框架结构设计经典讲义.ppt

高层建筑结构设计,第四章,框架结构设计,一、概念设计 （一）定义：框架结构由横梁与立柱组成的杆件体系，节点全部或大部分为刚性连接,能够承受竖向和水平荷载作用的结构体系。 框架结构的优点： 1.结构轻巧、便于布置； 2.整体性优于砖混结构和内框架承重结构； 3.可形成大的使用空间 4.施工方便 5.比较经济,（二）框架结构的受力变形特点： 1、竖向荷载作用下的受力特点：以框架梁受弯为主要受力特点，梁端弯矩与跨中弯矩成为结构极限承载力状态的控制内力，跨中挠度成为结构正常使用状态的控制变形。 2、水平荷载作用下的受力特点：框架柱承担水平剪力和柱端弯矩，柱上下端的偏心受压成为结构极限承载力状态的控制内力，结构水平侧移成为结构正常使用状态的控制变形,框架结构在水平力作用下其侧移由两部分组成： 由柱、梁的弯曲变形产生，柱和梁都有反弯点，框架下部的梁、柱内力大，层间变形也大，愈到上部房间变形愈小，整个结构呈剪切型，见图a 由柱的轴向变形产生，即在水平荷载作用下产生倾覆力矩，近侧柱拉伸,远侧柱压缩使结构出现侧移，是上部各层较大，愈到底部层间变形越小，整个结构呈弯曲型变形，见图b,（三）结构布置： 1、高宽比限制：非抗震时为5，设防烈度为6、7度时为4，8度时为3， 9度时为2。 最大适用高度： 6度时为60m, 7度时为55m, 8度时为45m, 9度时为25m。 2、结构平面与竖向布置：简单、规则、对称、刚度均匀,（四）截面估算与选型： 1、梁、柱：框架结构为超静定结构，分析内力与杆件的截面尺寸有关，所以应合理初设。,取 m = (0.6 0.8)m0，验算初估的b h,(简支状态),m、v 应满足：,对于宽扁梁：,n（柱轴向力）=（1.11.2)nv,对于多层框架柱，其截面尺寸可以按以下估算：,对于高层框架柱，其截面尺寸可以按以下估算：,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，可近似将楼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1214kn/m2计算,2、节点：框架梁、柱轴线宜重合，梁、柱轴线间的最大偏心距不宜大于柱截面在该方向边长的1/4，否则应按下图加掖：,图3.1.3水平加掖梁,框架节点有效宽度bj宜符合下列要求：,（五）材料强度选择与填充墙布置要求： 1、材料强度：现浇框架梁、柱节点的混凝土强度等级，按一级抗震时，不应小于c30，按二四级抗震时，不应低于c20。现浇框架梁的混凝土强度等级不宜大于c40，框架柱的砼，9度时不宜大于c60，8度时不宜大于c70。,2、填充墙布置要求：框架结构的填充墙及隔墙宜选用轻质材料，并与框架柱有可靠的拉结。 总之，框架结构的布置原则是： 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。,3、填充墙、隔墙应具有自身稳定性： a、砌体的砂浆强度等级不应低于m5，墙顶应与框架梁或楼板密切结合； b、砌体填充墙应沿框架柱全高每隔500mm左右设置26500的拉筋，6、7度抗震时不应小于墙长的1/5且不应小于700mm，8、9度时宜沿墙全长贯通； c、墙长5m时，墙顶与梁（板）宜有钢筋拉结，墙长层高的2倍时，宜设置钢筋混凝土构造柱，墙高4m时，墙体半高处（或门洞上皮）宜设置与柱连接且沿墙全长贯通的钢筋混凝土水平连系梁。,（六）计算框图： 1、框架结构一般不应采用铰接。 2、框架结构宜采用正方形框架柱截面形式 3、应设计成双向梁柱抗侧力体系，按双向弯曲计算框架柱截面配筋 4、强柱弱梁，强节弱杆，强剪弱弯，强压弱拉 5、框架结构不宜采用大底盘建筑形式，必要时可以沿塔式主楼设置抗震缝, 计 算 框 图,根据结构上荷载传力的途径不同，框架结构有三种结构布置形式。,二、内力与位移的近似设计,（一）基本假定： 1、各榀框架在其自身平面内刚度很大，平面外抗侧刚度忽略不计 2、楼板在其自身平面内刚度很大： 3、框架在使用荷载作用下构件材料均处于弹性阶段。 （二）计算单元和计算简图： 1、计算单元 2、计算简图,框架结构计算简图,构件的抗弯刚性：ei,考虑板参与工作及砼带裂缝工作的弹塑性性质作以下调整：,梁端弯矩调幅系数：,cei,现浇框架 = 0.80.9,装配整体式框架 = 0.7 0.8,考虑楼板参与工作：,现浇框架,装配整体式框架,装配式框架,中框架,边框架,2i0,1.5i0,i0,1.5i0,1.2i0,i0,i0 按矩形截面梁计算的惯性矩。,力矩 叠代法 竖向荷载 叠代法 水平荷载 无剪力分配法 分层计算法 反弯点法 d值法 精确计算法 无剪力分配法 近似分析法 反弯点法 d值法 这里着重复习分层计算法，反弯点法和d值法。,力矩分配法,叠代法,高层,（三）计算方法：, 竖向荷载作用分层计算法,高层,（1）竖向荷载作用下，框架侧移忽略不计,（2）每层梁上的荷载对其它各层梁的影响忽略不计,1.计算假定,可以将多层框架分成多个单层框架计算，用力矩分配法进行计算，其计算结果：对梁而言即为最后结果，对柱而言，为相邻两个单层柱结果之和。,注意：1由于多层框架在节点处有转角，而分成单层框架时假定为嵌固，需调整，即将除底层柱外的各柱线刚度0.9，传递系数由1/2改为1/3。,2分层法适用于节点梁柱线刚度ib / ic 3，结 构和荷载沿高度比较均匀的多层框架计算。,3在竖向荷载作用下，可以考虑梁端塑性变形内力重分布而对梁端负弯矩进行调幅，调幅系数：现浇框架0.80.9,装配式框架0.70.8。,4梁端负弯矩减少后，应按平衡条件计算调幅后的跨中弯矩，其值至少应取按简支梁计算的跨中弯矩的一半。,5竖向荷载产生的梁弯矩应先进行调幅，然后再与风荷载及地震作用产生的弯矩进行组合，求出各控制截面的最大最小弯矩。,（2） 计算步骤,（1） 画出框架计算简图；,（2） 计算梁柱线刚度及相对线刚度，除底层柱外，柱线刚度乘0.9；,（3）将多层框架分成多个单层框架，用力矩分配法计算单层框架的内力；,（4） 将多个单层框架组成单个多层框架，梁的内力不变，柱的内力相迭加，若有较大不平衡弯矩，可再分配一次；,（5） 画出最后弯矩图，由弯矩图求剪力、轴力图。,有兴趣的同学们可试做本题,高层, 水平荷载作用下内力的近似计算方法 1、反弯点法: a 、计算假定： （1）梁的线刚度与柱的线刚度之比大于3时，可以认为梁刚度无限大 （2）梁、柱轴向变形均忽略不计 b、应用前提：层数不多，柱轴力较小，截面也较小，梁的线刚度ib 比柱的线刚度ic 大很多。 （1）确定反弯点：底层1/3h（上），下2/3h，其余各层1/2h （2） 每层以上的水平荷载按剪力分配系数分配给该层的各柱：,抗侧移刚度：,梁端弯矩：对于边柱：,柱端弯矩：柱下端,柱上端,对于中柱：,高层,：第n 第 j 层侧移刚度 ：n 层侧移刚度总和 线刚度：,2、d值法：对于框架层数较多，柱轴力较大的框架，再用反弯点法，计算误差较大，这时要用修正后的柱侧移刚度，即d值法。 其假定是： (1)考虑结点转角及上下结点转角的差别，但仍假定同层各结点转角相等，即假定横梁在水平荷载作用下反弯点在跨中，该点没有竖向位移 ( 2) 梁、柱轴向变形均忽略不计,高层,a、均匀与倒三角形水平荷载下各层柱标准反弯点高比y可查表4.24.5 y=y0+y1+y2+y3 b、侧移刚度要乘以刚度修正系数, 查表4.1,高层,影响因素： 1） 该柱所在楼层的位置y0 2） 上下梁相对线刚度的比值y1 3） 上下层层高的变化y2、y3,作业：用反弯点法与d值法作下题的内力图，（）内为相对线刚度,高层, 多层多跨框架在水平荷载作用下侧移的近似计算： 对于高层建筑来说，控制结构的侧移是很重要的，控制框架结构侧移要计算两部分内容：一是顶层最大侧移，因侧移值过大，将影响使用；二是计算层间相对侧移值过大，将会使填充墙出现裂缝，当然在高层建筑结构中采用框架时，为了更好地抵抗水平荷载，通常设置剪力墙。,高层,绝对位移： （顶点总位移）,高层,1、计算梁、柱弯曲变形所产生的侧移,：第n层以上水平荷载的总和 ：第n层所有柱的d（柱侧移刚度）的总和,各层相对位移：,2、计算柱轴向变形产生的侧移：,高层,ea：底层边柱轴向刚度 fn：与边柱顶层和底层轴向刚度之比有关参数查表4.6 v0: 底部剪力 b：两边轴线间的距离,三、截面设计,1、在高层建筑里非抗震时的组合可用以下公式表达：可变荷载效应控制的组合,、 分别为楼面活载组合值系数和风载组合值系数，当永久荷载效应起控制作用时分别取0.7与0，当可变荷载效应起控制作用时应分别取1.0和0.6或0.7和1.0，取大值。,2、有地震作用时，结构构件地震作用和其他荷载效应基本组合公式：,计算地震作用时，建筑结构的重力荷载代表值sge应取永久荷载标准值和可变荷载组合值之和 可变荷载组合值系数应按下列规定取用： 1雪载0.5 2楼面活载按实际情况计算时取1，按等效均布荷载计算时，藏书库、档案库、库房取0.8，一般民用建筑取0.5,：重力荷载代表值的效应。 ：水平地震作用标准值的效应。 ：竖向地震作用标准值的效应。 ：水平地震作用分项系数。 ：竖向地震作用分项系数。 ：风载组合值系数应取0.2。,有地震作用效应组合时荷载和作用分项系数(承载力计算）,3、框架结构控制截面及最不利内力类型,控制截面：,梁：三个 支座及跨中,柱：二个 柱上、下端,截面的计算内力值：,4、在竖向荷载作用下，可以考虑梁端塑性变形内力重分布而对梁端负弯矩进行调幅，调幅系数：现浇框架0.80.9,装配式框架0.70.8。,5、梁端负弯矩减小后，应按平衡条件计算调幅后的跨中弯矩，其值至少应取按简支梁计算的跨中弯矩的一半。,6、竖向荷载产生的梁弯矩应先进行调幅，然后再与风荷载及地震作用产生的弯矩进行组合，求出各控制截面的最大最小弯矩。,抗震设计时框架的强柱弱梁设计： mc=c mb 抗震设计时框架柱的强剪弱弯设计： v=vc （ mtc+ mbc)/hn 抗震设计时框架梁的强剪弱弯设计： v=vb （ mlb+ mrb)/ln+ v gb,7、抗震设计时框架强柱弱弯、强剪弱弯的具体体现：,框架梁、柱、节点的延性影响因素 1.框架梁： 纵筋配筋率不能太大：一般以受压区高度相对高度来表示，即： 比较合适。 剪压比： 名义剪应力 与 fc (砼轴心抗压强度设计值)的比值应0.15，限制截面不能过小。,跨高比： 不宜4，当跨高比减小时，剪力的影响加大，剪切变形占全部位移的比重加大，对延性不利，特别不能2。 塑性铰区的箍筋用量： 在塑性铰区配置足够的封闭式箍筋时，提高塑性铰的转动能力是十分有效的，可以防止梁受压纵筋的过早压曲。,2.框架柱： 剪跨比： 2时为长柱，柱破坏形态为压弯型，只要构造合理一般都能满足柱的斜截面受剪承载力大于其正截面偏心受压承载力的要求，并且有一定的变形能力。 1.52时为短柱,柱将产生以剪切变形为主的破坏,当提高砼强度或配有足够的箍筋时,也可能出现具有一定延性的剪压破坏。 1.5时为极短柱，柱的破坏形态为剪切破坏，抗震性能差，应尽量避免。,轴压比： 当轴压比较小时，柱的轴压力设计值较小，柱截面受压区高度较小，构件将发生受拉钢筋首先屈服的大偏压破坏，破坏时构件有较大变形；当轴压比较大时，柱截面受压区高度较大，属小偏心破坏，破坏时，受拉钢筋 ( 或压应力较小侧的钢筋 ) 并未屈服，构件变形较小。,箍筋体积配筋率： 当箍筋配置不足或构造不合理，柱身出现斜裂缝，柱端砼被压碎，节点斜裂或纵筋弹出，在柱端塑性区应适当地加密箍筋，对提高柱的变形能力是十分有利的。,纵筋配筋率： 柱截面在纵筋屈服后的转角变形能力，主要受纵向受拉钢筋配筋率的影响，且大致随纵筋配筋率的增大而线形地增大，为避免地震作用下柱子过早地进入屈服阶段，增大柱屈服时的变形能力，提高柱的延性和耗能能力，全部纵筋的配筋率不能过小，但也不能过大。非抗震时，不宜大于5%，不应大于6%；抗震设计时不应大于5%。,3.框架节点： 直交梁对节点核心区的约束作用：对现浇结构，当直交梁的截面宽度不小于柱宽的 ，截面高度不小于框架梁截面高度的 时，即使直交梁开裂，节点核心区的抗剪强度也提高了50%。 直交梁：垂直于框架平面与节点相交的梁 轴心压力对节点核心区砼抗剪强度及节点延性的影响：轴压比0.6时，节点核心区砼的抗剪强度随着轴压比的增加，轴压比 = 0.60.8 时，节点核心区砼的抗剪强 度将随轴压比的增加而下降。,剪压比和配箍率对节点受剪承载力的影响： 配箍率较小时，节点的抗剪承载力随着配箍率的提高而提高，这时节点破坏时的特征是砼被压碎，箍筋屈服。但当节点水平截面太小，配箍率较高时，节点区砼的破坏将先于箍筋的屈服。二者不能同时发挥作用，节点的受剪水平承载力达不到理想的最大值，应对节点的最小截面尺寸加以限制，以保证箍筋的材料强度得到充分发挥。一般要求节点区截面的剪压比大于 0.35，否则应增大节点水平截面尺寸。,梁纵筋滑移对结构延性的影响： 框架梁纵筋在中柱节点核心区通常的连续贯通的形式通过，在水平地震作用下，梁中纵筋在节点的一边受拉屈服，另一侧受压屈服，循环往复将使纵筋的粘结迅速破坏，导致梁纵筋在节点核心区贯通滑移。所以为了防止这一现象的发生，最好采用直径不大于120柱截面边长的钢筋，使节点区有不小于20倍直径的直端锚固长度，或将梁纵筋穿过柱中心轴后再弯入柱内，改善其锚固长度。,四、构造设计,1、柱截面尺寸宜符合下列要求： 矩形截面柱边长，非抗震时不宜小于250mm，抗震时不宜小于300mm，圆柱截面不宜小于350mm。 柱剪跨比不宜大于2（剪跨比=m/vh0） 柱截面高宽比不宜大于3,（一）框架柱构造要求,2、抗震设计时，钢筋混凝土柱轴压比不宜超过下列规定（对于类场地土上较高的高层建筑其轴压比限值应适当减小，最大不应大于1.05）,3、柱纵向钢筋和箍筋配置应符合下列要求： 柱全部纵向钢筋的配筋率不应小于下表规定，且柱每一侧纵向钢筋配筋率不应小于0.2% 。抗震时，对于iv类场地上的较高高层建筑，表中数值应增加0.1。,柱纵向钢筋最小配筋百分率（%）,2.抗震设计值，柱箍筋在规定的范围内应加密，加密区的箍筋间距与直径应符合下列要求： a、一般情况下，箍筋最大间距与最小直径应按下表采用,柱端箍筋加密区的构造要求,b、二级框架柱箍筋直径不小于10mm、肢距不大于200mm时，除柱根外最大间距可以150mm，三级框架柱的截面尺寸不大于400mm时，箍筋最小直径可以为6mm，四级框架柱剪跨比不大于2或柱中全部纵向钢筋的配筋率大于3%时，箍筋直径不应小于8mm。 c、剪跨比不大于2的柱，箍筋间距不应大于100mm，一级时尚不应大于6倍的纵向钢筋直径.,4、柱纵向钢筋的配置尚应满足下列要求： 抗震时对称配筋 抗震时截面尺寸大于400mm的柱，其纵向钢筋间距不宜大于200mm，非抗震时，不应大于350mm，钢筋净距不应小于50mm。 全部纵向钢筋的配筋率，非抗震时不宜大于5%、不应大于6%，抗震时不应大于5%。 一级且剪跨比不大于2的柱，其单侧纵向受拉钢筋的配筋率不宜大于1.2%。,边柱、角柱及墙端柱考虑地震作用组合产生小偏心受拉时柱内纵筋总截面面积应比计算值增加25%。 5、柱的纵筋不应与箍筋、拉筋、预埋件等焊接。 6、抗震设计时，柱箍筋加密应符合下列要求： 底层柱的上端和其他各层柱的两端应取矩形截面柱之长边尺寸（或圆柱直径），柱净高1/6和500mm三者之最大值范围。, 底层柱刚性地面上下各500mm的范围 底层柱柱根以上1/3柱净高的范围。 剪跨比不大于2的柱和因填充墙等形成的柱净高与截面高度之比不大于4的柱全高范围。 一、二级框架角柱的全高范围。 需要提高变形能力的柱的全高范围。,7、柱加密区范围内箍筋的体积配筋率： vvfc/fyv v：柱最小配箍特征值。 fc 当混凝土c35时，取c35，fyv 当fy 360n/mm2时，取fyv =360 n/mm2,抗震设计时，柱箍筋设置尚应符合下列要求： 箍筋应为封闭式，末端应作成135弯钩且弯钩末端平直线长度不应大于10d，且不应小于75mm。 加密区的肢距，一级200mm，二、三级250mm和20倍箍筋直径的较大值，每一根纵向钢筋宜在两个方向有箍筋约束，采用拉筋时，采用拉筋组合箍筋，拉筋宜紧靠纵向钢筋并勾住封闭箍。,柱非加密区的箍筋，其体积配箍率不宜小于加密区的一半，间距不应大于加密区的2倍，一、二级不应大于10倍纵向钢筋直径，三、四级不应大于15d（纵筋直径）。 非抗震设计时，要求稍低，但柱中全部纵向钢筋的配筋率超过3时，箍筋直径不应小于8mm，柱每边纵筋多于3根时，应设复合箍，其他要求详见规程。,（三）框架梁构造要求： a、抗震时框架梁纵筋构造要求： 1计入受压钢筋作用的梁端截面混凝土受压区高度与有效高度之比值，一级不一应大于0.25，二、三级不应大于0.35。 2纵向受拉钢筋的最小配筋率lmin（），非抗震时，不应小于0.2和45ft/ fy 二者的较大值，抗震设计时要求更高。,高层,3抗震设计时，梁端纵向受拉钢筋配筋率不应大于2.5 4抗震设计时，梁端截面的底面和顶面纵向钢筋截面面积的比值，除计算确定外，一级不应小于0.5，二级、三级不应小于0.3（地震作用方向的不确定性）,高层,5沿梁全长顶面和底面应至少各配两根纵向钢筋，一、二级抗震设计时，钢筋直径不应小于14mm，且分别不应小于梁两端顶面和底面纵向钢筋中较大截面面积的1/4，三、四级和非抗震不应小于12mm。,6一、二级抗震等级的框架梁内贯通中柱的每根纵向钢筋的直径，对矩形截面柱，不宜大于柱在该方向截面尺寸的1/20，对圆形截面柱，不宜大于纵向钢筋所在位置柱截面弦长的1/20。,b、抗震时框架梁箍筋设计要求,(1)框架梁的箍筋尚应符合下列要求： 一级 sv0.3 ft/fyv(sv框架梁沿全长箍筋的面积配筋率） 二级 sv 0.28ft/fyv 三、四级 sv 0.26 ft/fyv,高层,(2) 第一箍筋应设置在距支座边缘50mm (3) 加密范围内箍筋肢距，一级不宜大于200mm和20倍箍筋直径的较大值，二、三级不宜大于250mm和20倍箍筋直径的较大值，四级不宜大于300mm。,(4)箍筋应有135。弯钩，弯钩端头直段长度不应小于10倍的箍筋直径和75mm的较大值,高层,(5)有纵向钢筋搭接长度范围内的箍筋间距，钢筋受拉时不应大于搭接钢筋较小直径的5倍，且不应大于100mm，钢筋受压时不应大于搭接钢筋最小直径10倍，且不应大于200mm (6)非加密取箍筋最大间距不宜大于加密区箍筋间距的2倍。,（7）抗震设计时，梁端箍筋的加密区长度，箍筋最大间距和最小直径都应符合下表要求，当梁端纵向钢筋配筋率大于2时，表中的最小直径应增大2mm。,c、非抗震设计时，框架梁箍筋配筋构造规定：, 沿梁全长设置箍筋 截面高度大于800mm的梁，其箍筋直径不宜小于8mm，其余截面不宜小于6mm，受力钢筋搭接长度范围内，箍筋直径不应小于搭接钢筋直径最大值的0.25倍。 箍筋间距不应大于下表,高层,当梁的剪力设计值v0.7ftbh0时，其箍筋面积配筋率应符合下式： sv0.24ft/fyv 当梁中配有计算需要的纵向受压钢筋时，其箍筋尚应符合下列要求： a 箍筋直径不应小于纵向受压钢筋最大直径的0.25倍 b 箍筋应作成封闭式,高层,c 箍筋间距不应大于15d且不应大于400mm，当一层内的受压钢筋多于5根且d18mm时，箍筋间距不应大于10d（纵向受压钢筋的最小直径） d 当梁截面宽度大于400mm，且一层内的纵向受压钢筋多于3根时，或b400mm时，但纵向受压钢筋多于4根时，应设置复合箍 框架梁的纵向钢筋不应与箍筋，拉筋及预埋件等焊接。,8、框架节点核心区应设置水平箍: 非抗震时，除一般规定外，箍筋间距不宜大于250mm，对四边有梁与之相连的节点，可仅沿节点周边设置矩形箍筋。 抗震设计时则应予加强，一、二、三级框架节点核心区配箍特征值分别不宜小于0.12，0.1，0.08。且体积配箍率分别不宜小于0.6，0.5，0.4，柱剪跨比不大于2的框架节点核心区的配箍特征值不宜小于核心区上、下柱端配箍特征值中的较大值（强节点）。,（五）钢筋的连接与锚固： 1、受力钢筋的连接接头应在构件受力较小部位，抗震设计时，宜避开梁端柱端箍筋加密区范围，连接可采用机械连接，绑扎搭接或焊接。 2、非抗震设计时，受拉钢筋的最小锚固长度应取la，受拉钢筋绑扎搭接的搭接长度应根据位于同一连接区段内搭接钢筋截面面积的百分率按下式计算，且不应小于300mm。 l1=la,高层,高层,：纵向受拉钢筋搭接长度修正系数,la：普通钢筋,预应力筋,钢筋外形系数，可查表,3、抗震设计时，混凝土构件纵向受拉钢筋的锚固与连接： 二级抗震等级，锚固长度lae=1.15la 三级抗震等级，锚固长度lae=1.05la 四抗震等级，锚固长度lae=1.0la 当采用绑扎搭接接头时，搭接长度l1e=le 受拉钢筋直径大于28mm，受压钢筋直径大于32mm，不宜采用绑扎搭接接头,高层,4、钢筋混凝土梁、柱纵向受力钢筋的连接方法应符合下列规定： 框架柱，一、二级及三级底层柱宜采用机械连接接头，也可采用绑扎搭接或焊接接头，三级的其他部位和四级，可采用绑扎搭接或焊接。 框支梁，框支柱：宜采用机械连接接头（套筒连接及电轧压力焊等）,高层, 框架梁：一级宜采用机械连接接头，二四级，可采用绑扎或焊接。 位于同一连接区段内的受拉钢筋接头面积百分率不宜超过50 当接头无法避开梁、柱箍筋加密区时，宜采用机械连接接头，且接头面