度之比值； M柱端截面组合的弯矩计算值，可取上、下端的较大值； V柱端截面与组合弯矩计算值对应的组合剪力计算值； 计算方向上截面有效高度。,柱的剪跨比宜大于2，以避免产生剪切破坏，在设计中，楼梯间、设备层等部位难以避免短柱时，除应验算柱的受剪承载力以外，还应采取措施提高其延性和抗剪能力。 框架柱截面尺寸应满足抗震要求，矩形截面柱应符合下列要求： 无地震组合时,有地震组合时,剪跨比大于2的柱,式中 框架柱的剪力设计值； 混凝土轴心抗压强度设计值； 柱截面宽度和截面有效高度； 承载力抗震调整系数为0.85； 当C50时， 取1.0，C80时， 取0.8； C50C80时取其内插值。,如果不满足公式时，应增大柱截面或提高混凝土强度等级。,剪跨比不大于2的柱,back,4.3 竖向荷载作用下框架结构内力的近似计算-分层法,在竖向荷载作用下多层框架 （1）侧移小可用弯矩分配法； （2）当荷载作用在某一层时，只有受荷的梁及与它相连的上下层柱弯矩较大，其他各层梁柱承受的弯矩小。 分层计算,1.分层法计算的基本假定 （1）忽略侧移； （2）每层只承受该层竖向荷载，不考虑其他各层荷载对他的影响。,分层法的计算原理,平面框架竖向荷载作用下的内力分析方法-分层法,back,梁固端弯矩,节点分配,弯矩传递,弯矩叠加,节点平衡,构件平衡,梁柱剪力,节点平衡柱轴力,2. 计算的修正 （1）除底层柱外，其他各层柱的线刚度乘以0.9的折减系数； （2）弯矩传递系数取1/3，远端为嵌固时取1/2。 修正的原因：计算简图与实际的有误差。 实 际：梁柱节点为弹性，柱端有转角； 计算简图：梁柱节点为嵌固，柱端转角为零。 过高估计了柱的刚度。,柱线刚度的修正 弯矩传递系数的修正,3.其他说明,（1）高层建筑框架结构，在竖向荷载作用下采用手算进行内力分析时，可不考虑框架的侧移影响，可采用力矩分配法或迭代法。 （2）根据高层建筑层数多、上部各层竖向荷载多数相同或出入不大、各层层高多数相同和梁柱截面变化较小等特点，竖向荷载作用下可采用分层法进行简化计算内力。 （3）框架梁端的弯矩调幅只在竖向荷载作用下进行，水平力作用下梁端弯矩不允许调幅。因此，必须先对竖向荷载作用下梁端弯矩按调幅计算后的各杆弯矩再与水平力作用下的各杆弯矩进行组合，而不应采用竖向荷载作用下与水平力作用下计算所得弯矩组合后再对梁端弯矩进行调幅。,（4） 框架梁在竖向荷载作用下，梁端负弯矩允许考虑塑性变形内力重分布予以适当降低，可采用调幅系数,对于现浇框架,对于装配整体式框架,为计算方便，在求梁固端弯矩值时先可乘以调幅系数 值，然后再进行框架弯矩分配计算。,（5）高层建筑在竖向荷载作用下，活荷载一般按均布考虑，不进行不利分布的计算。但是，当活荷载值较大（大于4kN/m2）时，应考虑其不利分布对梁跨中弯矩的影响。 （6）竖向荷载作用下，框架梁跨中计算所得的弯矩值小于按简支梁计算的跨中弯矩的50%时，则至少按简支梁计算的跨中弯矩的50%进行截面配筋。,back,作业：如图为两层两跨框架，各层横梁上作用均布线荷载。图中括号内的数值表示杆件的相对线刚度值；梁跨度值与柱高度值均以mm为单位。试用分层法计算各杆件的弯矩，并绘出弯矩图。,4.4 水平荷载作用下框架结构内力的近似计算-反弯点法,1、水平荷载作用下框架结构的受力及变形特点,（1）层间相对水平位移引起的柱子变形特点 反弯点在柱的中点 （2）节点转角引起的柱子变形特点,2、计算假定 （1）横梁为无限刚性，即各柱端无转角； （2）底层柱反弯点位于柱下端2/3处，其他各层柱反弯点在柱高中点处。 3、反弯点法的计算步骤 （1）各柱承担的剪力 由结构力学知：两端固定柱的侧向刚度为 则,（2）各柱柱端弯矩 同理可求出其他柱柱端弯矩 （3）梁端弯矩 边节点 中间节点,4、反弯点法的计算要点 （1）确定反弯点的高度；假定柱上下端转角相等 （2）确定各柱的剪力分配系数（抗侧移刚度） 假定梁柱节点转角为零 随着层数的增加，柱子的截面尺寸加大，梁柱线刚度比值减少，节点转角不能忽略，反弯点法的计算误差增大，须修正。,back,思考题： 结合反弯点法的计算假定，说明反弯点法计算框架结构在水平荷载作用下内力的适用范围。,4.5 水平荷载作用下框架结构内力的近似计算-D值法,4.5.1 柱的侧向刚度 1.假定 （1）所分析柱的上下两端转角以及与该柱相连的所有各杆远端的节点转角相等； （2）所分析柱的线刚度与之相邻的上下柱的线刚度均相等； （3）所分析柱及与之相邻上下层柱的弦转角均相等。,2. 转角位移方程 3. 求 与 的关系 由节点力矩平衡条件 将两式相加，得,式中： 梁柱线刚度比值； 4. 求柱的侧向刚度 柱AB受到的剪力 柱侧向刚度 梁柱线刚度比值对柱侧向刚度的影响系数，,4.5.2 柱的反弯点高度 假定：同层各节点转角相等。即各层横梁的反弯点在跨中，且该点无竖向位移。,标准反弯点高度比y0 规则框架：各层梁、柱的线刚度及层高均相等。 可求出在均布荷载、倒三角荷载、顶点集中荷载作用下规则框架的 标准反弯点高度比。 2. 上、下横梁线刚度比变化时反弯点高度比的修正值y1 3. 上、下层高变化反弯点时高度比的修正值y2 、y3 4. 反弯点高度,4.5.3 D值法的计算步骤,采用D值法进行计算时，其步骤为： 利用平衡条件，求出各楼层剪力 。 将楼层剪力 按该层各柱的D值比例分配到各柱，得到柱剪力 求出柱的反弯点y，由剪力 及反弯点高度y计算出柱上下端弯 矩。 根据梁柱节点平衡条件，梁柱节点的上下柱端弯矩之和应等于 节点左右边梁端弯矩之和，从而求得梁端弯矩值。 将框架梁左右端弯矩之和除以梁的跨度，则可得到梁端剪力。 从上到下逐层叠加梁柱节点左右边梁端剪力值，可得到各层柱 在水平力作用下的轴力值。,D值法与反弯点法的区别 1. 在确定柱的侧向刚度时，D值法考虑了节点有转角；而反弯点法认为节点转角为零； 2. 在确定反弯点高度时，D值法考虑了上下节点转角的差别；而反弯点法认为反弯点在柱高1/2处。,小结,back,作业：试采用D值法求图示框架的弯矩，并绘出弯矩图。图中括号内的数字表示杆件的相对线刚度值。,4.6 框架结构侧移的近似计算,1、高层建筑框架结构的水平位移=梁柱弯曲变形产生的侧移+ 柱子轴向变形产生的侧移,总体剪切变形,总体弯曲变形,式中 第i层的楼层剪力； 第i层所有柱抗推刚度之和， 框架的顶点由于梁柱弯曲变形产生的变形为：,2、梁柱弯曲变形产生的侧移,3、柱子轴向变形产生的侧移 当房屋高度较大（H50m）或高宽比较大（H/B4）时考虑.,式中 底部剪力； B框架的宽度，即边柱间距； 框架底层柱的混凝土弹性模量； 框架底层边柱截面面积； 位移系数，取决于水平力形式、顶层柱与底层柱的轴向刚度比，由表查得。表中 为顶层边柱与底层边柱的轴向刚度比； H框架总高度。,back,4.7 梁柱截面设计及构造 4.7.1 构件设计中的一些重要规定,1、框架结构的简化手算方法分析内力和位移，应分别在竖向荷载、风荷载或地震作用下单独进行计算，然后按非抗震设计时荷载效应的组合或抗震设计时荷载效应与地震作用效应的组合。 2、组合后的框架侧向位移应校核是否满足位移限制值的要求。如果已满足，则按组合后的内力进行构件截面设计，不满足时，则应修改构件截面大小或提高混凝土强度等级，然后再进行内力和位移计算，直至侧向位移满足限制值。,3、风荷载及水平地震作用时，应按两个主轴方向作用分别进行内力和位移计算，每个方向水平力必须考虑正、反两个方向作用。 4、在有斜交布置抗侧力框架结构中，当沿斜交方向作用的水平力可能使斜交抗侧力框架的内力比主轴方向水平力产生的内力更大时，则应计算这斜向水平力作用下的内力。 5、内力组合后的取用值，梁端控制截面在柱边，柱端控制截面在梁底及梁顶。按轴线计算简图得到的弯矩和剪力值宜换算到设计控制截面处的相应值。为了简便设计，也可采用轴线处的内力值，但是这将增大配筋量和结构的承载力。,6、框架梁、柱构件截面应分别按正截面承载力计算和斜截面承载力计算，并应按有关规定要求进行构造配筋。 7、有抗震设防的框架角柱，应按双向偏心受压构件计算。抗震等级为一、二、三、级时，角柱的内力设计值宜乘以增大系数。 8、地震区的高层建筑框架结构，要求强柱弱梁、强剪弱弯、强底层柱根，抗震等级为一、二、三级时，梁、柱内力设计值均应乘以提高系数。 9、框架梁、柱节点，应设计成强节点，使节点区在地震作用下能基本处于弹性状态，避免出现脆性破坏。抗震等级为一、二级时，节点应进行受剪承载力的验算。 框架梁、柱节点区，必须配置箍筋，并保证梁的纵向钢筋锚固。,4.7.2 框架梁柱构造要求,1、抗震框架梁纵向钢筋构造,2、抗震框架梁箍筋构造,（1）梁端箍筋加密区的构造要求,(2)、第一个箍筋应设置在距构件节点边缘不大于50mm处； (3)、梁箍筋加密区长度内的箍筋肢距；一级抗震等级不宜大于200mm及20倍箍筋直径的较大值；二、三级抗震等级不宜大于250mm及20倍箍筋直径较大值，四级抗震等级不宜大于300mm;,两种破坏形式,弱柱型（柱铰机制）,弱梁型（梁铰机制