多层框架结构设计1.ppt

,第 4 章 多层框架结构设计,混凝土房屋结构设计,框 架,12层 39层 10层或28m,房屋按高度和层数分类,低层,多层,高层,混凝土房屋按结构形式分类,框架结构,排架结构、门式刚架结构,框架剪力墙结构、剪力墙结构、筒体结构、巨型结构等,混凝土房屋结构设计,框 架,4.1,框架结构的组成与布置,4.1.1 框架结构的组成和特点 框架结构的组成 由梁、柱线形杆件刚接组成的结构称为框架。 框架有等跨的，也有不等跨的；层高可以相等亦可以不相等。 有时因使用要求还可在某层缺梁或某跨缺柱。 若建筑中的所有抗侧力单元全部采用框架，称为框架结构体系。,混凝土房屋结构设计,框 架,框架结构示例,缺梁的框架 内收的框架 有斜梁的框架,混凝土房屋结构设计,框 架,优点 结构轻巧； 整体性好； 可形成大空间； 施工方便； 较为经济。,框架结构的特点,缺点 抵抗水平荷载能力差； 侧向刚度小，侧移大 ； 受地基的不均匀沉降影响大 。,混凝土房屋结构设计,框 架,4.1.2 结构布置的一般原则,满足使用要求，并尽可能与建筑的平、立、剖面划分相一致； 满足人防、消防要求，使水、暖、电各专业的布置能有效地进行； 结构尽可能简单、规则、均匀、对称，构件类型少； 妥善地处理温度、地基不均匀沉降以及地震等因素对建筑的影响； 施工简便； 经济合理。,混凝土房屋结构设计,好,差,平面布置,框 架,混凝土房屋结构设计,好,差,竖向布置,框 架,混凝土房屋结构设计,4.1.3 结构布置方法,框 架,1.柱网的布置 柱网应根据建筑功能和使用要求布置； 柱网形式：根据建筑平面设计，可布置成内廊式、等跨式、 对称不等跨式等； 柱网尺寸（开间、进深）：主要由使用要求决定。 （民用建筑）一般开间 3.34.5 m 进深 4.57.0 m,混凝土房屋结构设计,框 架,柱网布置应使结构受力合理； 柱网布置应方便施工。,混凝土房屋结构设计,特点 房屋横向刚度大，侧移小； 横梁高度大，室内有效净空小。,2.承重框架的布置(按楼面竖向荷载传递路线的不同划分） 横向布置 横向框架承重,横向承重,框 架,混凝土房屋结构设计,特点： 连系梁截面较小，框架梁截面尺寸大，室内有效净空高； 对纵向地基不均匀沉降较有利； 房屋横向刚度小，侧移大。,纵向布置 纵向框架承重,纵向承重,框 架,混凝土房屋结构设计,特点： 整体性好，受力好； 适用于整体性要求 较高和楼面荷载较 大的情况。,双向布置 纵横向框架混合承重,双向承重,框 架,混凝土房屋结构设计,3.变形缝的设置 应尽量少设缝或不设缝 伸缩缝 主要与结构的长度有关。一般缝宽不宜小于50mm。 伸缩缝最大间距（m）,框 架,混凝土房屋结构设计,沉降缝 主要与基础受到的上部荷载及场地的地质条件有关。 缝宽不宜小于50mm。 沉降缝的构造 上部结构和基础都断开。 具体做法有：简支板式、单悬挑式、简支梁式、双悬挑式等。 防震缝 主要与建筑平面形状、高差、刚度分布、质量分布等有关。 缝宽：不应小于70mm，且对于框架结构，当高度超过15m时， 6读、7度、8度和9度设防相应每增加高度5m、4m、3m 和2m，缝宽宜加宽20mm。 防震缝两侧高度不同时，按较低房屋的高度确定缝宽。,框 架,混凝土房屋结构设计,4.2,框架结构的内力计算和水平位移验算,4.2.1 截面尺寸估算 框架梁截面尺寸估算,一般情况下：,梁净跨与截面高度之比不宜小于4,梁的截面宽度不宜小于200mm,框 架,混凝土房屋结构设计,hi 第i层层高； hc 柱截面高度； bc 柱截面宽度。,框架柱的截面边长不宜小于300 mm，圆柱的截面直径不宜小于350 mm。,截面的高宽比 不宜大于3,框架柱截面尺寸估算 基本要求,框 架,混凝土房屋结构设计,n 柱中轴向力设计值。 nv 柱支承的楼面荷载面积上竖向荷载产生的轴向力设计值。 近似将楼面板沿柱轴线之间的中线划分，恒载和活载的分 项系数均取1.25，或近似取1215 kn/m2进行计算。,n=（1.11.2）nv,框 架,轴压比要求 对于一、二、三级抗震等级，,剪跨比要求 柱的剪跨比宜大于2。 框架柱的计算剪跨比 ， 当框架柱的反弯点在柱层高范围内时，可取 。,混凝土房屋结构设计,4.4,4.2.2 计算简图的确定,框 架,竖向荷载作用下： 计算模型：平面框架 （规则框架） 计算单元：取一榀框架 计算简图：平面刚架 水平力作用下： 计算模型：平面协同分析模型 计算单元：取整个结构单元,手算,空间杆系模型,电算,混凝土房屋结构设计,平面框架计算单元的选取,计算单元选取,框 架,混凝土房屋结构设计,平面框架计算单元的选取,框 架,混凝土房屋结构设计,平面框架计算单元的选取,框 架,混凝土房屋结构设计,平面框架计算简图,实际结构,计算简图,框 架,混凝土房屋结构设计,跨度和层高,框 架,梁的跨度：柱轴线之间的距离 柱的高度：取层高 底层的层高是从基础顶面算起到第二层板顶的距离， 其余各层的层高取相邻两楼盖板顶至板顶间的距离。,框架柱线刚度 （弹性阶段）,i 框架柱截面惯性矩， 。,节点的模型化,现浇式框架：节点刚接，柱与基础刚接 装配式框架：节点铰接或半铰接，柱与基础刚接或铰接 装配整体式框架：节点刚接，柱与基础刚接,混凝土房屋结构设计,框 架,框架梁线刚度 （弹性阶段）,i 框架梁截面惯性矩，其取值见下表。,框架梁惯性矩取值,注： i0为梁按矩形截面计算的惯性矩， 。,混凝土房屋结构设计,4.2.3 荷载计算,框架荷载,垂直荷载,水平作用,恒载,活载,风载,地震作用,框架自重；粉灰重；板、次梁、墙体重。,楼面均布活荷载、屋面均布活荷载、雪荷载,框 架,混凝土房屋结构设计,水平作用和竖向荷载对结构内力的影响,框 架,荷载对结构内力的影响与房屋高度有关： 房屋较高时，水平作用的影响大， 竖向荷载在结构上产生的内力相对较小； 房屋较低时，竖向荷载的影响大， 水平作用在结构上产生的内力相对较小。,混凝土房屋结构设计,楼面活荷载折减,框 架,（1）统计梁上荷载时： 对于住宅、宿舍、旅馆、办公楼、医院病房、托儿所、幼儿园建筑，当负荷面积大于25m2时，楼面均布活荷载折减系数取为0.9。 （2）统计墙、柱、基础的荷载时： 根据计算截面以上的层数多少决定折减系数。 活荷载按楼层数的折减系数表,混凝土房屋结构设计,4.2.4 竖向荷载下的内力计算,楼面荷载分配原则,当采用装配式或装配整体式楼盖时，板上荷载通过预制板的两端传递给它的支承结构； 当采用现浇楼盖时，楼面上的恒载和活载根据每个区格板两个方向的边长比，沿单向或双向传递，区格板长边/短边3时沿单向传递，长边/短边3时沿双向传递。,框 架,混凝土房屋结构设计,现浇楼盖荷载传递示意图,框 架,混凝土房屋结构设计,竖向荷载作用下的内力计算方法（分层法）,基本假定 没有水平位移； 每层梁上的荷载只对本层梁及与其相连的上、下层 柱产生内力。,框 架,混凝土房屋结构设计,将框架分成若干个彼此互不关连的且柱端为完全固定的开口框架近似计算，可用弯矩分配法计算。,分层法计算示意图,框 架,分层法,注意事项： 分层法计算的各梁弯矩为最终弯矩，各柱的最终弯矩为与各柱相连两层计算弯矩的叠加； 在内力与位移计算中，所有构件均可采用弹性刚度。,混凝土房屋结构设计,（2）迭代法（不考虑框架侧移）,框 架,分层法计算的基本步骤 把一个n层框架分解为n个单层敞口框架，柱的远端假定为固接 ； 每一单层敞口框架用弯矩分配法计算其内力： 计算汇交于每一节点各杆的弯矩分配系数（按各杆件线刚度所占总线刚度的比例计算）； 按照单根固端梁计算荷载作用下的梁端弯矩，并求出汇交于每一节点的梁端弯矩之和（不平衡弯矩）； 将节点处的不平衡弯矩乘以各杆的弯矩分配系数，加负号后得到第一次分配的各杆端弯矩，梁端弯矩向远端传递； 将传递后的弯矩按照各杆端的弯矩分配系数分配，然后梁端弯矩再向远端传递，经过多次分配和传递，直到分配后的弯矩足够小； 求得各杆端所有分配得到和传递得到的弯矩之和，即为本层各杆件的杆端弯矩； 每一单层敞口框架计算得到的梁端弯矩即为最终的梁端弯矩，上下两层同一柱端的弯矩叠加得到最终的柱端弯矩。,混凝土房屋结构设计,线刚度修正,框 架,传递系数修正,底层柱的弯矩传递系数取1/2， 其他各层柱的弯矩传递系数取1/3。,混凝土房屋结构设计,由于除底层外上层各柱的柱端实际 为弹性固定（即其他各层柱端均有转角）。计算简图中假定为完全嵌固，为减少计算误差，作以下修正）： 除底层柱外，上层各柱的线刚度乘 以0.9的修正系数；,框 架,混凝土房屋结构设计,4.2.5 水平荷载作用下的内力近似计算,框 架,（a）框架变形图 （b）框架弯矩图 水平荷载作用下框架的变形图和弯矩图,混凝土房屋结构设计,4.2.5 水平荷载作用下的内力近似计算,4.2.5 水平荷载作用下的内力近似计算,反弯点法基本假定,在进行框架柱的剪力分配时，假定框架梁的线刚度为无穷大，则每根框架柱上下端转角为零，只发生水平侧移； 在确定反弯点位置时，假定除底层柱外，其余柱的上下端转角相等。,框 架,（1）反弯点位置及假定 反弯点弯矩为零的点 反弯点位置按右图取值： （以ei梁=为前题）,反弯点位置图,混凝土房屋结构设计,（1）反弯点处的剪力计算 柱的剪力按同层柱的抗侧移刚度之比分配。 柱的侧移刚度：柱上下两端产生相对单位水平位移时，柱中所产生的剪力。柱的侧移刚度除与它自身的材料，截面特征和长度有关外，还与其两端的支承约束情况有关。,eici 第i根柱的截面刚度； hi 第i根柱的柱高。,di,框 架,两端固接柱：,混凝土房屋结构设计,反弯点法计算步骤,以三层框架为例，用反弯点法计算水平荷载作用下框架的内力。 顶层：,因此各柱的剪力为：,框 架,混凝土房屋结构设计,第二层,各柱的剪力为：,框 架,混凝土房屋结构设计,第一层,各柱的剪力为：,框 架,混凝土房屋结构设计,（2）弯矩求解 柱端弯矩：已知反弯点处的剪力值便可以求出每一根柱各截面的弯矩。 梁端弯矩：分边柱节点和中间柱节点两种情况处理。 边节点：,框 架,混凝土房屋结构设计,中节点：,框 架,混凝土房屋结构设计,框 架,混凝土房屋结构设计,（3）梁端弯矩求出后，以梁为截离体，将梁的左右端弯矩除以该梁的跨长，便得到梁端剪力。自上而下逐层叠加节点左右的梁端剪力，即课得到柱内轴向力。,4.2.5 水平荷载作用下的内力近似计算,反弯点法的适用范围,适用于框架节点处梁柱线刚度比不小于3的框架结构； 布置均匀（层高和跨度变化不大），层数不多的框架结构； 常用于在初步设计中估算梁和柱在水平荷载作用下的弯矩值。,框 架,反弯点位置图,混凝土房屋结构设计,d值法,（1）反弯点法存在的问题,柱的抗侧刚度只考虑了柱的线刚度和柱高，未考虑节点梁柱线刚度比的影响；当梁柱线刚度较为接近或梁的刚度小于柱的刚度时，框架柱的抗侧刚度不能用前面的公式计算。 认为反弯点的位置是固定不变的，实际上它与梁柱线刚度之比、柱的位置、上下层梁的线刚度大小、上下层层高、框架的总层数等因素有关。,框 架,混凝土房屋结构设计,（2）d值法的基本思想,与反弯点法相比： 相同之处计算思路与步骤相同 不同之处考虑了上述因素的影响，对柱的抗侧 刚度和柱的反弯点位置进行了修正。,因此，d值法又称为修正的反弯点法，由于d值法考虑了柱两端节点转动对其抗侧刚度和反弯点位置的影响，因此是一种合理且计算精度较高的近似计算方法，适用于梁柱线刚度比小于3的情况，特别是高层框架结构或抗震设计。,框 架,混凝土房屋结构设计,（3）柱的抗侧刚度,式中，c 柱抗侧移刚度修正系数，按下表的公式计算。,框 架,混凝土房屋结构设计,（4）修正的反弯点高度,式中 y0标准反弯点高度比； y1因上、下层梁刚度比变化的修值； y2因上层层高变化的修正值； y3因下层层高变化的修正值。 以上各参数取值查书后p403附录10。,框 架,柱端弯矩：,混凝土房屋结构设计,框 架,混凝土房屋结构设计,横梁刚度变化对反弯点位置的影响,框 架,混凝土房屋结构设计,层高变化对反弯点位置的影响,4.8,4.2.7 框架结构的水平位移验算,框架在水平荷载作用下的侧移由梁柱弯曲变形和柱的轴向变形产生。一般情况下，可只考虑由于梁柱弯曲变形产生的侧移。 当总高度h50m或高宽比hb4时，必须考虑由柱的轴向变形引起的侧移。,侧移值的计算,框架层间侧移:,总侧移,第j层的总剪力,第j层各柱侧向总刚度,框 架,混凝土房屋结构设计,混凝土房屋结构设计,框 架,三、框架结构侧移的近似计算 控制侧移包括两部分内容：控制顶层最大侧移和控制层间相对位移。,混凝土房屋结构设计,4.3,框架结构的内力组合,4.3.1 控制截面,梁：跨中截面 支座截面 柱：柱顶截面 柱底截面,梁控制截面,柱控制截面,框 架,控制截面最不利内力计算(荷载效应的组合),框架结构的基本组合可采用简化规则，并应按下列组合值（不考虑地震作用）中取最不利值确定： 1. 由可变荷载效应控制的组合,当其效应对结构不利时取1.2；当其效应对结构有利时取1.0或0.9。,一般情况取1.4； 标准值大于4kn/m2的工业房屋楼面取1.3。,框 架,混凝土房屋结构设计,2. 由永久荷载效应控制的组合,当其效应对结构不利时取1.35；当其效应对结构有利时取1.0或0.9。,可变荷载qi的组合值系数,框 架,混凝土房屋结构设计,控制截面最不利内力类型,梁跨中截面：+mmax，及相应的v（正截面设计） 梁支座截面：-mmax或-mmax及相应的v （正截面设计） vmax及相应的m （ 斜截面设计） 柱 截 面： +mmax及相应的n、v -mmax及相应的n、v nmax及相应的m、v nmin及相应的m、v,框 架,混凝土房屋结构设计,对于大偏压，m相等或相近时，n越小越不利； 对于小偏压，m相等或相近时，n越大越不利； 无论大小偏压，当n相等或相近时，m越大越不利。,框 架,对称配筋偏心受压构件mn相关曲线,混凝土房屋结构设计,竖向活载最不利布置,（1）逐跨布置法,恒载一次布置，楼屋面活载逐跨单独作用在各跨上，分别算出内力，再对各控制截面组合其可能出现的最大内力。,恒载一次布置,活载分跨布置,框 架,混凝土房屋结构设计,（2）最不利荷载布置法,恒载一次布置，楼屋面活载根据影响线，直接确定产生某一指定截面最不利内力的活载布置。,最不利荷载的布置,框 架,混凝土房屋结构设计,（3）分层布置法或分跨布置法,恒载一次布置，为简化计算，当活载与恒载的比值不大于3时，可近似将活载一层或一跨做一次布置，分别进行计算，然后进行最不利内力组合。,分层布置法,分跨布置法,框 架,混凝土房屋结构设计,（4）满布荷载法,当活载与恒载的比值不大于1时，可不考虑活载的最不利布置，把活载同时作用于所有的框架上，这样求得的支座处的内力可直接进行内力组合。但求得的梁跨中弯矩应乘以1.11.2的系数予以增大。,框 架,混凝土房屋结构设计,风荷载作用弯矩图,竖向荷载下框架梁端弯矩的调幅,在竖向荷载作用下，可以考虑梁端塑性变形内力重分布，减小梁端负弯矩，相应增大梁跨中弯矩。 调幅后的支座弯矩为： =m 式中 梁支座截面调幅后的弯矩； m 梁支座调幅前按弹性方法计算的弯矩； 调幅系数，现浇框架：0.80.9 装配式框 架：0.70.8。,框 架,混凝土房屋结构设计,竖向荷载产生的梁的弯矩应先调幅，再与风荷载和水平地震作用产生的弯矩进行组合。,调幅后的跨中弯矩为：,框 架,混凝土房屋结构设计,进行框架结构设计时，框架梁、柱的正截面和斜面截面的配筋计算可按混凝土结构（上册）中的钢筋混凝土受弯和偏心受压构件的配筋计算方法计算。 在配筋计算的过程中，需注意： 当楼板与框架整体浇筑时，梁的跨中应按t形截面计算，支座处按矩形截面计算。,框 架,混凝土房屋结构设计,框 架,1. 框架梁柱配筋计算要点 梁端破坏时，破坏截面位于柱的边缘处，梁端的控制截面在柱边，应以柱边的弯矩和剪力值作为配筋计算的内力值：,有次梁时注意配附加箍筋或吊筋； 柱的计算长度按教材p195表13-2确定； 框架柱一般采用对称配筋，除平面内按偏心受压构件计算外，还要进行平面外轴心受压验算； 当偏心距e00.55h0时，尚应进行裂缝宽度验算。,混凝土房屋结构设计,框 架,2. 框架梁柱节点构造要求 材料强度应不低于柱子的混凝土强度等级（装配式的应提高5n/mm2 截面尺寸要求 顶层端节点梁上部纵向钢筋 箍筋 节点内箍筋应符合柱中箍筋的构造要求， 且间距不宜大于 250mm。,混凝土房屋结构设计,框 架,梁中纵筋在节点区的锚固 （1）上部纵筋在中间层端节点的锚固 当采用直线锚固形式时，不应小于la，且伸过柱中心线不宜小于5d。 当柱截面尺寸不足时，梁上部纵筋应伸至节点对边并向下弯折， 其水平投影长度不应小于0.4la，竖直投影长度应取为15d。 （2）上部纵筋在顶层端节点处的锚固 梁上部纵筋应伸至节点外侧并向下弯至梁下边缘高度后截断。 （3）上部纵向钢筋在中间节点处的锚固 框架梁的上部纵向钢筋应贯穿中间节点。,混凝土房屋结构设计,框 架,混凝土房屋结构设计,框 架,（4）下部纵筋在中间节点处的锚固 计算中不利用该钢筋的强度时，伸入节点的锚固长度应不小于12d； 计算中充分利用钢筋的抗拉强度时，下部纵筋应锚固在节点内： 采用直线锚固形式时，锚固长度不应小于la； 采用带90弯折锚固形式时，锚固端的长度同上； 也可伸过节点范围，并在梁中弯矩较小处设置搭接接头。 计算中充分利用钢筋的抗压强度时，下部纵筋应按受压钢筋锚固： 直线锚固长度不应小于0.7la; 也可伸过节点范围，并在梁中弯矩较小处设置搭接接头。,混凝土房屋结构设计,框 架,混凝土房屋结构设计,框 架,柱中纵筋在节点区的锚固 （1）在中间层节点的锚固 框架柱纵筋应贯穿中间层中间节点和中间层端节点； 纵筋接头应设在节点区以外。 （2）在顶层节点的锚固 顶层中间节点的柱纵筋及端节点的内侧柱纵筋可直线方式锚入， 自梁底标高算起的锚固长度不应小于la，且必须伸至柱顶。 当顶层节点处梁截面高度不足时，柱纵筋应伸至柱顶并向节点 内水平弯折：当充分利用柱纵筋的抗拉强度时，柱纵筋锚固段 弯折前的竖直投影长度不应小于0.5la，弯折后的水平投影长度 不宜小于12d。当柱顶现浇板厚不小于80mm且混凝土强度等级 不低于c20时，柱纵筋也可向外弯折，弯折后的水平投影长度 不宜小于12d。,混凝土房屋结构设计,框 架,混凝土房屋结构设计,框 架,（3）柱外侧纵筋在顶层端节点的锚固 柱外侧纵向钢筋伸至柱顶后宜向节点内水平弯折，弯折段的水平 投影长度不宜小于12d。 梁宽范围以外的外侧柱纵筋宜沿节点顶部伸至柱内边，当柱纵筋 位于柱顶第一层时，至柱内边后宜向下弯折不小于8d后截断；当 柱纵钢筋位于柱顶第二层时，可不向下弯折。 当有现浇板且板厚不小于80mm、混凝土强度等级不低于c20时， 梁宽范围以外的外侧柱纵筋可伸入现浇板内，其长度与伸入梁内 的柱纵筋相同。,混凝土房屋结构设计,框 架,混凝土房屋结构设计,框 架,框架顶层端节点处，可将柱外侧纵筋的相应部分弯入梁内作梁上 部纵筋使用，也可将梁上部纵筋与柱外侧纵筋在顶层端节点及其 附近部位搭接。搭接可采用下列方式： 搭接接头沿顶层端节点外侧及梁端顶部布置，搭接长度不 应小于1.5la，其中伸入梁内的外侧柱纵筋截面面积不宜小 于外侧柱纵筋全部截面面积的65%。 搭接接头也可沿柱顶外侧布置，搭接长度竖直段不应小于 1.7la。 当外侧柱纵筋配筋率大于1.2%时，伸入梁内的柱纵筋应满足以上 锚固要求，且宜分两批截断，其截断点之间的距离不宜小于20d。,混凝土房屋结构设计,框 架,混凝土房屋结构设计,框 架,4.5,多层框架结构的基础,基础的类型及其选择 1.基础类型：柱下独立基础、条形基础、十字形基础、片筏基础、箱形基础、桩基础 基础的形式见书p176 2.基础类型的选择：取决于工程地质条件、上部结构荷载、上部结构对地基不均匀沉降及倾斜的敏感程度、施工条件等因素。,混凝土房屋结构设计,框 架,条形基础 1条形基础的内力计算 （1）计算假定 线性分布假定：将地基反力的分布看成为线性分布，由静力平衡条 件来确定反力值； 文克勤假定：地基土每单位面积上所受的压力与地基沉降成正比； 半无限弹性体假定：地基是半无限的弹性连续体，且与基础的变形 相协调。 （2）内力计算 静定分析法 倒梁法,混凝土房屋结构设计,框 架,静定分析法 地基反力： 基础内力：由静力平衡条件求得。 倒梁法 以柱子为支座，以地基反力为荷载，将基础梁视作倒置的多跨连续梁来计算各控制截面的内力。,混凝土房屋结构设计,框 架,条形基础 1条形基础的内力计算 （1）计算假定 线性分布假定：将地基反力的分布看成为线性分布，由静力平衡条 件来确定反力值； 文克勤假定：地基土每单位面积上所受的压力与地基沉降成正比； 半无限弹性体假定：地基是半无限的弹性连续体，且与基础的变形 相协调。 （2）内力计算 静定分析法 倒梁法,混凝土房屋结构设计,混凝土结构设计,框 架,抗震设计的一般概念 1抗震设计的方法 指导思想：“三水准”大震不倒、中震可修、小震不坏 方法：“两阶段设计法” 小震作用下的强度计算和弹性变形验算 大震作用下的弹塑性变形验算以及保证结构延性的构造措施,混凝土结构设计,框 架,2抗震等级：,混凝土结构设计,框 架,3承载力抗震调整系数 结构构件抗震验算设计表达式： 承载力抗震调整系数,混凝土结构设计,框 架,框架结构的延性 1延性 构件的延性、结构的延性 延性的定义：承载力不显著降低