钢筋混凝土楼盖结构设计经典讲义.ppt

3 钢筋混凝土楼盖结构设计,梁板结构是土木工程中常见的结构形式,楼盖（屋盖）,楼梯,雨篷,地下室底板,挡土墙,3.1 楼盖结构分类及布置,钢筋混凝土楼盖 预应力混凝土楼盖：多采用无粘结预应力混凝土结构,按施工方法分为,按预加应力情况分为,现浇式楼盖 装配式楼盖 装配整体式楼盖,整体式梁板结构：最大优点是整体性好，使用机械少、施工技术简单；其缺点是模板用量较大，施工周期较长，施工时受冬季和雨季的影响。 装配式梁板结构：优点是构件工厂预制，模板定型化，混凝土质量容易保证，且不受季节性影响，预制构件现场安装，施工进度快；其缺点是结构整体性差，预制构件运输及吊装时需要较大设备。在地震区整体式梁板结构将逐渐取代装配式梁板结构。 装配整体式梁板结构：梁为叠合梁，板为预制板，可利用预制楼板作为现浇结构的模板，为保证楼、屋盖的整体性及平面内的较大刚度，可采用现浇板带，或在预制楼板上做配筋混凝土现浇层。装配整体式结构其整体性较装配式结构好，又较整体式结构模板用量少，但由于用钢量及焊接量较大并两次浇筑混凝土，对施工进度和工程造价带来不利影响。,单向板肋梁楼盖与双向板肋梁楼盖,单向板在荷载作用下，只在一个方向弯曲或者主要 在一个方向弯曲的板。 双向板 在荷载作用下，在两个方向弯曲，且不能忽 略任一方向弯曲的板。,按结构型式可分为,单向板肋梁楼盖 双向板肋梁楼盖 井式楼盖 无梁楼盖,由单向板组成的肋梁楼盖称为单向板肋梁楼盖。由双向板组成的肋梁楼盖称为双向板肋梁楼盖。,四边支承的板（或邻边支承或三边支承）的板应按下列规定计算： （1）当长边与短边长度之比大于或等于3时，可按沿短边方向受力的单向板计算； （2）当长边与短边长度之比小于或等于2时，应按双向板计算； （3）当长边与短边长度之比介于2和3之间时，宜按双向板计算； 当按沿短边方向受力的单向板计算时，应沿长边方向布置足够数量的构造钢筋。,两对边支承的板和单边嵌固的悬臂板，应按单向板计算；,规范规定：板应按下列原则进行计算：,井式楼盖：结构采用方形或近似方形的板格，两个方向的梁截面相同，不分主次梁。其特点是跨度较大，具有较强的装饰性，多用于公共建筑的门厅或大厅。,无梁楼盖：不设梁，将板直接支撑在柱上。优点是增大建筑物的净高，多用于对空间利用率要求较高的冷库、藏书库等建筑物。,密肋楼盖 扁梁楼盖 现浇空心板无梁楼盖 预应力空腹楼盖,新的楼盖结构体系有,扁梁楼盖：为了降低构件的高度，增加建筑物的净高或提高建筑物的空间利用率，将楼板的水平支承梁做成宽扁的形式。,现浇空心板无梁楼盖：优点是减轻了结构自重，增加了建筑的净高，通风、电器、水道管道的布置也很方便。具有较好的综合效益。,密肋楼盖是由薄板和间距较小的肋梁组成。分单向密肋楼盖和双向密肋楼盖两种。密肋楼盖一般用于跨度大而且梁高受限制情况。,预应力空腹楼盖：此结构不仅可满足跨度18m左右的建筑需要，且使楼盖结构层高度相对降低。,(a) 单向板肋梁楼盖,(b) 双向板肋梁楼盖,(c) 无梁楼盖,(d) 井式楼盖,(f) 扁梁楼盖,(e) 密肋楼盖,现浇空心板无梁楼盖,预应力空腹楼盖,3.1.2 楼盖结构布置,荷载传力路径为板 梁 柱(墙) 基础 楼层结构布置的基本原则：,首先从建筑效果和使用要求上考虑,1.根据房屋的平面尺寸和功能要求合理的布置; 2.楼层的净高度的要求; 3.楼层顶棚的要求; 4.有利于建筑的立面设计及门窗要求; 5.提供改变使用功能的可能性和灵活性； 6.考虑到其他专业工种的要求。,其次从结构原理上考虑,1.构件的形状和布置尽量规则和均匀； 2.受力明确,传力直接； 3.有利于整体结构的刚度均衡、稳定和构件受力协调； 4.荷载分布均匀,要分散而不宜集中； 5.结构自重要小； 6.保证计算时楼面在自身平面内无限刚性假设的成立。,3.1.3 楼盖设计中的注意事项,(1)楼盖结构体系的选择 (2)结构计算模型的确定 1)反映实际结构的主要受力特点前提下,尽可能的简单; 2)确定计算模型后,则在后续的设计中,特别是在具体的构造处理和措施中,实现计算模型中的相互受力关系。,(3)梁板构件截面尺寸的确定 1) 规范规定的板最小厚度要求； 2)梁要满足高宽比的要求； 3)满足一定的高跨比要求； 4)满足模数的要求。 (4)楼盖结构的设计步骤 1)进行结构平面布置并初步确定板厚和主、次梁的截面尺寸； 2)建立计算模型，画出板和主、次梁的计算简图； 3)荷载分析计算； 4)板和主、次梁内力分析计算； 5)构件截面设计（截面承载力的计算，配筋及构造，对跨度 大或荷载大或情况特殊的重要梁、板还需进行变形和裂缝 宽度的验算）； 6)绘制施工图。,板截面的常规尺寸（mm）,表31,梁截面的常规尺寸（mm）,表32,(1)结构平面布置,单向板肋梁楼盖结构平面布置通常有以下三种方案：,主梁沿横向布置,主梁沿纵向布置,有中间走廊,3.2 单向板肋梁楼盖,3.2.1 连续梁、板按弹性理论计算,在满足建筑物使用的前提下，柱网和梁格划分尽可能规 整，结构布置越简单、整齐、统一，越能符合经济和美观 的要求； 梁、板结构尽可能划分为等跨度，以便于设计和施工； 主梁跨度范围内次梁根数宜为偶数，以使主梁受力合理 。,进行楼盖的结构平面布置时，应注意以下问题：,单向板、次梁和主梁的经济跨度为： 单向板：（1.72.5）m 次 梁 ：（46）m 主 梁 ：（58）m,(2)荷载的计算模型和计算简图,连续梁、板的计算跨度,(a) 边跨,(b) 中间跨,支座的简化：,单向板肋梁楼盖的板和次梁，不管其支承条件如何，都可化为铰支的连续梁来进行计算。 对于主梁，当它支承于砖柱上时，视为铰支；如果与钢筋混凝土柱现浇在一起，当梁的抗弯刚度与柱抗弯刚度之比大于5，将主梁视为铰支于柱上的连续梁来计算，否则，按框架梁计算。,作用于结构上的荷载首先由单向板传递给次梁；再由次梁传递给主梁；最后由主梁传递给柱或墙体。 板结构计算单元与板荷载计算单元相同，即取1m宽的矩形截面板带作为板结构计算单元； 次梁结构通常取宽度为板标志跨度l1的t形截面带，作为次梁结构计算单元； 主梁结构通常取宽度为次梁标志跨度l2的t形截面带，作为主梁结构计算单元。,荷载及荷载计算单元的确定,结构计算跨度(表3-3),结构计算跨数,实际跨数5跨时,按5跨计算； 实际跨数 5跨时,按实际跨数考虑。,等跨或跨度差10%且各跨受荷相同的连续梁：,表3-3,梁、板计算跨度,注：l0梁、板的计算宽度 ln梁、板的净跨度 lc支座中心线间距离 h板厚 a梁、板的端支承长度 b中间支座,（3）连续梁活荷载最不利布置的原则：,求某跨跨内最大正弯矩时，应在本跨布置活荷载，然后隔跨布置;,求某跨跨内最大负弯矩时， 本跨不布置活荷载，而在其左右邻跨布置，然后隔跨布置；,求某支座最大负弯矩或支座 左、右截面最大剪力时，应在该支座左右两跨布置活荷 载，然后隔跨布置。,图3-5 单跨承载时连续梁的内力图,情况1：求1、3、5跨的+mmax和2、4的mmax ； 情况2：求2、4跨的+mmax和1、3、5的mmax ； 情况3：求b支座的mmax和b支座左右截面vmax； 情况4：求c支座的mmax和c支座左右截面vmax； 情况5：求d支座的mmax和d支座左右截面vmax； 情况6：求e支座的mmax和e支座左右截面vmax。,（4） 内力计算,在均布及三角形荷载作用下：,在集中荷载作用下：,附录七 等截面等跨度连续梁在常用荷载作用下的内力系数表 沈蒲生 混凝土结构设计,（5）板和次梁的折算荷载,连续板,连续次梁,为了考虑次梁或主梁的抗扭刚度对内力的影响，采用增大恒载，减小活载的办法，即：,（6）控制截面及其内力,控制截面：对受力钢筋计算起控制作用的截面。 梁跨以内：包络图中正弯矩最大值（配正钢筋） 负弯矩绝对值最大值 （配负钢筋） 支 座 ：支座边缘处负弯矩最大值,支座边缘处剪力值：,支座边缘处弯矩值：,（均布荷载）,（集中荷载）,式中 mc支座中心处弯矩设计值； v0按简支梁计算的中心处的剪力设计值； vc支座中心处剪力设计值。,（7）内力包络图,将同一结构在各种荷载的最不利组合作用下的内力图(弯矩图或剪力图)叠画在同一张图上，其外包线所形成的图形称为内力包络图。它反映出各截面可能产生的最大内力值，是设计时选择截面和布置钢筋的依据。,图3-7 内力包络图,单向板肋梁楼盖按弹性理论设计步骤,（1） 平面布置 （2） 计算简图 （3） 内力计算，内力组合 （内力包络图 ） （4） 截面设计 （5） 施工图,按弹性理论计算内力存在的问题,（1） 内力计算与截面设计不协调 （2） 浪费材料 （3） 支座钢筋过密，施工质量不易保证,单向板肋梁楼盖按弹性理论方法计算结构内力,按弹性理论方法： 截面间内力的分布规律是不变的； 任一截面内力达到其内力设计值时，认为整个结构达 到其承载能力。 实际上： 截面间内力的分布规律是变化的。 任一截面内力达到其内力设计值时，只是该截面达到 其承载能力，出现了塑性铰。 只要整个结构还是几何不变的，结构还能继续承受荷载。,3.2.2 连续梁、板考虑内力重分布的计算,在钢筋屈服截面，从钢筋屈服到达到极限承载力，截面在外弯矩增加很小的情况下产生很大转动，表现得犹如一个能够转动的铰，称为“塑性铰”。,1塑性铰的概念,塑性铰与理想铰的区别 理想铰不能承受任何弯矩，而塑性铰则能承受一 定的弯矩（mymmu）； 理想铰集中于一点，塑性铰则有一定的长度； 理想铰在两个方向都可产生无限的转动，而塑性铰 则是有限转动的单向铰，只能在弯矩作用方向做有限的转动。,对于超静定结构，当结构的某个截面出现塑性铰后，结 构的内力分布发生了变化，经历了一个重新分布的过程，这个过程成为“塑性内力重分布”。,2超静定结构的塑性内力重分布现象,3. 考虑塑性内力重分布的意义 内力计算方法与截面设计方法相协调； 可以人为地调整截面的内力分布情况，更合适地布 置钢筋； 充分利用结构的承载力，取得一定的经济效益。,4. 影响塑性内力重分布的因素 塑性铰的转动能力 斜截面承载能力 正常使用条件 截面要有合适的受压区高度；构件必须要有足够的受 剪承载力。,5. 考虑内力重分布的适用范围 下列情况不宜采用: （1）在使用阶段不允许出现裂缝或对裂缝开展控制较严的混凝土结构； （2）处于严重侵蚀性环境中的混凝土结构； （3）直接承受动力和重复荷载的混凝土结构； （4）要求有较高承载力储备的混凝土结构； （5）配置延性较差的受力钢筋的混凝土结构。,超静定混凝土结构考虑塑 性内力重分布的计算方法,我国行业标准钢筋混凝土连续梁和框架考虑内力重分布设计规程（cecs 5193）主要推荐用弯矩调幅法计算钢筋混凝土连续梁、板和框架的内力。,极限平衡法 塑性铰法 变刚度法 强迫转动法 弯矩调幅法 非线性全过程分析方法,6连续梁、板考虑塑性内力重分布的内力计算 弯矩调幅法,（1）弯矩调幅法,弯矩调幅法简称调幅法，它是在弹性弯矩的基础上，根据需要，适当调整某些截面弯矩值。通常对那些弯矩绝对值较大的截面进行弯矩调整，然后按调整后的内力进行截面设计和配筋构造，是一种适用的设计方法。 截面弯矩调整的幅度用调幅系数表示,式中 m调幅后的弯矩设计值； me按弹性方法计算得的弯矩设计值； 截面的弯矩调幅系数。,（2）采用调幅法应注意的问题,受力钢筋宜采用hrb400级、hrb335级热轧钢筋，混凝土强度等级宜在c20c45范围；截面的相对受压区高度应满足0.10.35；,调幅系数不宜超过0.25 ；,连续梁、板各跨中截面的弯矩应不小于包络图及下式计算的值 ；,式中 ma、mb连续梁任一跨调幅后支座截面弯矩值； m调整后跨中截面弯矩值； m0该跨按简支梁计算跨中截面弯矩值,连续梁、板各控制截面的弯矩值不宜小于简支梁弯矩值的1/3 ； 剪力设计值按荷载最不利布置和调幅后的支座弯矩由静力平衡条件计算确定； 应在可能产生塑性铰的区段适当增加箍筋数量 受剪配箍率：（防斜拉） 必须满足正常使用阶段变形及裂缝宽度的要求，在使用阶段不应出现塑性铰。,（3）用调幅法计算等跨连续梁、板,承受均布荷载时,承受间距相同、大小相等的集中荷载时,等跨连续板承受均布荷载时,等跨连续梁,公式适用于： 的等跨连续梁、板相邻两 跨跨度相差小于10%的不等跨连续梁、板。 跨度值 : 计算跨中弯矩和支座剪力: 取本跨跨度 计算支座弯矩: 取相邻两跨较大跨度,次梁对板、主梁对次梁的转动约束作用，以及活荷载 的不利布置等因素，在按弯矩调幅法分析结构时均已 考虑 。,现浇整体式楼盖结构内力分析方法,弹性理论 有较大的安全储备。 塑性理论 内力分析与截面计算相协调，结果比较经济， 但一般情况下结构的裂缝较宽，变形较大。,板和次梁：按塑性理论分析内力 主 梁 ：按弹性理论分析内力 主梁为楼盖中的主要构件，要保证使用中有 较好的性能。,现浇钢筋混凝土肋梁楼盖,3.2.3 单向板肋梁楼盖的截面设计与构造要求,1. 单向板的截面设计与构造要求,（1）截面设计要点,板的计算单元通常取为1m，按单筋矩形截面设计；,板一般能满足斜截面受剪承载力要求，设计时可不进行受剪承载力验算；,截面有效高度：h0=h20(mm),对四周与梁整体连接的单向板 (现浇连续板的内区格就属于这种情况)，其中间跨的跨中截面及中间支座截面的计算弯矩可减少20，其它截面则不予降低（如板的角区格、边跨的跨中截面及第一内支座截面的计算弯矩则不折减）。,板的内拱作用,（2）构造要求,1）板的厚度,2）板的支承长度 (通常a为120mm ),3）板中受力钢筋,当q / g3时，a ln /4；当q / g3时，a ln /3,连续板受力钢筋两种配置方式,板中分布钢筋构造要求,分布钢筋,4）板中构造钢筋,墙边和墙角的上部构造钢筋,截面面积不宜小于该方向跨中受力钢筋截面面积的1/3；沿非受力方向配置的上部构造筋，可适当减少。,垂直于主梁的上部构造钢筋,截面面积不宜小于板中受力钢筋截面面积的1/3。,2. 次梁的截面设计与构造要求,（1）截面设计要点,1）截面形式,2）当次梁的截面尺寸满足表3-2的要求时，一般不必作使用阶段的挠度和裂缝宽度验算。,正截面受弯承载力计算 斜截面受剪承载力计算 受力钢筋的弯起和截断,跨中截面按t形截面计算，支座截面按矩形截面计算。,（2）构造要求,1）截面尺寸,2）支承长度(通常a为240mm ),3）钢筋的直径,4）钢筋的间距,5）梁侧的纵向构造钢筋,梁中一般先根据跨中计算配置跨中钢筋，然后根据跨中钢筋弯起一部分到支座，承担负弯矩，若支座钢筋不够，再加直钢筋。,6）配筋方式,3. 主梁的截面设计与构造要求,（1）截面设计要点,1）截面形式,2）主梁支座截面的有效高度h0,单排钢筋时 h0= h (5060)mm,双排钢筋时 h0h (7080)mm,3）主梁的内力计算通常按弹性理论方法进行，不考虑塑性内力重分布,4）当主梁的截面尺寸满足表3-2的要求时，一般不必作使用阶段的挠度和裂缝宽度验算。,（2）构造要求,1）截面尺寸,2）支承长度(通常a为370mm ),3）钢筋的直径,4）钢筋的间距,5）梁侧的纵向构造钢筋,6）梁纵筋的弯起和截断按弯矩包络图确定,7）主梁附加横向钢筋,附加横向钢筋布置,h1,附加箍筋和吊筋的总截面面积按下式计算：,式中 f由主梁两侧次传来的集中荷载设计值； fy，fyv吊筋或附加箍筋的抗拉强度设计值； m，n附加箍筋的排数与箍筋的肢数； as，asv1吊筋截面面积与附加单肢箍筋截面面积； a吊筋与梁轴线的夹角。,3.4 双向板楼盖,3.4.1 双向板的受力特点和试验结果,(1) 双向板在弹性工作阶段的受力特点,1）沿两个方向弯曲和传递荷载 2）受力状态复杂（m、v、t） 3）板角上翘,从双向板的受力特点分析可知，在双向板中应配置如图3-33所示的钢筋： 在跨中板底配置平行于板边的双向钢筋以承担跨中正弯矩； 沿支座边配置板面负钢筋，以承担负弯矩； 为四边简支的单孔板时，在角部板面应配置对角线方向的斜钢筋； 为四边简支的单孔板时，在角部板底则配置垂直于对角线的斜钢筋。 由于施工不便，用平行于板边的钢筋所构成的钢筋网片来代替。,图3-33 双向板的配筋示意图,（2） 双向板的试验研究,四边简支矩形板裂缝分布,四边搁置无约束,肋形楼盖,（1）单跨矩形双向板 四边支承的板,有六种边界条件: 1)四边简支； 2)一边固定，三边简支； 3)两对边固定，两对边简支； 4)四边固定； 5)两邻边固定，两邻边简支； 6)三边固定，一边简支。,3.4.2 按弹性理论计算双向板内力,四边简支,四边固定,表3-19为均布荷载作用下根据材料的波桑比=0制定的。当0时，其挠度和支座中点弯矩可按表3-19查得；但求跨内弯矩时，可按下式计算,对钢筋混凝土板，可取=0.2,注意：有自由边的板不能应用上式公式,（2）多跨连续双向板的实用法计算,1)跨中最大正弯矩,在正对称荷载 (g+q/2)作用下（如图b）：,中间支座近似的看作固定支座， 中间区格均可视为四边固定的双向板。,在反对称荷载 (q/2)作用下(如图a)：,中间支座视为简支支座 ， 中间各区格板均可视为四边简支板的双向板。,将上述两种情况分别求出的跨中弯矩进行叠加，即可求得各区格的跨中最大弯矩。,（a）活荷载棋盘式布置,（b）满布荷载g+q/2,（c）满布荷载q/2,2)支座最大负弯矩,假定永久荷载和可变荷载都满布连续双向板所 有区格时，支座弯矩出现最大值 即在正对称荷 载 (g+q) 作用下： 中间区格均可视为四边固定的双向板，对于边、 角区格，外边界条件应按实际情况考虑。 当求得的相邻区格板在同一支座处的负弯矩不 等时，可取绝对值较大者（或平均值）作为该 支座最大负弯矩。,3.4.3 双向板支承梁的设计,中间梁,边 梁,p 板面均布荷载,按弹性理论计算支承梁时，可将支承梁上的梯形或三角形荷载，根据支座截面弯矩相等的原则换算为等效均布荷载，如图3-37。对于等跨度、等截面连续梁可利用结构计算表格求得支座弯矩值；由于等效均布荷载是根据梁支座弯矩值相等的条件确定的，因此按等效均布荷载求得连续梁支座弯矩值后，各跨的跨内弯矩和支座处剪力值应按梁上原有荷载形式进行计算。 计算支承梁时对于活荷载还应考虑活荷载的最不利布置。,l02,l01,l02,l01,a,a,3.4.5 双向板楼盖的截面设计与构造,1. 截面设计 1)截面的弯矩设计值 周边与梁整体连接的双向板，考虑板内拱作用，对弯矩进行折减： 连续板中间区格的跨中及中间支座截面，折减系数为0.8; 边区格的跨中及自楼板边缘算起的第二支座截面， 当 l bl 1.5时，折减系数为0.8 ； 当1.5l bl 2.0时，折减系数为0.9。 l b沿楼板边缘方向的计算跨度； l 垂直于楼板边缘方向的计算跨度。 角区格的各截面不折减。,l,lb,lb,l,2)截面有效高度 短跨方向 h0h20(mm) 长跨方向 h0h30(mm) 3)配筋计算 取1m板带，按单筋矩形截面设计,（2） 双向板的构造要求,1）双向板的厚度 表3-1,2) 钢筋的配置,弯起式和分离式,沿墙边及墙角的板内构造钢筋与单向板楼盖相同。,受力钢筋的直径、间距、弯起点及截断点的位置等均可参照单向板配筋的有关规定。,板式楼梯是由梯段板、平台板和平台梁组成。板式楼梯其优点是梯段板下表面平整，支模简单；其缺点是梯段板跨度较大时，斜板厚度较大，结构材料用量较多。因此梯段板水平方向跨度小于3.03.3 m时，宜采用板式楼梯。 梁式楼梯是由踏步板、梯段斜梁、平台板和平台梁组成。梯段斜梁可设置于踏步板下面或上面；当梯段水平方向跨度大于3.03.3 m时，采用梁式楼梯较为经济，但支模较为复杂。,3.8 楼梯设计,3.8.1 现浇板式楼梯的设计与构造,板式楼梯设计包括梯段板、平台板和平台梁的计算与构造。,(1)梯段板,斜板厚度通常取h(125l30)l，l为斜板水平方向