建筑结构(上册)12多层框架结构房屋.ppt

12多层框架结构房屋 本章主要介绍 多层及高层房屋的结构体系 结构的计算简图及荷载确定 简单框架的内力计算 无抗震设防要求时框架结构构件设计 非抗震设计时框架节点的构造要求 结构施工图平面整体表示方法 重点是施工图的识读 本章提要 多层与高层房屋之间没有明确的界限 我国通常将8层及 层以下的房屋称为多层房屋 8层以上的房屋称为高层房屋 钢筋混凝土框架结构 是指由钢筋混凝土横梁 纵梁和柱等构件所组成的结构 墙体不承重 内 外墙只起分隔和围护作用 见图12 1 按施工方法的不同 框架可分为整体式 装配式和装配整体式三种 整体式框架也称全现浇框架 其优点是整体性好 建筑布置灵活 有利于抗震 但工程量大 模板耗费多 工期长 装配式框架的构件全部为预制 在施工现场进行吊装和连接 其优点是节约模板 缩短工期 有利于施工机械化 装配整体式框架是将预制梁 柱和板现场安装就位后 在构件连接处浇捣混凝土 使之形成整体 其优点是 省去了预埋件 减少了用钢量 整体性比装配式提高 但节点施工复杂 图12 1框架结构图 a 平面图 b 剖面图 本章内容 12 1框架结构布置12 2框架结构的计算简图及荷载12 3竖向荷载作用下的内力近似计算 分层法12 4水平荷载作用下的内力和侧移的近似计算 反弯点法和D值法12 5框架的内力组合12 6现浇框架的一般构造 12 1框架结构布置 1 结构平面布置宜简单 规则和对称 2 建筑平面长宽比不宜过大 L B宜小于6 3 结构的竖向布置要做到刚度均匀而连续 避免刚度突变 4 建筑物的高宽比不宜过大 H B不宜大于5 5 房屋的总长度宜控制在最大伸缩缝间距以内 否则需设伸缩缝或采取其它措施 以防止温度应力对结构造成的危害 12 1 1结构布置原则 6 在地基可能产生不均匀沉降的部位及有抗震设防要求的房屋 应合理设置沉降缝和防震缝 框架结构是由若干个平面框架通过连系梁的连接而形成的空间结构体系 在这个体系中 平面框架是基本的承重结构 按其布置方向的不同 框架体系可以分为下列三种 1 横向框架承重方案 在这种布置方案中 主要承重框架沿房屋的横向布置 沿房屋的纵向设置板和连系梁 见图12 2 a 12 1 2框架结构方案 2 纵向框架承重方案 在这种布置方案中 主要承重框架沿房屋的纵向布置 沿房屋的横向设置板和连系梁 见图12 2 b 3 纵横向框架混合承重方案 在这种布置方案中 主要承重框架沿房屋的纵 横向布置 见图12 2 c 图12 2框架体系的布置 a 横向布置 b 纵向布置 c 纵横双向布置 1 工业厂房 一般采用6m柱距 跨度则随柱网的布置方式不同分为内廊式和跨度组合式 见图12 3 厂房的层高一般根据车间的工艺设备 管道布置及通风采光等因素决定 常用的底层层高有4 2m 4 5m 4 8m 5 4m 6 0m 7 2m和8 4m 2 民用建筑 民用建筑类型较多 功能要求各有不同 柱网及层高变化也较大 尺度一般较工业厂房为小 柱网和层高通常按300mm进级 12 1 3柱网尺寸及层高 图12 3柱网的布置 a 内廊式 b 跨度组合式 变形缝分为伸缩缝和沉降缝 在地震设防区还需按 建筑抗震设计规范 的规定设置防震缝 伸缩缝是为了避免温度应力和混凝土收缩应力使房屋产生过大伸缩变形或裂缝而设置的 伸缩缝仅将基础以上的房屋分开 钢筋混凝土框架结构的伸缩缝最大间距如表12 1 沉降缝是为了避免地基不均匀沉降在房屋构件中产生裂缝而设置的 沉降缝必须将房屋连同基础一起分开 12 1 4变形缝的设置 在建筑物的下列部位宜设置沉降缝 土层变化较大处 地基基础处理方法不同处 房屋在高度 重量 刚度有较大变化处 建筑平面的转折处 新建部分与原有建筑的交界处 沉降缝由于是从基础断开 缝两侧相邻框架的距离可能较大 给使用带来不便 此时可利用挑梁或搁置预制梁 板的方法进行建筑上的闭合处理 见图12 4 表12 1钢筋混凝土框架结构伸缩缝最大间距 m 图12 4沉降缝做法 a 设挑梁 板 b 设预制板 梁 12 2框架结构的计算简图及荷载 承受主要竖向荷载的框架主梁 其截面形式在全现浇的整体式框架中以T形 见图12 5 a 为多 在装配式框架中可做成矩形 T形 梯形和花篮形 见图12 5 b g 等 不承受主要竖向荷载的连系梁 其截面形式常用T形 形 矩形 形 L形等 见图12 6 框架柱的截面形式一般为矩形或正方形 12 2 1 1截面的形状 12 2 1梁柱截面的选择 图12 5框架横梁截面形式 图12 6框架连系梁截面形式 1 框架梁 梁截面尺寸可参考受弯构件来初步确定 梁高hb一般可取 1 10 1 18 lb lb为梁的计算跨度 梁净跨与截面高度之比不宜小于4 梁的宽度bb 1 2 1 3 hb 一般不宜小于200mm 选择梁截面尺寸还应符合规定的模数要求 2 框架柱 柱截面的宽度bc和高度hc一般取 1 15 1 20 层高 为了提高框架抗水平力的能力 矩形截面的hc bc不宜大于3 柱截面的边长不宜小于250mm 12 2 1 2截面尺寸 为了简化计算 作如下规定 1 对现浇楼面的整体框架 中部框架梁I 2I0 边框架梁I 1 5I0 其中I0为矩形截面梁的惯性矩 图12 7 a 2 对做整浇层的装配整体式框架 中部框架梁I 1 5I0 边框架梁I 1 2I0 图12 7 b 3 对装配式楼盖 梁的惯性矩可按本身的截面计算 I I0 图12 7 c 12 2 1 3梁截面的惯性矩 图12 7框架结构的刚度取值 框架结构是由横向框架和纵向框架组成的空间结构 为了简化计算 通常忽略它们之间的空间联系 而将空间结构体系简化为横向和纵向平面框架计算 并取出单独的一榀框架作为计算单元 该单元承受的荷载如图12 8中阴影部分所示 在计算简图中 框架节点多为刚接 柱子下端在基础顶面 也按刚接考虑 杆件用轴线表示 梁柱的连接区用节点表示 等截面轴线取截面形心位置 图12 9 a 当上下柱截面尺寸不同时 则取上层柱形心线作为柱轴线 图12 9 b 12 2 2框架结构的计算简图 图12 8框架的计算单元 图12 9框架柱轴线位置 多层结构房屋一般受到竖向荷载和水平荷载的作用 竖向荷载包括横荷载 楼层使用活荷载 雪荷载及施工活荷载等 竖向荷载包括风荷载和水平地震作用 1 楼面活荷载的折减 在设计住宅 宿舍 旅馆 办公楼等多层建筑的墙 柱和基础时 由于楼面活荷载在所有各层同时满载的可能性很小 所以作用于楼面上的使用活荷载应乘以表12 2所规定的折减系数 12 2 3框架上的荷载 2 风荷载 与单层工业厂房类似 作用在多层房屋外墙表面的风荷载标准值wk可按下式计算 wk z s zw0 表12 2楼面活荷载折减系数 12 3竖向荷载作用下的内力近似计算 分层法 多层多跨框结构在竖向荷载作用下 用位移法或力法等精确方法计算的结果表明 框架的侧移是极小的 而且作用在某层横梁的影响也很小 为了简化计算 分层法假定 1 在竖向荷载作用下 框架的侧移可忽略不计 2 每层梁上的荷载对其它各层梁的影响可忽略不计 12 3 1分层法的计算假定 根据上述假定 计算时可将各层梁及其上 下柱作为独立的计算单元分层进行计算 图12 10 分层计算所得梁弯矩即为最后弯矩 由于每一层柱属于上 下两层 所以柱的弯矩为上 下两层计算弯矩相叠加 图12 10分层法的计算单元 12 3 2计算步骤 1 画出结构计算简图 并标明荷载及轴线尺寸 2 按规定计算梁 柱的线刚度和相对线刚度 除底层柱外 其余各层柱的线刚度遍乘0 9的折减系数 3 用弯矩分配法自上而下分层计算各计算单元的杆端弯矩 4 叠加柱端弯矩 得出最后杆端弯矩 如节点弯矩不平衡值较大 可在节点重新分配一次 5 根据静力平衡条件绘出框架的内力图 例12 1 图12 11所示一个两层两跨框架 用分层法作框架的弯矩图 括号内数字表示每根杆线刚度的相对值 解 将第二层各柱线刚度遍乘0 9 分为两层计算 各层计算单元如图12 12和图12 13所示 用弯矩分配法计算各杆端的弯矩 其计算过程见图12 14 最后将图12 14中的各杆端弯矩叠加并绘弯矩图如图12 15所示 图12 11例12 1计算简图 图12 12例12 1二层计算单元 图12 13例12 1底层计算单元 图12 14 图12 15M图 单位 kN m 12 4水平荷载作用下的内力和侧移的近似计算 反弯点法和D值法 多层多跨框架所受水平荷载主要是风荷载及水平地震作用 一般可简化为作用在框架节点上的集中荷载 其弯矩图如图12 16 a 所示 它的特点是 各杆的弯矩图都是直线形 每杆都有一个零弯矩点 称为反弯点 框架在水平荷载作用下的变形情况如图12 16 b 所示 12 4 1 1反弯点法基本假定 12 4 1反弯点法 为了简化计算 作如下假定 1 在进行各柱间的剪力分配时 假定梁与柱的线刚度之比为无穷大 即各柱上下两端的转角为零 2 在确定各柱的反弯点位置时 假定除底层柱以外的各层柱 受力后上下两端将产生相同的转角 图12 16水平荷载下的框架弯矩图和变形 1 反弯点高度的确定 反弯点高度为反弯点至该层柱下端的距离 对于上层各柱 根据假定 2 各柱的上下端转角相等 此时柱上下端弯矩也相等 因而反弯点在柱中央 对于底层柱 当柱脚为固定时 柱下端转角为零 上端弯矩比下端弯矩小 反弯点偏离中央而向上移动 通常假定y 2h 3 12 4 1 2反弯点法的基本内容 2 侧移刚度d的确定 侧移刚度d表示柱上下两端有单位侧移时在柱中产生的剪力 根据假定 1 梁柱线刚度之比无穷大 则各柱端转角为零 由结构力学的两端无转角但有单位水平位移时杆件的杆端剪力方程 柱的侧移刚度d可写成 3 同层各柱剪力的确定设同层各柱剪力为V1 V2 Vj 根据层剪力平衡 有 V1 V2 Vj P可得 于是有 4 柱端弯矩的确定根据各柱分配的剪力及反弯点位置 可确定柱端弯矩 底层柱上端Mj上 Vj hj 3下端Mj下 Vj 2hj 3 其它层柱 上下端Mj上 Mj下 Vj hj 2 4 梁端弯矩的确定 柱端弯矩确定以后 根据节点平衡条件可确定梁的弯矩 对于边柱节点 图12 17 a 有Mb Mc1 Mc2对于中柱节点 图12 17 b 有 Mb1 ib1 ib1 ib2 Mc1 Mc2 Mb2 ib2 ib1 ib2 Mc1 Mc2 例12 2 用反弯点法求图12 18所示框架的弯矩图 图中括号内数字为各杆的相对线刚度 解 1 计算柱的剪力 当同层各柱h相等时 各柱剪力可直接按其线刚度分配 第3层 P 10kN VAD 3 33kN VBE 4 45kN VCF 2 22kN 第2层 P 10 19 29kN VDG 9 67kN VEH 12 89kN VFI 6 44kN 第1层 P 10 19 22 51kN VGJ 17kN VHK 20 4kN VIL 13 6kN 2 计算柱端弯矩 第3层 MAD MDA 6 66kN m MBE MEB 8 9kN m MCF MFC 4 44kN m 第2层 MDG MGD 24 18kN m MEH MHE 32 23kN m MFI MIF 16 1kN m 第1层 MGJ 34kN m MJG 68kN mMHK 40 8kN m MKH 81 6kN m MIL 27 2kN m MLI 54 4kN m 3 根据节点平衡条件算出梁端弯矩 第3层 MAB MAD 6 66kN m MBA 3 42kN m MBC 5 48kN m MCB MCF 4 44kN m 第2层 MDE 30 84kN m MED 15 82kN m MEF 25 31kN m MFE 20 54kN m 第1层 MGH 58 18kN m MHG 28 09kN m MHI 44 94 kN m MIH MIF MIL 16 1 27 2 43 3kN m 根据以上结果 画出M图如图12 19所示 图12 17节点杆端弯矩 图12 18 图12 19M图 单位 kN m 12 4 2D值法 反弯点法是梁柱线刚度比大于3时 假定节点转角为零的一种近似计算方法 提出了修正框架柱的侧移刚度和调整反弯点高度的方法 称为 改进反弯点法 或 D值法 D值法的名称是由于修正后的柱侧移刚度用D表示 D值法计算简便 精度又比反弯点法高 如图12 20所示 从框架中任取一柱AB 根据转角位移方程 柱两端剪力为 考虑到上下梁线刚度及柱端约束条件的影响 修正后的柱侧移刚度D值计算公式为表12 3给出了各种情况下的 值计算公式 可直接选用 12 4 2 1修正后柱侧移刚度D 求得 值后 代入式 12 12 即可求得柱的侧移刚度 同层各柱的剪力可按下式求得 图12 20框架柱剪力计算图式 表12 3 值计算公式 当横梁线刚度与柱的线刚度之比不很大时 柱的两端转角相差较大 尤其是最上层和最下几层 其反弯点并不在柱的中央 它取决于柱上下两端转角 当上端转角大于下端转角时 反弯点移向柱上端 反之 则移向柱下端 各层柱反弯点高度可统一按下式计算 y yh y0 y1 y2 y3 h 12 4 2 2柱的反弯点高度 1 标准反弯点高度比y0标准反弯点高度比y0主要考虑梁柱线刚度比及结构层数和楼层位置的影响 它可根据梁柱相对线刚度比 表12 3 框架总层数m 该柱所在层数n 荷载作用形式由表12 4查得 2 上下层横梁线刚度不同时的修正值y1 当某层柱的上梁与下梁刚度不同 则柱上下端转角不同 反弯点位置有变化 修正值为y1 见图12 21 根据 1和K值由表12 5查得y1 3 上下层层高变化时的修正值y2 y3 当柱所在楼层的上下楼层层高有变化时 反弯点也将偏移标准反弯点位置 见图12 22 令上层层高h上与本层层高h之比为 2 即 2 h上 h 由 2和K从表12 6查得修正值y2 例12 3 用D值法求图12 23所示框架的弯矩图 图中括号内数字为各杆的相对线刚度 解 1 求各柱所分配的剪力值V kN 计算过程及结果如表12 7所示 2 求各柱反弯点高度 m 计算过程及结果如表12 8所示 3 根据剪力和反弯点高度求柱端弯矩 柱上端弯矩M上 V h y 柱下端弯矩M下 V y 4 根据节点平衡条件求梁端弯矩 5 绘弯矩图如图12 24所示 表12 4规则框架承受均布水平荷载作用时标准反弯点高度比y0 表12 5上下层横梁线刚度比对y0的修正值y1 图12 21横梁刚度变化对反弯点位置的影响 图12 22层高变化对反弯点位置的影响 表12 6上下层高变化对y0的修正值y2和y3 图12 23例12 3 表12 7 图12 24M图 单位 kN m 表12 8 12 4 3水平荷载作用下侧移的计算 框架的侧移主要是由水平荷载引起 框架的侧移包括两部分 一是顶层最大位移 若过大会影响正常使用 二是层间相对侧移 过大会使填充墙出现裂缝 因而必须对这两部分侧移加以限制 框架结构在水平荷载作用下的侧移 可以看做是梁柱弯曲变形 图12 25 a 和柱的轴向变形 图2 25 b 所引起的侧移的叠加 图12 25框架在水平荷载作用下的变形 a 梁柱弯曲变形 b 柱的轴向变形 侧移刚度的物理意义是柱两端产生单位层间侧移所需的层剪力 当已知框架结构某一层所有柱的侧移刚度D值和层剪力后 按照侧移刚度的定义 可得第j层框架的层间相对侧移 uj应为框架顶点的总侧移 应为各层层间相对侧移之和 即 12 4 3 1用D值法计算框架的侧移 在水平荷载作用下框架结构层间相对侧移 u的限值要求是 1 高度不大于150m的框架结构 u h 550 2 高度等于或大于250m的框架结构 u h 500 3 高度在150 250m之间的框架结构 按 u h 550 u h 500线形插入 12 4 3 2侧移限值 12 5框架的内力组合 对于框架横梁 其控制截面通常是两个支座截面及跨中截面 梁支座截面是最大负弯矩及最大剪力作用的截面 在水平荷载作用下可能出现正弯矩 而跨中控制截面常常是最大正弯矩作用的截面 在组合前应经过换算求得柱边截面的弯矩和剪力 见图12 26 柱的控制截面为柱的上 下两个端截面 12 5 1控制截面及最不利内力 柱的最不利内力可归纳为以下三种类型 1 M max及相应的N V 2 Nmax及相应的M V 3 Nmin及相应的M V 图12 26梁端控制截面弯矩及剪力 12 5 2楼面活荷载的最不利布置 作用于框架结构上的竖向荷载包括恒荷载和活荷载 恒荷载是长期作用在结构上的荷载 任何时候必须全部考虑 在计算内力时 恒荷载必须满布 如图12 27 但是活荷载却不同 它有时作用 有时不作用 各种不同的布置就会产生不同的内力 因此应该由最不利布置方式计算内力 以求得截面最不利内力 可以不考虑活荷载不利布置 与恒荷载一样均按满布方式计算内力 从而使计算工作量大为减少 图12 27永久荷载分布 12 5 3风荷载的布置 风荷载可能沿某方向的正 反两个方向作用 在对称结构中 只需进行一次内力计算 荷载在反向作用时 内力改变符号即可 如图12 28所示 图12 28风荷载作用弯矩图 12 5 4荷载组合 应按 荷载规范 的规定 根据各种荷载的特点取相应的组合系数 将某些荷载值适当降低 对于非地震区的多层框架 有下列荷载组合形式 1 横载