【土木建筑】04多层与高层建筑结构备课讲稿.doc

【土木建筑】04多层与高层建筑结构备课讲稿 第第4章多层与高层建筑结构4.1多层与高层建筑结构概念设计4.2结构体系的分类及其结构布置原则4.3框架结构设计4.4剪力墙结构设计4.5框架剪力墙结构设计4.6筒体结构与部分框支剪力墙结构设计概论4.7思考题与作业4.1多层与高层建筑结构概念设计4.1.1多层与高层建筑结构的定义4.1.2多高层建筑结构抗震设计的一般规定1“三水准，两阶段”的设防原则内容2建筑抗震设防分类和设防标准3抗震等级的确定4抗震概念设计原则4.1.1多层与高层建筑结构的定义为适应我国高层建筑的发展形势并与国际诸多国家的界定相适应，我国高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3xx规定10层及10层以上的建筑为高层建筑结构。 考虑到有些钢筋混凝土结构建筑的层数虽未达到10层，但其房屋高度较高，所以同时规定高度超过28m的民用建筑也为高层建筑结构，并把高度为常规高度的高层建筑称为A A级高层建筑(最大适用高度见表44-1)，把高度超过A A级高度限值的高层建筑称为B B级高度的高层建筑(最大适用高度见表44-2)。 当框架剪力墙、剪力墙及筒体结构超过A A级建筑高度时，应按B B级高度高层建筑考虑。 B B级高层建筑的各种体系适用高度见表44-22。 结构体系非抗震设计抗震设防烈度66度77度88度99度框架7060554525框架剪力墙1401301xx050剪力墙全部落地剪力墙1501401xx060部分框支剪力墙1301xx080不宜采用筒体框架核心筒16015013010070筒中筒xx8015012080板柱剪力墙70403530不宜采用注( (11)房屋高度指室外地面至主要屋面高度，不包括局部突出屋面的电梯机房、水箱、构架等高度。 (2)部分框支剪力墙结构指地面以上有部分框支剪力墙的剪力墙结构。 4.1.2多高层建筑结构抗震设计的一般规定抗震设计主要包括两个方面的内容一是抗震设计的概念设计内容，即包括对房屋结构作合理的结构选型和布置以及采取必要的抗震构造措施等；二是确定合理的计算简图和内力分析方法，进行抗震验算。 其中抗震概念设计对建筑物的抗震性能起决策性和关键性的作用，是抗震设计的主要和重要内容之一。 1“三水准，两阶段”的设防原则内容第一水准，当建筑物遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，一般不受损或不需修理可继续使用。 第二水准，当建筑物遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用。 第三水准，当建筑物遭受本地区抗震设防烈度预估的罕见地震影响时，不至倒塌或发生危及生命的严重破坏。 三水准设防目标的通俗说法为“小震不坏，设防烈度地震可修，大震不倒”。 “小震不坏”要求建筑结构在多遇地震作用下满足承载力极限状态验算要求和建筑弹性变形不超过规定的弹性变形限值。 “基本地震可修”要求建筑结构具有相当的延性(变形能力)，不发生不可修的脆性破坏。 “大震不倒”要求建筑具有足够的变形能力，其弹塑性变形不超过规定的弹性变形限值。 两个阶段设计步骤为第一阶段，对绝大多数结构进行多遇地震作用下的结构和构件承载力验算和结构弹性变形验算，对各类结构按规范规定采取抗震措施；第二阶段，对一些规范规定的结构进行罕遇地震下的弹性变形验算。 1“三水准，两阶段”的设防原则内容2建筑抗震设防分类和设防标准建筑抗震设防分类是依据建筑物在地震时和地震后的功能重要程度来分类，按不同的重要性提出不同的抗震安全要求，并采取相应的抗震设计(地震作用和抗震措施)。 现阶段的建筑设防分类及设防标准按国家标准建筑抗震设防分类标准(GB502231995)及建筑抗震设计规范(GB50011xx)执行。 具体要求见表44-33。 GB502231995标准GB50011xx规范设防分类甲类地震破坏后对社会有严重影响，对国民经济有巨大损失或有特殊要求的建筑重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑乙类使用功能不能中断或需尽快恢复，且地震破坏会造成社会重大影响和国民经济重大损失的建筑地震时使用功能不能中断需尽快恢复的建筑丙类地震破坏后有一般影响及其他不属于甲、乙、丁类的建筑除甲、乙、丁类以外的一般建筑丁类地震破坏或倒塌不会影响甲、乙、丙类建筑，且社会影响、经济损失轻微的建筑抗震次要建筑GB502231995标准GB50011xx规范地震作用甲类应按提高设防烈度一度设计按地震安全性评价结果确定乙类应按本地区抗震设防烈度计算应符合本地区抗震设防烈度要求丙类应按本地区抗震设防烈度设计应符合本地区抗震设防烈度要求丁类一般情况下可不降低一般情况下仍应符合本地区抗震设防烈度的要求抗震措施甲类应按提高设防烈度一度计算当抗震设防烈度为6688度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，当为99度时，应符合比99度抗震设防更高的要求乙类当抗震设防烈度为6688度时应提高一度设计，当为99度时，应加强抗震措施。 对较小的乙类建筑，可采用抗震性能好、经济合理的结构体系，并按本地区的抗震设防烈度采取抗震措施一般情况下，当抗震设防烈度为6688度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，当为99度时，应符合比99度抗震设防更高的要求；对较小的乙类建筑，当其结构改用抗震性能较好的结构类型时，应允许仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震措施丙类应按本地区设防烈度设计应符合本地区抗震设防烈度的要求丁类当设防烈度为7799度时，抗震措施可按本地区设防烈度降低一度设计，当为66度时可不降低应允许比本地区抗震设防烈度的要求适当降低，但抗震设防烈度为66度时不应降低表4-3GB502231995及GB50011xx中设防分类、地震作用及防震措施的比较3抗震等级的确定 (1)A级高度的高层建筑结构抗震等级见表44-44。 结构类型烈度66度77度88度99度框架高度(m)30303030303025框架四三三二二一一框架剪力墙高度(m)60606060606050框架四三三二二一一剪力墙三二一一一剪力墙高度(m)8080808060不应采用短肢剪力墙三二二一一高度(m)80808080808060剪力墙四三三二二一一表4-4A级高度的高层建筑结构抗震等级结构类型烈度66度77度88度99度框支剪力墙非底部加强部位剪力墙四三三二二不应采用底部加强部位剪力墙三二二一底部加强部位剪力墙框支框架二二一一框支框架筒体框架核心筒框架三二二一框架核心筒框架核心筒二二一一核心筒筒中筒框架核心筒内筒三二一一筒中筒内筒框架三二二一框架核心筒框架板柱剪力墙高度(m)403530不应采用框架及板柱的柱三二一剪力墙二二二 (2)B级高度的高层建筑结构抗震等级见表44-55。 结构类型烈度66度77度88度框架剪力墙框架二一一剪力墙二一特一剪力墙剪力墙二一一框支剪力墙非底部加强部位剪力墙二一一底部加强部位剪力墙二一特一框支剪力墙框支框架一特一特一框架核心筒框架二一特一核心筒二一特一筒中筒内筒二一特一外筒二一特一表4-5B级高度的高层建筑结构抗震等级 (3)确定抗震等级的几点说明如下框架剪力墙结构，当按基本振型计算地震作用时，若框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%，框架部分按表中框架结构相应的抗震等级设计。 剪力墙部分的抗震等级，宜按框架剪力墙结构中的剪力墙的抗震等级确定，但根据具体情况，有时也可取和修正后框架部分相同的抗震等级。 部分框支剪力墙结构中，剪力墙加强部位以上的一般部位，应按剪力墙结构中的剪力墙确定其抗震等级。 高层建筑主楼与裙房相连，与主楼连为整体的裙房的抗震等级不应低于主楼相应部分的抗震等级；裙房屋面部分的主楼上下各一层受刚度与承载力突变影响较大，抗震措施需要适当加强。 接近或等于高度分界时，应结合房屋不规则程度及场地、地基条件适当确定抗震等级。 抗震设计的高层建筑，当地下室顶层作为上部结构的嵌固端时，地下一层的抗震等级应按上部结构采用，地下一层以下结构的抗震等级可根据具体情况采用三级或四级。 底部带转换层的筒体结构，其框支框架和底部加强部位筒体的抗震等级应按框支剪力墙结构的规定采用。 4抗震概念设计原则( (11)结构的简单性指结构在地震及其他荷载作用下具有明确的和直接的传力途径，便于建立完整、准确的结构计算模型。 ( (22)结构的规则性和均匀性建筑平面规则、平面内结构布置宜规则、对称、均匀、减少偏心，使建筑物分布质量产生的地震惯性力能以比较短和直接的途径传递，并使质量分布与结构刚度分布协调，限制质量与刚度之间的偏心。 沿建筑物竖向的结构布置宜规则、均匀，避免有过大的外挑和内收，避免刚度、承载能力和传力途径的突变，以限制结构在竖向第一楼层或少数几个楼层出现薄弱层，以致在这些部位因产生应力集中和过大的变形而使结构不安全。 ( (33)结构的刚度和抗震能力结构布置应使结构平面在两个主轴方向均具有足够的刚度和抗震能力，同时还应具有抗扭转刚度和抵抗扭转振动的能力。 框架结构应在纵横两个方向布置成双向刚接框架。 ( (44)结构的整体性由于设计内力计算模型是建立在楼盖平面内刚度无限大的假定的基础上，设计应使楼盖系统有足够的平面内刚度和抗力，并与竖向结构有效连接，从而保证梁、板、柱、墙能共同协同工作。 ( (55)抗震房屋应尽可能设置多道抗震防线，并考虑第一防线被突破后，引起内力重分布的影响不至于使结构出现倒塌。 ( (66)结构构件应具有必要的承载力、刚度、稳定性、延性及耗能等方面的性能。 主要耗能构件应具有较高的延性和适当的刚度，承受竖向荷载的主要构件不宜作为主要耗能构件。 ( (77)合理控制结构的非弹性部位(塑性铰区)，掌握结构的屈服过程，实现合理的屈服机制。 多高层钢筋混凝土房屋可以归纳为两类屈服机制一种为总体机制，另一种为楼层机制，其他机制均可由这两种机制组合而成。 典型的楼层机制表现为在水平力作用下仅竖向构件屈服，而横向构件处于弹性。 总体机制则表现为所有横向构件屈服而竖向构件除根部外均处于弹性状态。 4.2结构体系的分类及其结构布置原则4.2.1结构体系的分类4.2.1多高层建筑结构的结构布置原则1框架结构体系2剪力墙结构体系3框架剪力墙结构体系4筒体结构体系5混合结构体系1钢筋混凝土多高层建筑的适用高度和高宽比2结构布置原则4.2.1结构体系的分类多高层房屋结构体系包括水平结构体系(楼、屋盖系统)和竖向结构体系(墙、柱)。 其中水平结构体系中的楼(屋)盖结构承受并传递竖向荷载给竖向构件。 并作为刚性楼盖利用其平面内的无限刚度协调各抗侧构件的变形和位移；竖向构件承受并传递竖向荷载。 竖向结构体系的墙、柱与水平结构体系中的梁板共同组成房屋的抗侧空间结构，共同抵抗侧向力作用。 多高层建筑的结构体系主要有框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构、框支剪力墙结构，高层建筑结构体系中还有筒体结构(包括框架核心筒结构、筒中筒结构)以及其他复杂高层结构形式，如带转换层高层建筑结构形式，多塔结构形式，另外还有型钢混凝土构件组合的混合结构形式等。 下面就常见的几种结构体系作一些阐述。 1框架结构体系框架结构体系由框架梁、柱、板等主要构件组成(如图4.1所示)。 按照框架布置方向的不同，框架结构体系可分为横向布置、纵向布置和双向布置三种框架结构形式(如图4.2所示)。 横向框架布置形式是20世纪90年代以前常用的一种框架布置形式。 由于当时的条件限制，内力分析主要是采用手算方式进行，计算机辅助设计只能进行简单的平面框架内力分析，所以房屋建筑往往布置为横向框架、纵向联系梁的结构形式，其特点是横向框架承担竖向荷载和平行于房屋横向的水平荷载。 纵向框架布置形式也是一种平面框架类型，其特点是纵向框架承担竖向荷载和沿纵向水平荷载作用，而横向通过联系梁将竖向荷载传递到框架柱，同时联系梁与框架立柱形成横向框架并承担沿横向的水平力作用。 在有抗震要求的房屋设计中，要求框架必须纵横向布置，形成双向框架结构形式，以抵抗水平荷载及地震作用，双向框架作用结构布置形式具有较强的空间整体性，可以承受各个方向的侧向力，与纵、横向布置的单向框架比较，具有较好的抗震性能图4.1多层框架示意图框架结构的特点是柱网布置灵活，便于获得较大的使用空间。 延性较好，但横向侧移刚度小，水平位移大。 比较适用于大空间的多层及层数较少的高层建筑。 框架结构的变形特征为剪切型(如图4.3(b)所示)。 (a)横向框架布置(b)纵向框架布置(c)纵横向框架布置(a)剪力墙(b)框架(c)框架剪力墙2剪力墙结构体系剪力墙结构体系是指竖向承重结构由剪力墙组成的一种房屋结构体系，如图44.44所示。 剪力墙的主要作用除承受并传递竖向荷载作用外，还承担平行于墙体平面的水平剪力。 建筑抗震设计规范GB50011xx把剪力墙称为抗震墙。 剪力墙承受竖向荷载及水平荷载的能力都较大。 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、柱等外露构件，可以不影响房屋的使用功能。 缺点是不能提供大空间房屋，结构延性较差。 剪力墙结构适用范围较大，从十几层到几十层都很常见，由于剪力墙结构能承受更大的竖向力和水平力作用，横向刚度大，因此比框架更适合用于高层建筑的结构体系布置中。 由于剪力墙结构提供的房屋空间一般较小，所以比较适合用于宾馆、住宅等建筑类型。 当在下部一层或几层需要更大空间时，往往在下部取消部分剪力墙，形成框支剪力墙结构。 剪力墙结构的变形特征是弯曲型(如图4.3(a)所示)。 图4.4剪力墙结构3框架剪力墙结构体系框架剪力墙结构体系是指由框架和剪力墙共同作为竖向承重结构的多(高)层房屋结构体系，如图4.5所示。 由于框架的主要特点是能获得大空间房屋，房间布置灵活，而其主要弱点是侧向刚度小，侧移大。 而剪力墙结构侧向刚度大，侧移小，但不能提供灵活的大空间房屋。 框架剪力墙结构体系则充分发挥他们各自的特点，既能获得大空间的灵活空间，又具有较强的侧向刚度。 所以这种结构形式在房屋设计中比较常用。 在框架剪力墙结构体系中，框架往往只承受并传递竖向荷载，而水平荷载及地震作用主要由剪力墙承担。 一般情况下，剪力墙可承受70%90%的水平荷载作用。 剪力墙在建筑平面上的布置，应按均匀、分散、对称周边的原则考虑，并宜沿纵横两个方向布置。 剪力墙宜布置在建筑物的周边附近，恒载较大处及建筑平面变化处和楼梯间和电梯的周围；剪力墙宜贯穿建筑物的全高，宜避免刚度突变；剪力墙开洞时，洞口宜上下对齐。 建筑物纵(横)向区段较长时，纵(横)向剪力墙不宜集中布置在端开间，不宜在变形缝两侧同时设置剪力墙。 图4.5框架剪力墙结构体系4筒体结构体系体结构主要包括框架核心筒结构与筒中筒结构(如图44.66所示)。 框架核心筒结构由实体核心筒和外框架构成。 一般将楼电梯间及一些服务用房集中在核心筒内；其他需要较大空间的办公用房、商业用房等布置在外框架部分。 核心筒实体是由两个方向的剪力墙构成的封闭的空间结构，它具有很好的整体性与抗侧刚度，其水平截面为单孔或多孔的箱形截面。 它既可以承担竖向荷载，又可以承担任意方向的水平侧向力作用。 由于核心筒在高层建筑中往往布置在平面的中心部位，而在其四周布置功能空间，核心筒也因此而得名。 筒中筒结构是由实体的内筒与空腹的外筒组成，空腹外筒是由布置在建筑物四围的密集立柱与高跨比很大的横向窗间梁所构成的一个多孔筒体。 筒中筒结构体系具有更大的整体性和抗侧刚度，因此适用于高度很大的建筑。 除上述两种筒体结构形式外，还有多重筒结构、成束筒结构等。 筒体为适应各种建筑功能的要求，还可以与框架或剪力墙相结合，形成各自独特的结构方案。 (a)框架核心筒结构(b)筒中筒结构(b)图4.6筒体结构5混合结构体系混合结构体系是由多种不同材料构件组成的结构体系。 如钢管混凝土构件和型钢混凝土构件等。 由于不同材料制成的构件有不同的特征，并且各自有其明显的优点，采用混合结构的目的就是通过对各种材料构件的优化组合，来充分发挥各种材料及构件的优越性能。 钢管混凝土构件是有效利用混凝土的约束强度，在三向约束下，混凝土的抗压强度比单向抗压强度可提高几倍。 利用这一特点而组合的钢管混凝土最适合用于以受压为主的轴心受压及小偏心受压柱及其他受压构件。 型钢混凝土构件是在混凝土中主要配置型钢的构件。 一般也配置一些构造钢筋及辅助受力钢筋。 它可以制作成柱、梁、剪力墙、筒体等竖向传力构件。 型钢混凝土的特点是强度高、刚度大、截面小、延性好、防火性能好。 建筑师常常将其与钢结构混合使用来建设超高层建筑。 即下部采用型钢混凝土构件，上部为钢结构，以增大建筑的刚度，减少水平荷载作用下的侧移。 型钢混凝土结构还可以与钢筋混凝土结构混合使用。 4.2.2多高层建筑结构的结构布置原则1钢筋混凝土多高层建筑的适用高度和高宽比各种结构体系有其各自的优缺点，同时也有它的经济合理的适用范围。 设计人员应根据建筑的用途及功能、建筑高度、荷载情况、抗震等级和所具备的物质与施工技术条件等因素来确定结构形式和结构体系类型。 A A级高度钢筋混凝土高层建筑的适宜高宽比见表44-66。 结构体系非抗震设计抗震设防烈度66度、77度88度99度框架、板柱剪力墙55556666443322框架剪力墙554433剪力墙665544筒中筒、框架核心筒665544表4-6A级高度钢筋混凝土高层建筑结构适用的最大高宽比2结构布置原则比( (11)选择合理的结构体系。 合理的结构体系的选择与建筑的使用功能有密切关系，如商场办公楼、宾馆等需要大空间，常采用框架或框架剪力墙结构，而住宅常采用剪力墙结构等。 建筑高度也是选择合理结构体系的主要因素之一，如10层以下的建筑通常采用框架结构。 10层以上的建筑常选择框架剪力墙结构形式，而30层以上的建筑宜选择框筒结构体系等。 (2)结构平面布置要有利于抵抗水平和竖向荷载，受力明确，传力直接。 结构平面宜均匀、对称，减少扭转的影响。 在抗震设防区，多高层建筑的平面形状宜简单对称、规则、传力直接、体型尽量简单，以减少震害。 当建筑平面复杂时，应通过设置变形缝来划分结构平面单元，使每个结构单元的平面满足上述要求。 抗震设计A A级高度钢筋混凝土高层建筑平面长度不宜过长，突出部分长度不宜过大(如图4.7所示)。 图4.7建筑平面示意图 (3)结构竖向布置应力求自下而上刚度变化均匀，体型均匀不突变，外形尽量减少外挑、内收等。 历次地震震害表明结构刚度沿竖向突变、外挑、内收等都会在某些楼层产生大的变形和应力集中，出现严重的震害和破坏。 多高层建筑当结构上部楼层收进部位到室外地面高度H H11与房屋高度H H之比大于0.2时，上部楼层收进后的水平尺寸B B11，不宜小于0.75B B(如图4.8(a)和图4.8(b)所示)；当上部结构楼层相对于下部楼层外挑时，B B0.9B B11，且a a4m(如图4.8(c)和图4.8(d)所示)。 图4.8结构竖向收进和外挑示意图 (4)合理设置变形缝，变形缝包括伸缩缝、沉降缝和防震缝。 设置伸缩缝可以减少温度应力的影响，沉降缝可以防止建筑的不均匀沉降，防震缝可以简化结构单元，减少震害。 当然，在多高层建筑结构中，应尽量少设置或不设置变形缝。 混凝土浇筑采用后浇带分段施工是减少变形缝设置的重要手段之一。 后浇带可以选择在结构受力影响较小，结构截面简单、施工方便的位置曲折通过。 后浇带通常每30m40m设置一道，宽度800mm1000mm。 一般钢筋贯穿不切断，且要配置适量的加强钢筋。 后浇带混凝土浇筑时应将两侧的混凝土凿毛，在浇灌比设计强度高一等级的无收缩混凝土，振捣密实，并加强养护。 当后浇带是为减少混凝土施工过程中的温度应力时，后浇带的保留时间不宜少于两个月，当后浇带是为调整结构不均匀沉降而设置时，后浇带后浇混凝土应在两侧结构单元沉降基本稳定后再进行浇筑。 在抗震设计中，变形缝的宽度必须同时满足防震缝的宽度要求。 伸缩缝为防止结构因温度变化和混凝土收缩而产生裂缝，常隔一定距离用伸缩缝分开。 混凝土伸缩缝的最大间距应符合表44-99的规定。 在设计中应考虑以下几个因素装配整体式结构房屋的伸缩缝间距按表44-99中现浇式数值采用。 框架剪力墙结构或框架核心筒结构的伸缩缝可根据结构具体布置，取表44-99中框架与剪力墙结构之间的值。 屋面无保温或隔热措施时，框架剪力墙结构按露天数值采用。 位于气候干燥区、夏季炎热且暴雨频繁区的结构或经常处于高温作用的结构，室内结构因施工长时间外露以及采用滑模施工的剪力墙结构，采用表44-99中数值应相应的减小。 混凝土采用后浇带施工，或采用专门的预加应力措施时，表44-99中数值可以适当加大。 通过施加预应力，在混凝土中产生预压应力，可以抵抗钢筋混凝土在干缩或冷缩时产生拉应力，使混凝土延时开裂或不开裂。 沉降缝高层建筑解决建筑各部分沉降差大体上有三种方法处理其一是设置沉降缝，称为“放”；其二是采用端承桩或利用刚度较大的其他基础来避免和抵抗沉降差，称之为“抗”；其三是采用留后浇带来作为临时沉降缝等沉降基本稳定后再连为整体，不设永久性沉降缝，称为“调”。 沉降缝一般在下列部位设置建筑平面转折部位。 高度差异较大处。 地基土的压缩性有明显的差异处。 建筑结构或基础类型不同处。 分期建设房屋交界处。 沉降缝设置的宽度为 二、三层取50mm80mm， 四、五层取80mm120mm，五层以上不小于120mm。 在沉降缝处房屋应连同基础一起断开。 防震缝建筑物各部分层数、质量、刚度差异过大或有错层时，采用防震缝分开。 防震缝最小宽度要求框架结构高度不超过15m m的部分可取70mm；超过15m m的部分，66度、77度、88度和99度相应每增加55m m，44m m，33m m和22m m宜加宽20mm；框架剪力墙和剪力墙可分别按上述数字的70%和50%采用，且不应小于70mm。 4.3框架结构设计4.3.1框架结构的计算简图4.3.2荷载计算4.3.3框架结构的内力分析4.3.4框架结构水平荷载作用下侧移的近似计算4.3.5框架结构最不利内力组合4.3.6框架结构的构造设计4.3.1框架结构的计算简图1截面尺寸的估算框架结构梁高h h一般为梁跨度(e e)的11/1811/10，梁净跨与截面高度之比不宜小于44，当采用扁梁形式时，梁高可以按规定的高跨比下限采用，而当荷载较大时，可以取高跨比的上限值。 而梁宽b b通常取梁高(h h)的11/3311/22，且不宜小于200。 当梁上荷载作用较大时，还可以按假定单跨简支梁最大弯距的00.6600.88倍初选截面尺寸。 框架柱高按建筑层高H H的1/151/10估算。 在抗震设计中，还可以按所受上部荷载估算值通过轴压比限值初步确定柱载面尺寸，其中上部荷载估算可按以下数据取用框架结构和框架剪力墙结构单位建筑面积的竖向总荷载大约可取12kN/m2214kN/m22，剪力墙和筒体结构大约取14kN/m2216kN/m22。 2计算单元的确定框架结构建筑是一个由纵横向框架组成的空间结构体系。 在一般情况下，为简化计算，常常把它们简化成平面框架进行内力分析计算。 例如横向框架结构布置体系就是把结构简化为横向平面框架而纵向简化为联系梁受力的一种简化模式(如图4.9(a)所示)。 在平面框架结构设计中，当结构布置相同时，一般取中间有代表性的一榀或几榀横向框架进行内力分析。 图4.9框架结构计算简图3框架的层高与跨度框架的跨度e e按柱的轴线距离确定，而柱的层高对于楼层而言取梁面到下层梁面的高度，对于底层则取基础顶面(或基础梁顶面)至梁面的距离(如图4.9(b)所示)。 4节点简化框架节点受力是相当复杂的，通常根据实际情况把其简化为刚性、铰接或半铰接几种类型。 在现浇钢筋混凝土结构中，梁和柱的纵向受力均匀穿过节点或锚入节点区。 节点核心区和梁柱混凝土一次浇捣，通常把其简化为刚性节点。 装配框架整浇式节点是使用后浇混凝土将梁与柱连接部位的节点浇筑为整体的一种连接方式，节点整体性可靠，可简化为刚性节点。 现浇柱预制梁框架是全装配式结构的一种发展。 由于柱与节点部位在现场同时浇筑混凝土，整体性可靠，可简化为刚性节点。 全装配式框架结构则是在梁底和柱的某些部位预埋钢板，安装就位后进行再焊接。 由于钢结构节点的自身变形能力较大，焊接质量也难以保证，梁柱间会产生一定的转动；因此，这类节点不可以简化为铰接点或半铰接点。 框架结构支座通常情况下可简化为固定支座。 当采用预制柱杯形基础时，则应视构造措施的不同而分别简化为铰支座和其他支座形式。 5截面弯曲刚度EI与线刚度I I如图44.10所示，梁AB的，其中为混凝土弹性模量。 为梁AB的截面惯性距。 在计算时应考虑楼板的T T形截面的影响。 因为框架梁在梁端承受负弯距。 楼板对影响较小，而在跨中部位，由于承受正弯距作用，楼板对截面弯曲刚度的影响就较大。 为简化计算，我们以梁矩形截面计算截面惯性距I I00，I I00=b b11h h1133/12，并作以下修正预制楼板结构I I00装配整体式楼盖(11.2011.50)现浇整体楼盖(11.5022.00)柱CD的E Ec cI Iz z/H Hl l为柱平面内惯性矩。 c eabEIie?cEeIeIeIeI?eI?eI?c di?zI图4.10框架剖面示意图4.3.2荷载计算1荷载的种类作用于框架结构的荷载按作用方向可以分为竖向荷载和水平荷载。 荷载按作用性质可以分为永久性荷载和可变荷载及偶然荷载。 永久荷载包括结构自重、固定设备自重、装饰及粉刷自重、土压力、预应力等。 可变荷载有楼面及屋面活荷载、雪荷载、风荷载、积灰荷载、吊车荷载、施工荷载等。 偶然荷载有爆炸力和撞击力等。 在抗震设防区，多高层建筑还要考虑地震作用，一般情况下应允许在结构两个主轴方向分别考虑水平地震作用计算； 88、99度抗震设防时，多高层建筑中大跨度和长悬臂结构应考虑竖向地震作用；99度设防区应计算竖向地震作用。 2荷载取值各种荷载的取值按建筑结构荷载规范GB50009xx及全国民用建筑工程设计技术措施的有关补充规定取值。 但在设计中应考虑以下因素( (11)规范所给定的各项活荷载，适用于一般条件，当荷载较大时或情况特殊时，应按实际情况采用。 ( (22)设计楼面梁、墙、柱及基础时，按相关规范取值时应乘以相应的折减系数。 ( (33)楼面上的局部荷载可以换算为等效均布活荷载。 ( (44)多层与高层建筑风荷载计算时，一般情况下基本风压值按50年重现期采用，但不得小于00.33kN/m22。 对于特别重要和对风荷载作用比较敏感的高层建筑(高度大于60m)应按100年重现期风压值采用。 如果没有100年重现期风压值资料时，可以近似采用50年重现期风压值乘以增大系数11.11取值。 (5)对于楼面活荷载标准值大于2.0kN/m22或跨度相差较大的房屋建筑，按弹性方法计算框架和连续梁(板)的内力时，应考虑活载不利布置。 3荷载的简化11)次梁传递给主梁的集中荷载，可按假设次梁为单跨简支梁进行计算。 ( (22)次要荷载在不太影响主要受力截面内力时，可以改为主要荷载形式，以简化内力计算。 (3)三角形或梯形分布荷载可以转化为等效均布荷载计算。 4.3.3框架结构的内力分析框架结构的内力分析随着计算机的普及以及相应的计算软件开发的逐步成熟，人们越来越依赖和接受用计算机电算程序进行精确的内力分析。 我们经常遇到的计算机内力分析程序大多是根据结构力学位移法的基本原理编制的计算程序，由电脑直接求出结构的变形、内力以至各截面的配筋。 目前，框架的手工计算内力和位移的方法往往只限于对电算结果的复核或者是在初步设计时进行粗略估算，这时设计人员常常把空间框架简化为平面框架结构，再通过手算方法进行内力分析。 由于一般结构力学的弯矩分配法、迭代法等计算相当的繁杂，人们往往采用分层法、反弯点法、D D值法等近似的分析方法来进行内力计算，下面仅对竖向荷载作用下的分层法和水平荷载作用下的反弯点法的计算思路进行介绍。 1竖向荷载作用下的内力近似计算“分层法”根据用位移法或力法等解多层多跨框架在竖向荷载作用下的计算结果可知，竖向荷载的侧移很小，而且每层梁上的荷载对其他各层梁的影响也很小。 为了简化计算做如下假定( (11)竖向荷载作用下，多层多跨框架的侧移可忽略不计。 ( (22)每层梁上的荷载对其他各层梁的影响可忽略不计。 按上述假定，计算时可将各层梁及其上、下柱所组成的框架作为一个独立的计算单元分层计算。 分层计算所得梁的弯矩即为其最后的弯矩；而每一柱分属上、下两层，所以每一柱的弯矩需由上、下两层计算所得的弯矩值叠加而得到。 通常，可以用力矩分配法求出各层框架的弯矩图，然后叠加，即得其最终弯矩值。 由于在分层计算时，假定上、下柱的远端是固定的，而实际上是有转角产生，是弹性节点，因此为了改善由于这种假定带来的误差，根据经验，除底层各柱以外，可将其他各层立柱的线刚度均乘以一个折减系数00.99，并取其传递系数为11/33。 框架节点处的最终弯矩之和常不等于零而接近于零。 这是由于分层计算所引起的。 若欲进一步修正，则可对此节点的不平衡力矩再作一次弯矩分配。 图4.11分层法计算简图2水平荷载作用下的内力近似计算“反弯点法”在水平荷载作用下，我们不能再用分层法分析框架内力，这是因为分层法的两个基本假定已不再适用。 多层多跨框架在风荷载或其他水平荷载作用下，其荷载一般都可化为受节点水平集中力的作用，其弯矩图如图4.12(a)所示。 各杆的弯矩图都是直线，每个立柱一般都有一个反弯点。 当然，各柱的反弯点位置未必相同。 图4.12(b)所示为该框架受力后的变形图，各柱的上、下端既有水平位移，又有角位移(即柱端转角)。 如果框架的各端都不缺梁且不考虑轴力所引起各杆的变形，则在同一横梁标高处，各柱端都将产生一个相同的水平位移，同一层各柱上下端的水平位移差也相等。 其次，如果梁的线刚度比柱的线刚度大得多时(例如i ib b)，上述的节点角位移就很小。 如果能求出各柱的剪力及其反弯点的位置，则柱和梁的弯矩都可求得，所以对在水平荷载作用下的框架近似计算，一是需确定各柱间的剪力分配比，二是确定各柱的反弯点位置。 c3i为了方便计算，做如下假定( (11)在确定各柱间的剪力分配比时，认为梁的线刚度与柱的线刚度之比为无限大，略去梁本身的变形，认为各柱上下两端都不发生角位移，框架节点只有侧移，且同层各柱的侧移均相同。 ( (22)在确定各柱的反弯点位置时，又认为除底层以外的各层柱受力后的上下两端将产生相同的转角，即假定柱的反弯点位于柱中间。 ( (33)梁端弯矩可由节点平衡条件求出。 以图44.12所示的多层框架为例，将框架沿顶层各柱的反弯点处切开以示出剪力与轴力，按水平力的平衡条件(如图44.13(a)所示)得(a)(b)图4.13框架柱剪力计算图图4.12框架在水平荷载作用下的弯矩和变形示意图441424344pVVVV?由假定( (11)得41414212uiVh?42424212uiVh?上式中的称为该柱的侧移刚度，也称为抗剪刚度，表示柱端产生单位水平位移=1时，在柱端所需要施加的水平力大小。 称为线刚度，h为层高。 因此所以212ihu?E Iih?43414244444222221212121212()u ui iii iph h h h h?44412upih?由此得44141221212piV ihh?44242221212piiVhh?根据假定22可知除底层外的各层柱，其反弯点位于该柱的高度中央，底层柱的反弯点则位于离柱底22/33的底层层高处。 有了各柱的剪力，确定了反弯点位置后，顶层各柱的弯矩图就可绘出。 根据假定33，顶层各梁的弯矩图也可求得。 同理可求出其他各层的弯矩图。 例如求第三层各柱的剪力时，只需取第三层柱的反弯点以上部分作为隔离体即可(如图4.13(b)所示)。 这样可得343131221212p piiVhh?343232221212p piiVhh?于是，第三层柱与梁的弯矩图即可绘出。 其他各层柱与梁的弯矩图也可绘出。 4.3.4框架结构水平荷载作用下侧移的近似计算由梁柱弯曲变形引起的侧移可以用“D D值法”相关公式计算(“D值法”参见相关书籍)。 由，可以得第j j层框架层间水平位移jkjkjVDu?1jkjk jmjkkDV VD?1jjmjkkVuD?由上式可以看出，框架结构水平荷载作用下的层间位移与外荷载在该层间产生的剪力成正比，其侧移曲线与悬臂梁的剪切变形曲线一致，故称这种变形为总体剪切变形(如图4.14所示)，而总体弯曲变形是由框架两侧边柱中轴力引起柱子伸长或缩短所致的变形，它与悬臂梁的弯曲变形规律一致，故称之为总体弯曲变形(如图4.15所示)。 这种变形可按下式近似计算如图44.15所示，框架内柱接近高层中部，受力较小，令其轴力为零。 外柱中的轴力可近似为(4-2)式中M M上部水平荷载对该高程处所引起的弯矩。 B B外柱轴线间的距离。 MNB?图4.14框架剪切变形侧移图当房屋层数较多时，可把框架连续化。 框架顶点的最大水平位移为。 (4-3)式中单位水平力作用于框架顶端时边柱的轴力。 N N外荷载q q(z z)引起的边柱的轴力是z z的函数。 A A边柱截面面积，是z z的函数。 0H N NdzEA?N图4.15框架弯曲变形侧移图()H zNB?()1()()dHzMzN qzB B?设边柱截面面积沿z z为线性变化，即为式中A At t和A Ab b分别为顶层与底层边柱的截面面积。 将式(4-4)代入式(4-3)，即可求出。 当框架顶部受集中力F F时，1() (1)bnAz AzH?tbAnA?()FN H zB?01()()21 (1)HbFH zHzBBnEA zH?32nbFHFEA B?积分得2231432 (1)nnn n nenFn?当n n=11时，F Fn n=22/33；当n n=00时，F Fn n=11。 F Fn n为一与n n有关的系数，计算较繁，故也可直接从表44-10查得。 n Fn0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0上端集中荷载1.00.930.880.840.800.760.740.720.700.680.67倒三角形荷载0.50.480.460.440.420.41