框架结构.ppt

dd 1 第3章框架结构 3 1概述 3 2框架结构的组成与布置 3 3抗震设防区框架体系房屋设计 3 4框架结构构件截面设计 3 1概述 钢筋混凝土高层建筑常用的结构体系 1 框架结构体系由框架梁 柱 楼板等主要构件组成 其特点是 柱网布置灵活 便于获得较大的使用空间 延性较好 横向侧移刚度较小 因此适用需要大空间的 层数不宜太多 房屋的高度不宜太高的建筑 例如商场 车站 展览馆 停车库 宾馆的门厅 餐厅等 框架应当纵横双向布置 形成双向抗侧力体系 高层建筑不宜采用框架结构 框架结构在水平力作用下侧向变形的特征为剪切型 框架结构的缺点因构件截面尺寸不可能太大故强度和刚度受到一定限制 因此房屋的高度受到限制 2 3 框架柱网布置举例 按施工方法不同 框架结构可分为现浇式 装配式和装配整体式三种 1 框架结构的受力特点在竖向荷载和水平荷载作用下 框架结构各构件将产生内力和变形 框架梁主要内力为弯矩和剪力 轴力很小 框架柱的主要内力为轴力 弯矩和剪力 框架结构的侧移一般由两部分组成 由水平力引起的楼层剪力 使梁 柱构件产生弯曲变形 形成框架结构的整体剪切变形us 由水平力引起的倾覆力矩 使框架柱产生轴向变形 一侧柱拉伸 另一侧柱压缩 形成框架结构的整体弯曲变形ub 当框架结构房屋的层数不多时 其侧移主要表现为整体剪切变形 整体弯曲变形的影响很小 框架结构的侧移 6 2 剪力墙结构体系1 剪力墙承受竖向荷载及水平荷载的能力都较大 2 其特点是整体性好 侧向刚度大 水平力作用下侧移小 并且由于没有梁 柱等外露与凸出 便于房间内部布置 3 缺点是不能提供大空间房屋 结构延性较差 1 当地下室或下部一层 几层 需要大空间时 如商场 停车库等 即形成部分框支剪力墙结构 2 在框支剪力墙结构和剪力墙结构两种不同结构的过渡层必须设置转换层 剪力墙结构由于承受竖向力 水平力的能力均较大 横向刚度大 因此可以建造比框架结构更高 更多层数的建筑 只能以小房间为主的房屋 如住宅 宾馆 单身宿舍 而宾馆中需要大空间的门厅 餐厅 商场等往往设置在另外的建筑单元中 7 10 14层是本工程的结构转换层 结构受力形式转换 异型柱 巨型柱通过柱上起斜柱和大梁上起斜柱的方式转换成截面较小的框架柱 构件本身的配筋相对比较密集 尤其体现在13 14层竖向结构部分 9 为了适用任何方向的水平力 或地震作用 因此对于矩形平面 剪力墙在纵横双向均应设置 对于圆形平面 剪力墙应沿径向及环向设置 三角形平面 宜沿三个主轴方向设置剪力墙 剪力墙结构在水平力作用下侧向变形的特征为弯曲型 10 11 3 框架 剪力墙结构体系1 框架结构的主要特点是能获得大空间的房屋 房间布置灵活 而其主要弱点是抗侧移刚度较小 侧移较大 2 剪力墙结构侧向刚度大 可减小侧移 但是全剪力墙结构无法布置大空间房屋 3 框架 剪力墙结构体系恰好是对两者取长补短 既能布置大空间房屋与小空间房屋 布置灵活 又具有较大的侧向刚度 弥补纯框架结构之不足 4 框架 剪力墙结构体系广泛用于层数较多 房屋总高较高的建筑 而且可以灵活布置大小空间房间 适应较多的建筑功能要求 12 对于地震区建筑来说 框架一剪力墙结构具有两道抗震防线即剪力墙与框架 框架 剪力墙结构的主要缺点 由于功能要求 剪力墙布置位置往往受到限制 往往不可避免地造成刚心 质心不重合 产生偏心扭矩 同时其侧向刚度还是偏小 房屋建造高度受到限制 框架一剪力墙结构在水平力作用下侧向变形的特征为弯剪型 13 14 4筒体结构体系简体结构包括框架一核心筒结构与筒中筒结构 1 框架一核心筒结构由实体的核心筒和外框架构成 2 一般将楼电梯间及一些服务用房集中在核心筒内 其他需较大空间的办公用房 商业用房等布置在外框架部分 3 由于核心简实际上是两个方向的剪力墙构成封闭的空间结构 具有更好的整体性与抗侧刚度 框架 核心筒结构体系适用于高度较高 功能较多的建筑 15 1 筒中筒结构是由实体的内筒与空腹的外筒组成 空腹外筒由密排柱及高度较大的横梁组成 2 筒中筒结构体系具有更大的整体性与侧向刚度 因此适用于高度很大的建筑 3 如果将若干筒体组合成成组筒结构体系 则侧向刚度更大 可适用于特别高的超高层建筑 16 17 18 1999年初 上海市又一座标志性建筑傲然屹立黄浦江畔 人们期待已久的世界第四 亚洲第二 中国内地第二 上海环球金融中心刷新的历史 的88层金茂大厦 JinmaoTower 终于推向市场 这幢集现代办公楼 豪华五星级酒店 商业会展 高档宴会 观光 娱乐 商场等综合设施于一体 深富中华民族文化内涵 溶汇西方建筑艺术的智慧型摩天大楼 已成为当今沪上最方便舒适 最灵活安全的办公 金融 商贸 娱乐和餐饮的理想活动场所 3 2框架结构的组成与布置 3 2 1框架结构的组成与分类3 2 1 1框架结构的组成梁 柱连接而成的 框架结构一般要求 框架柱在纵横两个方向应有框架梁连接 梁柱中心线宜重合 框架柱宜纵横对齐 上下对中 为了满足使用功能或建筑造型上的要求 抽梁 抽柱 内收 外挑 斜梁等形式 19 刚性连接 铰接连接 排架结构 3 2 1 2框架结构的分类1 按施工方法的不同分类 1 全现浇式框架 框架全部构件 梁 板 柱 均在现场现浇成整体 1 整体性和抗震性能好 2 构件尺寸不受标准构件限制 3 现场工程量大 模板耗费多 工期较长 使用最广泛 大量用于多高层建筑及抗震地区 2 装配式框架 框架全部构件 梁 板 柱 采用预制装配 1 可加速施工进度 提高建筑工业化程度 2 节点构造刚性差 预埋件 抗震性能差 在抗震设防地区不宜采用 20 3 半现浇框架 梁 柱现浇 楼板预制 1 梁 柱整体性较好 适用于抗震建筑 不如全现浇式框架 2 楼板预制可节约模板 降低成本 应用较少 4 装配整体式框架 预制梁 板 柱 装配时通过局部现浇混凝土使构件联结成整体 1 保证了节点的刚接 结构整体性好 2 可省去连接件 3 增加了后浇混凝土工序 施工较复杂 4 比全现浇可节省模板及加快进度 应用较为广泛 21 2 按承重方式不同分类 1 全框架结构 楼面荷载全部由框架承担 外墙起围护作用 有较好的整体性和抗震性 2 内框架结构 房屋内部由梁 柱组成为框架承重体系 外部由砖墙承重 楼 屋 面荷载由框架与砖墙共同承担 由于钢筋混泥土与砖两种不同材料弹性模量不同 两者刚度及在荷载作用下的变形不协调 房屋整体性和总体刚度都比较差 抗震性能差 对抗震要求的房屋不宜采用 22 23 3 底层框架结构 底层为框架 抗震墙结构 上层为砖混结构房屋 底层建筑需要较大平面空间而采用框架结构 上层为节省造价 仍用混合结构 房屋上刚下柔 抗震性能差 在中小城镇中对底层为商用门面上部为住宅的的多层建筑使用仍非常广泛 3 2 2框架结构的布置 3 2 2 1框架柱的布置柱网布置满足建筑功能要求 柱网布置应与建筑隔墙布置相协调 柱网布置应规则整齐 间距适中 传力体系明确 结构受力合理 沿建筑物的两个主轴方向都应设置框架 柱网的尺寸还受到梁跨度的限制 一般常使梁跨度在6 9m为宜 柱网布置应便于施工 设计时应尽量考虑到构件尺寸的模数化 标准化 减少构件规格 使梁 板布置简单 规则 24 柱网和层高通常按300mm进级 民用建筑柱网尺寸包括开间和进深 柱网尺寸常用范围为6 8m 层高常采用3 0m 3 3m 3 6m 3 9m 4 2m等 26 3 2 2 2梁格结构布置 特点横向为主要承重框架 纵向为连系梁房屋横向刚度大 侧移小 横梁高度大 室内有效净空小 非抗震时使用优先采用横向框架承重方案 横向框架承重方案 27 特点 纵向为主要承重框架 横向为连系梁连系梁截面较小 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 设计中较少采用 纵向框架承重方案 28 特点 主要承重框架纵横两个方向布置 两个方向上均需布置框架承重梁以承受楼面荷载整体性好 受力好 适用于整体性要求较高和楼面荷载较大的情况或楼面有较大开洞 或当柱网布置为正方形或接近正方形时 常采用这种方案 应用较广泛 纵横向框架共同承重方案 框架结构设计中注意的问题 复杂平面 扭转问题 应力集中沿高度侧向刚度突变避免错层与夹层梁柱及节点的抗震细部构造设变形缝 伸缩缝 沉降缝或抗震缝 三维地震作用组合 抗侧结构不对称 引起扭转效应 抗侧结构不对称 引起扭转效应 马那瓜中央银行大厦 试问 那一幢破坏严重呢 马那瓜美洲银行大厦 尼加拉瓜美洲银行平面 18层的美洲银行大楼的主要抗侧力结构是钢筋混凝土内筒 内筒由4个L形小井筒和小井筒之间的连梁组成 1972年马那瓜地震中 美洲银行大楼仅在3 17层四个L形小井筒之间的连梁出现斜裂缝 L形小井筒没有发现裂缝和破坏 震后修复连梁后即投入使用 中央银行大楼是l5层钢筋混凝土单跨框架 钢筋混凝土电梯井筒和楼梯间布置在平面的一端 1972年马那瓜地震中 中央银行大楼严重破坏 五层框架柱严重开裂 纵筋压屈 电梯井的墙体开裂 混凝土剥落 非结构构件破坏 甚至塌毁 中央银行大楼 两幢建筑震害悬殊 结构体系不同是一个原因 主要原因是结构布置不同 中央银行大楼电梯井筒和楼梯间布置在平面的一端 结构刚度严重不对称 地震作用下 结构的扭转效应加重了单跨框架结构的震害 美洲银行大楼的结构平面布置对称 均匀 扭转反应小 钢筋混凝土内筒的刚度大 地震作用下的变形小 四个L形小井筒用连梁联系 管道穿过连梁中间 削弱了连梁 地震中连梁开裂 耗散能量 降低了地震力 尼加拉瓜地震美洲银行 37 2005 7 8 尼加拉瓜地震中央银行 38 2005 7 8 刚度沿水平与竖向突变后的震害 39 2005 7 8 清华大学土木系 40 2005 7 8 1972年圣菲南多8度地震 奥立弗医疗中心震害 1972SanFernandoearthquake OliveViewHospital 3 2 2 3变形缝的设置 1伸缩缝定义 为防止建筑构件因温度变化 热胀冷缩使房屋出现裂缝或破坏 在沿建筑物长度方向相隔一定距离预留垂直缝隙 这种因温度变化而设置的缝叫做伸缩逢 作法 从基础顶面开始 将墙体 楼板 屋顶全部断开使其分成若干段 伸缩缝间距为60m左右 宽度20mm 30mm 42 钢筋混凝土结构伸缩缝最大间距m 43 P43表格下面的注 1 2 3 4 2沉降缝定义 为防止建筑物各部分由于地基不均匀沉降引起房屋破坏所设置的垂直缝称为沉降缝 作法 从基础底部断开 并贯穿建筑物全高 使两侧各为独立的单元 可以垂直自由的沉降 设置原则 1 建筑物平面的转折部位 2 建筑的高度和荷载差异较大处 3 过长建筑物的适当部位 4 地基土的压缩性有着显著差异 5 建筑物基础类型不同以及分期建造房屋的交界处 44 3 防震缝定义 在地震烈度 8度的地区 为防止建筑物各部分由于地震引起房屋破坏所设置的垂直缝称为防震缝 作法 从基础顶面断开 并贯穿建筑物全高 最小缝隙尺寸为50 100mm 查有关规范 缝的两侧应有墙 将建筑物分为若干体型简单 结构刚度均匀的独立单元 设置原则 1 房屋立面高差在6m以上 2 房屋有错层 并且楼板高差较大 3 各组成部分的刚度截然不同 规定 在地震设防区 当建筑物需设置伸缩缝或沉降缝时 应统一按防震缝对待 在多层及高层建筑结构中 尽可能将 三缝合一 尽量少设缝或不设缝 可以简化构造 便于施工 降低造价 增强结构整体性和刚度 45 3 3抗震设防区框架体系房屋设计 3 3 1框架结构房屋最大适用高度 框架房屋高度增加时 侧向力作用的重要性急剧的增长 框架结构在水平荷载作用下 表现出 抗侧刚度小 水平位移大 的弱点 是一种柔性结构体系 房屋层数越多这个弱点越明显 对框架越不利 框架结构的合理层数是6 15层 最经济是10层左右 框架的一般高宽比为3 5 46 房屋最大适用高度 m 房屋高度 指室外地面至主要屋面的高度 3 3 2框架结构抗震等级在同样地震烈度下不同结构类型的钢筋混泥土房屋有不同的抗震要求 因此 建筑抗震设计规范 根据房屋设防烈度 结构类型和房屋高度 将框架结构和框架 抗震墙结构分为一 二 三和四级并规定不同抗震等级的结构应符合相应的计算和构造措施 47 框架结构的抗震等级 3 3 3规则结构与不规则结构 结构平面要求 1 平面宜简单 规则 对称 减小偏心2 平面长度不宜过长 突出部分长度不宜过大 3 不宜采用角部重叠的平面图形或细腰形平面图形 48 结构竖向布置要求 1 竖向体系宜规则 均匀 对称 避免过大的外挑和内收2 结构上部楼层收进部位到室外面的高度要求 见P46页表3 9图的要求当不满足上述要求时 应调整建筑平 立面尺寸和刚度沿房屋平面和高度的分布 选择合理的建筑结构方案 避免设防震缝 49 3 3 4框架结构布置要求 1 房屋的平面 立面宜简单规则 平面和立面不规则的体型 在水平荷载作用下 由于体型突变 受力比较复杂 因此建筑体型在平面及立面上尽量避免部分突出及刚度突变 不能避免时应在结构布置上局部加强 2 楼 电梯间不宜布置在结构单元的两端和拐角部位 在地震作用下 由于结构单元的两端扭转效应最大 拐角部位受力更复杂 而各层楼板在楼 电梯间处都要中断 致使受力不利 容易发生震害 3 各层楼板应尽量设置在同一标高上 尽可能不采用复式框架4 房屋高低层不宜用牛腿相连 宜用缝分开 由于高低层相连 高度和自重相差悬殊 振动时频率不同 必然互相推拉挤压 使牛腿连接处产生很大的应力集中 50 3 4框架结构构件截面尺寸 3 4 1框架梁截面尺寸 矩形 T形和花篮形 设计应根据建筑功能及结构形式确定梁截面形状 确定框架梁尺寸可参考同类房屋已有的设计资料确定 可按下列方法估算 框架梁 主梁 截面尺寸 主梁截面高度 h 1 8 1 12 L 计算跨度 且 1 4梁净跨 不宜小于400mm主梁截面宽度 b 1 2 1 3 h 且 200mm 51 框架连系梁 次梁 截面尺寸 次梁截面高度 h 1 12 1 18 L次梁截面宽度 b 1 2 1 3 h 且 200mm梁宽和梁高均以50为模数 b 120mm 150mm 180mm 200mm 250mm 300mm 350mm等尺寸 h 250mm 300mm 350mm 400mm 750mm 800mm 900mm 1000mm等尺寸 为了降低楼层高度 也为了比较容易实现延性框架要求的强柱弱梁措施 有时要求设计宽度较大的扁梁 在一般荷载作用下 满足上述要求的梁可不进行挠度计算 52 3 4 2框架柱截面尺寸估算 框架柱采用正方形或矩形 有时也采用正多边形 圆形和工字形 柱截面尺寸应考虑以下要求 1 截面高度不宜小于300MM 圆柱截面直径不宜小于350MM 2 柱净高与截面高度之比宜大于4 在有抗震设计要求时不得小于3 3 矩形柱的截面高度与宽度之比不宜大于3 53 54 框架柱截面尺寸估算