高层钢筋混凝土框架结构设计步骤及要点

《高层钢筋混凝土框架结构设计步骤及要点》目的：1．总结课程内容。2．为课程设计服务。3．锻炼科研论文的写作能力。正文：高层建筑结构的特点1.1以水平作用为主。1.2结构内力、位移与建筑高度的关系。1.3设计重视“概念设计”，从选址，结构选型，平面，立面形状布置等全方面优化设计1.4各工种配合程度加深，加强。结构设计的概念及内容结构设计简而言之就是用结构语言来表达建筑师及其它专业工程师所要表达的东西。结构语言就是结构师从建筑及其它专业图纸中所提炼简化出来的结构元素。包括基础，墙，柱，梁，板，楼梯，大样细部等等。然后用这些结构元素来构成建筑物或构筑物的结构体系，包括竖向和水平的承重及抗力体系。把各种情况产生的荷载以最简洁的方式传递至基础。结构设计的内容由上可知为：基础的设计，上部结构的设计和细部设计。框架结构设计思想为了使钢筋混凝土框架成为延性耗能框架，有足够的变形和能吸收大量的能量，应采用以下的抗震概念设计：3.1强柱弱梁3.2强剪弱弯3.3强核心区，强锚固3.4局部加强3.5限制柱的轴压比，加强柱箍筋对混凝土的约束。n=N/A*fc结构设计步骤4.1结构方案确定4.1.1建筑选址避免在危险地段建造房子。4.1.2建筑结构选型既能抵抗竖向荷载，又能抵抗水平作用，同时考虑经济合理；根据建筑的重要性，建筑所在地的抗震设防烈度，工程地质勘查报告，建筑场地的类别及建筑的高度和层数来确定建筑的结构形式（框架结构）。确定了结构的形式之后就要根据不同结构形式的特点和要求来布置结构的承重体系和受力构件。4.1.3建筑体型设计4.1.3.1抗侧力结构体系的适用高度及高宽比（见《高层建筑混凝土结构技术规程》）4.1.3.2建筑平面及立面规则4.1.3.3合理设置变形缝4.1.3.3.1防震缝，当高度不超过15m时可为70mm；超过15m时，6，7，8度分别增加5，4，3m，宜加宽20mm。4.1.3.3.2伸缩缝，我国规范规定，现浇钢筋混凝土框架结构的最大间距介于45m和55m之间，伸缩缝从基础以上设置。若为抗震结构，伸缩缝的宽度不小于防震缝的宽度。4.1.3.3.3沉降缝，高层建筑由主体结构和层数不多的裙房组成，裙房和主体结构的高度及重量相差悬殊，可采用沉降缝将裙房和主体结构从顶层到基础全部断开，使各部分自由沉降。抗震设防的结构，沉降缝的宽度应符合防震缝最小的宽度的要求。4.1.3.4基础形式选择。高层建筑的重量大，倾覆力矩大，为保证结构稳定，减少由基础变形引起的上部结构倾斜，高层建筑应选择较好的地基上，基础应有一定的埋置深度。高层建筑结构常用的基础形式：箱形基础及筏形基础。4.2结构计算4.2.1梁柱截面尺寸初步确定及材料强度等级梁截面尺寸初定梁高为跨度的1/8~1/14，梁宽通常为1/2~1/3。梁高高宽比不宜大于４，否则易失稳及施工不便。梁净跨与截面高度之比不宜小于4。框架梁宽不宜小于1/2柱宽，且不小于2０0mm。对于宽扁梁首先应注意满足挠度要求，否则存在梁板协调变形的复杂内力分析问题。框架梁的截面中心线宜与柱中心线重合，当必须偏置时，同一平面内的梁柱中心线间的偏心距不宜大于柱截面在该方向的1/4。柱截面尺寸初定4.2.1.2.1按轴压比：分抗震和非抗震两种情况。对于非抗震，按照轴心受压初定截面。对于抗震，Ac=N/(a*fc)N=B*F*Ge*nB=1.3（边柱），1.2（等跨中柱），1.25（不等跨中柱）Ge=12~15kN/m2，（a为轴压比，fc为砼抗压强度设计值，F为每层从属面积，n为层数）。4.2.1.2.2按长细比考虑，直接参考最小构造尺寸。非抗震时，柱子边长不宜小于250mm，抗震时柱子边长不宜小于300mm。4.2.1.2.3柱子剪跨比（按反弯点位置定）。4.2.1.2.4按剪力确定,宜错开。V＜0.25βcfcbh0。框架柱上下截面高度不同时，每次缩小100~150为宜。为方便尺寸标注修改，边柱一般以墙中心线为轴线收缩，中柱两边收缩。砼强度等级,一级现浇不低于C30，其余不低于C20。4.2.2荷载的计算。荷载包括外部荷载（例如，风荷载，雪荷载，施工荷载，地下水的荷载，地震荷载，人防荷载等等）和内部荷载（例如，结构的自重荷载，使用荷载，装修荷载等等）上述荷载的计算要根据荷载规范的要求和规定采用不同的组合值系数和准永久值系数等来进行不同工况下的组合计算。风荷载的计算公式：WK=βz*µs*µz*ωo水平地震作用计算公式：FEK=α1*Geq竖向地震作用计算公式：FEVK=αv,max*Geq承载力计算：S≤R荷载效应组合及最不利内力组合：1.无震作用时的效应组合：S=ΓG*SGK+ΨQ*ΓQ*SQK+ΨQ*ΓW*SWK2.有震作用时的效应组合：S=ΓG*SGK+ΓEh*SEhK+ΓEVSEVK+Ψw*Γw*SWK4.2.3构件的试算。根据计算出的荷载值，构造措施要求，使用要求及各种计算手册上推荐的试算方法来初步确定构件的截面。4.2.4内力的计算。根据确定的构件截面和荷载值来进行内力的计算，包括弯矩，剪力，扭矩，轴心压力及拉力等等。4.2.4.1恒载作用下的，计算用分层法。利用弯矩分配法计算各层弯矩，，将各层分层法求得的弯矩图叠加，可得整个框架结构在恒载作用下的弯矩图。固端弯矩时可根据固端弯矩相等的原则，先将梯形分布荷载及三角形分布荷载，化为等效均布荷载。4.2.4.2活载作用下的计算也用分层法。考虑到活荷载分布的最不利组合，各层楼面活荷尔蒙载布置可能有多种组合形式。同样采用弯矩分配法计算，考虑弯矩调节器幅，并将梁端节点弯矩换算成梁端柱子边弯矩值。各层叠加后得整个弯矩图。4.2.4.3风载作用下的内力计算采用Ｄ值法；由于风荷载分布较接近均布荷载，故可y0查表得从而得各层内力；活荷载与恒载之比不大于１时可按满布考虑，跨中弯矩乘1.1~1.2系数予以调整。常用弯矩分配法计算纵横向框架内力。对计算出的内力进行弯矩调幅。4.2.5构件的计算。根据计算出的结构内力及规范对构件的要求和限制（比如，轴压比，剪跨比，跨高比，裂缝和挠度等等）来复核结构试算的构件是否符合规范规定和要求。如不满足要求则要调整构件的截面或布置直到满足要求为止。4.2.5.1柱的轴压比：n=N/A*fc≤某一参数，此参数与抗震要求有关。4.2.5.2柱的剪跨比：λ=M/V*h04.2.5.3柱按长细比考虑，柱的构造尺寸，在非抗震时，柱的边长不宜小于250mm；在抗震时，柱的边长不宜小于300mm。4.2.5.4柱的配筋要求：纵筋要求，见规范。箍筋要求：1，箍筋的形式。2，箍筋的配筋率。3，最小直径的要求。4.3绘制施工图根据上述计算结果，来最终确定构件布置和构件配筋，以及根据规范的要求来确定结构构件的构造措施。利用计算机软件绘出流畅清晰的施工图。综述根据方案确定阶段，其基本方法就是根据各种结构形式的适用范围和特点来确定结构应该使用的最佳结构形式，这要看规范中对于各种结构形式的界定和工程的具体情况而定，关键是清楚各种结构形式的极限适用范围。还要考虑合理性和经济性。在结构计算阶段，就是根据方案阶段确定的结构形式和体系，依据规范上规定的具体的计算方法来进行详细的结构计算，规范上的方法有多种，关键是结合工程的实际情况来选择合适的计算方法，以楼板为例，就有弹性计算法，塑性计算法及弹塑性计算法。所以选择符合工程实际的计算方法是合理的结构设计的前提，是十分重要的。在绘制施工图阶段，就是根据结构计算的结果来用结构语言表达在图纸上。首先表达的东西要符合结构计算的要求，同时还要符合规范中的构造要求，最后还要考虑施工的可操作性。这就要求结构设计人员对规范要很好的理解和把握。另外还要对施工的工艺和流程有一定的了解。这样设计出的结构，才会是合理的结构。展望现代高层建筑是随着社会生产的发展和人们生活的需要而发展起来的,是人类文明进程中生产和生活需求的产物；是商业化、工业化和城市化的结果；是科学技术与社会经济的结晶，在一定程度上反映出科学技术与社会经济发展的水平；另外还可能是财富与权势的象征，代表一个地方的经济状况，正如城堡、庙宇和古塔象征古代的权势一样。在人口密度高，土地资源十分宝贵的地区,适当地建一点超高层建筑是必要的。我国高层建筑发展迅速，在世界十大高层建筑中，中国就占7个，在一定层度上说明的我国的综合国力和建筑水平，但跟国际先进水平相比仍有较大的差距。急待解决和提高的主要有下列几个问题：（1）建筑材料落后（2）高层建筑钢结构的钢材、设计和制造的国产化问题。（3）施工方法和机具的现代化问题。（4）施工组织和管理的现代化问题。