混凝土框架结构设计

第4章框架结构

混凝土结构设计第4章混凝土框架结构设计第4章框架结构结构组成和结构布置

框架结构的计算简图及荷载竖向荷载作用下框架结构内力的近似计算水平荷载作用下框架结构内力和侧移的近似计算荷载效应组合和构件设计框架结构的构造要求主要内容：重点：结构组成和结构布置

框架结构的计算简图及荷载反弯点法，Ｄ值法第4章框架结构

4.1多高层建筑混凝土结构概述

4.1.1结构类型

框架结构（framestructure）由梁、柱构件通过节点连接构成，如整幢房屋均采用这种结构形式，则称为框架结构体系或框架结构房屋。目前多、高层建筑混凝土结构类型主要有钢筋混凝土结构、型钢混凝土结构、钢管混凝土结构和混合结构等。第4章框架结构4.1.2结构体系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。第4章框架结构1．框架结构

由梁和柱为主要构件组成的承受竖向和水平作用的结构称为框架结构（如图所示）。框架结构体系的最大特点是承重结构和围护、分隔构件完全分开，墙只起围护、分隔作用。框架结构建筑平面布置灵活，空间划分方便，易于满足生产工艺和使用要求，构件便于标准化，具有较高的承载力和较好的整体性。

第4章框架结构2.剪力墙体系

利用建筑物的墙体作为竖向承重和抵抗侧力的结构称为剪力墙结构体系。所谓剪力墙，实质上是固结于基础的钢筋混凝土墙片，具有很高的抗侧移能力。因其既承担竖向荷载，又承担水平荷载—剪力，故名剪力墙。

第4章框架结构3．框架-剪力墙体系

为了弥补框架结构随房屋层数增加，水平荷载迅速增大而抗侧移刚度不足的缺点，可在框架结构中增设钢筋混凝土剪力墙，形成框架和剪力墙结合在一起共同承受竖向和水平力的体系——框架-剪力墙体系，简称框-剪体系。剪力墙可以是单片墙体，也可以是电梯井、楼梯井、管道井组成的封闭式井筒。

第4章框架结构4．筒体体系

由筒体为主组成的承受竖向和水平作用的结构称为筒体结构体系。筒体是由若干片剪力墙围合而成的封闭井筒式结构，其受力与一个固定于基础上的筒形悬臂构件相似。根据开孔的多少，筒体有空腹筒和实腹筒之分。实腹筒一般由电梯井、楼梯间、管道井等形成，开孔少，因其常位于房屋中部，故又称核心筒。空腹筒又称框筒，由布置在房屋四周的密排立柱和截面高度很大的横梁组成。外筒-内框结构成束筒结构筒中筒结构第4章框架结构

4.1.3结构设计要求一般建筑结构应满足承载力、刚度和延性的要求，对高层建筑结构尚应满足整体稳定性和抗倾覆要求。第4章框架结构4.2框架结构的结构布置结构布置包括结构平面和竖向布置。对于质量和侧向刚度沿高度分布比较均匀的结构，只需进行结构平面布置。否则和应该进行结构竖向布置。框架结构平面布置主要是确定柱在平面上的排列方式（柱网布置）和选择结构承重方案，这些均应满足建筑平面及使用要求，同时也须使结构受力合理、施工简单。第4章框框架结构构（2）框架结结构体系系的优缺缺点建筑平面面布置灵灵活，能能获得大大空间（（特别适适用于商商场、餐餐厅等）），也可按需要要做成小小房间；；建筑立面面容易处处理；结结构自重重较轻；；计算理论论比较成成熟；在一定高高度范围围内造价价较低。。框架结构构的侧向向刚度较较小，水水平荷载载作用下下侧移较较大，有有时会影影响正常使用用；如果果框架结结构房屋屋的高宽宽比较大大，则水水平荷载载作用下下的侧移移也较大，，而且引引起的倾倾覆作用用也较严严重。因此，设设计时应应控制房房屋的高高度和高高宽比。。第4章框框架结构构2结构布置置（structuralconfiguration）框架结构构布置主主要是确确定柱在在平面上上的排列列方式（（柱网布布置）和和选择结结构承重重方案，，这些均均必须满满足建筑筑平面及及使用要要求，同同时也须须使结构构受力合合理，施施工简单单。民用建筑柱网网布置第4章框架结结构框架结构的承承重方案1）横向框架承重重。主梁沿房屋横横向布置，板板和连系梁沿沿房屋纵向布布置。2）纵向框架承重重。主梁沿房屋纵纵向布置，板板和连系梁沿沿房屋横向布布置。3）纵、横向框架架承重。房屋的纵、横横向都布置承承重框架，楼盖常采用现现浇双向板或或井字梁楼盖盖。。第4章框架结结构框架结构的承承重方案第4章框架结结构4.3框架结构的计计算简图及荷荷载梁、柱截面尺尺寸框架梁、柱截截面尺寸应根根据承载力、、刚度及延性性等要求确定定。初步设计计时，通常由由经验或估算算先选定截面面尺寸，以后后进行承载力力、变形等验验算，检查所所选尺寸是否否合适。梁截面尺寸确确定框架结构中框框架梁的截面面高度hb可根据梁的计计算跨度lb、活荷载大等，，按hb=(1/18~1/10)lb确定。为了防防止梁发生剪剪切脆性破坏坏，hb不宜大于1/4净跨。主梁截截面宽度可取取bb=(1/3~1/2)hb，且不宜小于200mm。为了保证梁的的侧向稳定性性，梁截面的的高宽比（hb/bb）不宜大于4。第4章框架结结构为了降低楼层层高度，可将将梁设计成宽宽度较大而高度度较小的扁梁，扁梁的的截面高度可按(1/18~1/15)lb估算。扁梁的的截面宽度b（肋宽）与其高高度h的比值b/h不宜超过3。加腋梁梁截面惯性矩矩第4章框架结结构柱截面尺寸柱截面尺寸可可直接凭经验验确定，也可可先根据其所所受轴力按轴轴心受压构件估算算，再乘以适适当的放大系系数以考虑弯弯矩的影响。。即式中Ac为柱截面面积积；N为柱所承受的的轴向压力设设计值；Nv为根据柱支承的的楼面面积计计算由重力荷荷载产生的轴轴向力值；1.25为重力荷载的荷载分分项系数平均均值；重力荷荷载标准值可可根据实际荷荷载取值，也可近似按（（12~14）kN/m2计算；fc为混凝土轴心心抗压强度设设计值。Ac≥(1.1~1.2)N/fcN=1.25Nv第4章框架结结构框架柱的截面面宽度和高度度均不宜小于于300mm，圆柱截面直经经不宜小于350mm，柱截面高宽比比不宜大于3。为避免柱产产生剪切破坏，柱净高与与截面长边之之比宜大于4，或柱的剪跨跨比宜大于2。梁截面惯性矩矩在结构内力与与位移计算中中，与梁一起起现浇的楼板板可作为框架梁的翼缘缘，每一侧翼翼缘的有效宽宽度可取至板板厚的6倍；装配整体式楼楼面视其整体体性可取等于于或小于6倍；无现浇面面层的装配式楼面面，楼板的作作用不予考虑虑。设计中，为简简化计算，也也可按下式近近似确定梁截截面惯性矩I：第4章框架结结构2框架结构的计计算简图计算单元框架结构的计计算单元及计计算模型第4章框架结结构框架结构房屋屋是空间结构构体系，一般般应按三维空空间结构进行行分析。但对于平面布布置较规则的的框架结构房房屋，为了简简化计算，通通常将实际的空间结构简简化为若干个个横向或纵向向平面框架进进行分析，每每榀平面框架为一计算单单元。就承受竖向荷荷载而言，当当横向（纵向向）框架承重重，且在截取取横向（纵向）框框架计算时，，全部竖向荷荷载由横向（（纵向）框架架承担，不考虑纵向（横横向）框架的的作用。当纵纵、横向框架架混合承重时时，应根据结构的不同特特点进行分析析，并对竖向向荷载按楼盖盖的实际支承承情况进行传递，这时竖竖向荷载通常常由纵、横向向框架共用承承担。第4章框架结结构框架结构计算算简图第４章框框架结构在框架结构的的计算简图中中，梁、柱用用其轴线表示示，梁与柱之之间的连接用用节点（beam-columnjoints）表示，梁或柱柱的长度用节节点间的距离离表示，由图图可见，框架架柱轴线之间间的距离即为为框架梁的计计算跨度；框框架柱的计算算高度应为各各横梁形心轴轴线间的距离离，当各层梁梁截面尺寸相相同时，除底底层外，柱的的计算高度即即为各层层高高。对于梁、、柱、板均为为现浇的情况况，梁截面的的形心线可近近似取至板底底。对于底层层柱的下端，，一般取至基基础顶面；当当设有整体刚刚度很大的地地下室；且地地下室结构的的楼层侧向刚刚度不小于相相邻上部结构构楼层侧向刚刚度的2倍时，，可取取至地地下室室结构构的顶顶板处处。第４章章框框架架结构构第４章章框框架架结构构装配式式框架架的铰铰节点点框架柱柱与基基础的的连接接第４章章框框架架结构构框架结结构上上的荷荷载作用在在多、、高层层建筑筑结构构上的的荷载载有竖竖向荷荷载和和水平平荷载载。竖竖向荷荷载包包括恒恒载和和楼（（屋））面活活荷载载，水水平荷荷载包包括风风荷载载和水水平地地震作作用。。楼面活活荷载载作用第４章章框框架架结构构4.4竖向荷荷载作作用下下框架架结构构的内内力分分析在竖向向荷载载（verticalload）作用下下，多多、高高层框框架结结构的的内力力可用用力法法、位位移法法等结结构力力学方方法计计算。。工程程设计计中，，如采采用手手算，，可采采用迭迭代法法、分分层法法、弯弯矩二二次分分配法法及系系数法法等近近似方方法计计算。。分层法法竖向荷荷载作作用下下框架架结构构的受受力特特点及及内力力计算算假定定：（1）不考考虑框框架结结构的的侧移移对其其内力力的影影响；；（2）每层层梁上上的荷荷载仅仅对本本层梁梁及各层梁、柱内力的影响可忽略不计。应当指出，上述假定中所指的内力不包括柱轴力，因为某层梁上的荷载对下部各层柱的轴力均有较大影响，不能忽略。第４章章框框架架结构构竖向荷荷载作作用下下分层层计算算示意意图第４章章框框架架结构构（2）除底底层柱柱的下下端外外，其其他各各柱的的柱端端应为为弹性性约束束。为为便于于计算算，均均将其其处理理为固固定端端。这这样将将使柱柱的弯弯曲变变形有有所减减小，，为消消除这这种影影响，，可把把除底底层柱柱以外外的其其他各各层柱柱的线线刚度度乘以以修正正系数数0.9。分层法法计算算要点点（1）将多多层框框架沿沿高度度分成成若干干单层层无侧侧移的的敞口口框架架，每每个敞敞口框框架包包括本本层梁梁和与与之相相连的的上、、下层层柱。。梁上上作用用的荷荷载、、各层层柱高高及梁梁跨度度均与与原结结构相相同。。第４章框架结结构如用弯矩分配法计算各敞口框架的杆端弯矩，在计算每个节点周围各杆件的弯矩分配系数时，应采用修正后的柱线刚度计算；并且底层柱和各层梁的传递系数均取1/2，其他各层柱的传递系数改用1/3。（4）在杆端弯矩求出后，可用静力平衡条件计算梁端剪力及梁跨中弯矩；由逐层叠加柱上的竖向荷载（包括节点集中力、柱自重等）和与之相连的梁端剪力，即得柱的轴力。第４章框架结结构弯矩二次分配法具体计算步骤：（1）根据各杆件的线线刚度计算各节点点的杆端弯矩分配配系数，并计算竖竖向荷载作用下各各跨梁的固端弯矩矩。（2）计算框架各节点点的不平衡弯矩，，并对所有节点的的不平衡弯矩同时时进行第一次分配配（其间不进行弯弯矩传递）。（3）将所有杆端的分分配弯矩同时向其其远端传递（对于于刚接框架，传递递系数均取1/2）。（4）将各节点因传递递弯矩而产生的新新的不平衡弯矩进进行第二次分配，，使各节点处于平平衡状态。至至此，整个弯弯矩分配和传递过过程即告结束。（5）将各杆端的固端端弯矩（fixed-endmoment）、分配弯矩和传递弯弯矩叠加，即得各各杆端弯矩。第４章框架结结构4.5水平荷载作用下框框架结构内力和侧侧移的近似计算框架结构在风荷载载和水平地震力的的作用下，可以简简化为框架受节点点水平集中力的作作用，这时框架的的侧移是主要变形形因素。各杆的弯弯矩图都是直线，，每根杆件有一个个反弯点，该点弯弯矩为零，剪力不不为零。如果能够够求出各柱的剪力力和反弯点的位置置，就可以很方便便地算出柱端弯矩矩，进而可算出梁梁、柱内力。因此此，水平荷载作用用下框架结构近似似计算的关键是确确定各柱间的剪力力分配和各柱的反反弯点高度。水平荷载作用下框框架结构的内力和和侧移可用结构力力学方法计算，常常用的近似算法有有反弯点法、D值法和门架法等。。第四章框架结结构2反弯点法D值法考虑了柱两端端节点转动对其侧侧向刚度和反弯点点位置的影响，因此，此法是一种种合理且计算精度度较高的近似计算算方法，适用于一一般多、高层框架结构构在水平荷载作用用下的内力和侧移移计算。在确定柱的侧向刚刚度时，反弯点法法假定各柱上、下下端都不产生转动动，即认为梁柱线线刚度比为无限大大。将趋近于无限限大代入D值法的公式，，可得=1。因此，由式可得得反弯点法的柱侧侧向刚度，并用D0表示为：第４章框架结结构因柱的上、下端都都不转动，故除底底层柱外，其他各各层柱的反弯点均在柱中点（（h/2）；底层柱由于实际是是下端固定，柱上上端的约束刚度相对较小，因此此反弯点向上移动动，一般取离柱下下端2/3柱高处为反弯点位置，即取yh=用反弯点法计算框框架结构内力的要要点与D值法相同。第４章框架结结构3D值法（1）层间剪力在各柱柱间的分配该式即为层间剪力力Vi在各柱间的分配公公式，它适用于整整个框架结构同层各柱之间的剪剪力分配。可见，成比例。第４章框架结结构框架第2层脱离体图（2）框架柱的侧向刚刚度——D值：一般规则框架架中的柱第４章框架结结构框架柱侧向刚度计计算公式第４章框架结结构称为柱的侧向刚度度修正系数，它反反映了节点转动降降低了柱的侧向刚刚度，而节点转动动的大小则取决于于梁对节点转动的的约束程度。，，这表表明梁线刚度越大大，对节点的约束束能力越强，节点点转动越小，柱的的侧向刚度越大。。现讨论底层柱的D值。同理，当底层柱的的下端为铰接时，，可得第４章框架结结构底层柱D值计算图式第４章框架结结构第４章框架结结构柱高不等及有夹层层的柱不等高柱夹层柱第４章框架结结构柱的反弯点高度yh框架各柱的反弯点点高度比y可用下式表示：式中：yn表示标准反弯点高高度比；y1表示上、下层横梁梁线刚度变化时反反弯点高度比的修修正值；y2、y3表示上、下层层高高变化时反弯点高高度比的修正值。。反弯点高度示示意图y=yn+y1+y2+y3第４章框框架结构（1）标准反弯点点高度比yn。yn是指规则框架架的反弯点高高度比。标准反弯点位位置简化求解解第４章框框架结构第４章框框架结构梁刚度变化时时反弯点的修修正第４章框框架结构5框架结构侧移移的近似计算算水平荷载作用用下框架结构构的侧移（lateraldisplacement）如图所示，它可以看作由由梁、柱弯曲曲变形（flexuraldeformation）引起的侧移和和由柱轴向变形（（axialdeformation）引起的侧移的的叠加。前者者是由水平荷荷载产生的层间间剪力引起的的，后者主要要是由水平荷荷载产生的倾倾覆力矩引起的。第４章框框架结构框架剪切变形形（1）梁、柱弯曲曲变形引起的的侧移第四章框框架结构（2）柱轴向变形形引起的侧移移框架弯曲变形形第４章框框架结构5框架结构的水水平位移控制制框架结构的侧侧向刚度过小小，水平位移移过大，将影影响正常使用用；侧向刚度度过大，水平平位移过小，，虽满足使用用要求，但不不满足经济性性要求。因此此，框架结构构的侧向刚度度宜合适，一一般以使结构构满足层间位位移限值为宜宜。我国《高层规程》规定，按弹性性方法计算的的楼层层间最最大位移与层层高之比Δu/h宜小于其限值值[Δu/h]，即：[Δu/h]表示层间位移移角限值，对对框架结构取取1/550；h为层高。由于变形验算算属正常使用用极限状态的的验算，所以以计算Δu时，各作用分分项系数均应应采用1.0，混凝土结构构构件的截面面刚度可采用用弹性刚度。。另外，楼层层层间最大位位移Δu以楼层最大的的水平位移差差计算，不扣扣除整体弯曲曲变形。Δu/h≤[Δu/h]第４章框框架结构4.6荷载效应组合合及构件设计计1荷载效应组合合（1）控制截面及及最不利内力力框架柱控制截截面最不利内内力组合一般般有以下几种种：1）|M|max及相应的N和V；2）|N|max及相应的M和V；3）Nmin及相应的M和V；4）|V|max及相应的N。这四组内力力组合的前前三组用来来计算柱正正截面受压压承载力，，以确定纵纵向受力钢筋数数量；第四四组用以计计算斜截面面受剪承载载力，以确确定箍筋数数量。第４章框框架结构构梁端的控制制截面第４章框框架结构构（2）荷载的不不利布置框架杆件的的变形曲线线活荷载最不不利荷载布布置法第４章框框架结构构对于高层框框架结构，，荷载效应应组合的设设计值应按按下式确定定：（3）荷载效应应组合（loadeffectcombination）——分别为楼面面活荷载组组合值系数数和风荷载载组合值系系数，当永久荷载载效应起控控制作用时时应分别取取0.7和0.0；当可变荷荷载效应起控制制作用时应应分别取1.0和0.6或0.7和1.0。第４章框框架结构构第４章框框架结构构1框架梁4.7框架结构的的构造要求求1．框架梁纵纵向钢筋梁纵向受拉拉钢筋除应应满足受弯弯承载力的的要求外，，还应考虑虑温度变化化、混凝土土收缩引起起附加应力力的影响。。非抗震设设计时，框框架梁纵向向受拉钢筋筋的最小配配筋百分率率（%）不应小于于0.2和0.45二者的较大大值。沿梁梁全长顶面面和底面应应至少各配配置两根纵纵向钢筋，，钢筋直径径不应小于于12mm，框架梁的的纵向钢筋筋不应与箍箍筋、拉筋筋及预埋件件等焊接。。2．框架梁箍箍筋梁的箍筋沿沿梁全长范围内内设置，第第一排箍筋筋一般设置置在距离节节点边缘50mm处。梁的配配箍率不应应小于，，箍筋最小小直径和最最大间距的的要求与一一般梁相同同。第４章框框架结构构２框架柱柱箍筋形式式示例第４章框框架结构构３梁柱节点点（beam-columnjoints）1）现浇梁柱柱节点梁柱节点处处于剪压复复合受力状状态，为保保证节点具具有足够的的受剪承载载力，防止止节点产生生剪切脆性性破坏，必必须在节点点内配置足足够数量的的水平箍筋筋。节点内内的箍筋除除应符合上上述框架柱柱箍筋的构构造要求外外，其箍筋筋间距不宜宜大于250mm；对四边有梁梁与之相连连的节点，，可仅沿节节点