第4章 框架结构设计

第4章框架结构设计

第4章框架结构设计【增加1】框架结构设计的一般规定:

《高规》6.1节一般规定【6.1.1】框架结构应设计成双

向梁柱抗侧力体系。

主体结构除个别部位外，不应采纳较接。

[6.1.2]抗震设计的框架结构不应采纳单跨框架。

【说明】将原规程条文中的不宜改为不应。

震害调查表明，单跨框架结构，尤其是层数较多的高层建筑,

震害较重。

因此本条规定，抗凝设计的框架结构不应采纳冗余度低的单跨

框架。

单跨框架结构是指整栋建筑全部采纳单跨框架的结构，不包括

仅局部为单跨框架的框架结构和框架-剪力墙结构中的单跨框架。

[6.1.3]框架结构的填充墙及隔墙宜选用轻质墙体。

抗震设计时，框架结构如采纳砌体填充墙，其布置应符合下

列要求：

1避开形成上、下层刚度改变过大；（上下填充墙布置不能

相差太多）2避开形成短柱；（剪跨比小于等于2的柱为短柱，短

柱易发生剪切破坏）3削减因抗侧刚度偏心所造成的扭转。

（对称布置，尽量使质心、刚心重合）【说明】此条为原

规程中的6.1.4条，原6.1.3条改为6.1.7条。

16.1.4]抗震设计时，框架结构的楼梯间应符合下列要

求:

1楼梯间的布置应尽量减小其造成的结构平面不规则；2

当钢筋混凝土楼梯与主体结构整体连接时，应考虑楼梯对地震作用

及其效应的影响，并应对楼梯构件进行抗震承载力验算；3宜实

行构造措施减小楼梯对主体结构的影响。

【说明】本条为新增加内容。

依据震害调查的状况，框架结构中的楼梯及周边构件破坏严

峻。

本次修订增加了楼梯的抗震设计要求。

在框架结构中，钢筋混凝土楼梯自身的刚度对结构地震作

用和地震反应有着较大的影响。

若其位置布置不当会造成结构平面不规则，抗震设计时应尽量

避开出现这种状况。

抗凝设计时，应将楼梯作为结构构件进行设计工

楼梯的组合内力设计值应包括与地震作用效应的组合，楼梯

梁、柱的抗震等级可与所在的框架结构相同。

[6.1.5]抗震设计时，砌体填充墙及隔墙应具有自身稳

定性，并应符合下列要求：

1砌体的砂浆强度等级不应低于M5,当采纳砖及混凝土砌块

时，砌块的强度等级不应低于MU5；采纳轻质砌块时，砌块内强

度等级不应低于MU2.5。

墙顶应与框架梁或楼板亲密结合；【说明】增加了砌块的强

度等级的规定。

2砌体填充墙应沿框架柱全高每隔500mm左右设置2根直径

6mm的拉筋，拉筋伸入墙内的长度，6度时不应小于墙长的1/5且

不应小于700mm,7、8、9度时宜沿墙全长贯穿；【说明】提

高了7度时的要求。

3墙长大于5m时，墙顶与梁（板）宜有钢筋拉结；墙长

大于层高的2倍时，宜设置间距不大于4米的钢筋混凝土构造柱；墙

超群过4m时，墙体半高处（或门洞上皮）宜设置与柱连接且沿墙

全长贯穿的钢筋混凝土水平系梁；【说明】增加了构造柱间距的

要求。

4楼梯间采纳砌体填充墙时，应设置间距不大于层高且不大

于4米的钢筋混凝土构造柱并采纳钢丝网砂浆面层加强。

【说明】本款为新增内容，对楼梯间采纳砌体填充墙提出

了更严格的抗震设计要求。

[6.1.6]框架结构按抗震设计时，不应采纳部分由砌体

墙承重之混合形式。

框架结构中的楼、电梯间及局部出屋顶的电梯机房、楼梯间、

水箱间等，应采纳框架承重，不应采纳砌体墙承重。

【说明】删除了原规程中的6.1.7条。

在框架结构中布置少量剪力墙时，剪力墙变形实力差，简洁

过早破坏，建议按框架-剪力墙结构进行分析并限制位移，因此将相

关规定移入本规程第8章】[6.1.7】框架梁、柱中心线宜重

合。

当梁柱中心线不能重合时，在计算中应考虑偏心对梁柱节点核

心区受力和构造的不利影响，以及梁荷载对柱子的偏心影响。

教材P73[6.1.8]不与框架柱相连之次梁，可按非抗震

要求进行设计。

【说明】本条为新增内容，区分框架梁与非框架梁的不同

要求。

【新增2]框架结构的受力特点1、

结构的受力特点（内力）（1）单层单跨框架结构（给出竖向均

布线荷作用下的内力，依据内力图去讲解）1）竖向荷载下框

架梁的弯矩、剪力（受弯）：

两端弯矩（上部截面受拉，下部截面受压）、剪力均较大。

跨中则弯矩大（下部截面受拉，上部截面受压），剪力小。

假如梁两端具有足够的抗剪实力，一般是梁两端先出现塑性

钱，内力再渐渐推至跨中。

故竖向荷载作用下，梁可以考虑塑性内力重分布。

框架柱的弯矩、剪力、轴力（压弯）：

两端弯矩大（一般方向相同，反弯点在柱的中部），剪力、轴

力沿柱高匀称分布。

2）水平荷载下框架梁：

两端弯矩大（一般为一端上侧受拉、下侧受压；另一端上侧

受压、下侧受拉），剪力大；跨中弯矩小，剪力与端部相同。

与竖向荷载不同，此时梁的两端即便有型性发展，但由于受

力也无法将内力向跨中推动。

故竖向荷载作用下，梁可以考虑塑性内力重分布，水平荷载作

用下是不能考虑的。

框架柱：

受力与竖向荷载相像梁柱反弯点的位置？？？结合竖向

荷载作用下和水平荷载作用下（内力组合）框架柱的限制截面柱顶

与柱底框架梁的限制截面两端与框中（2）两层（多层）竖

向荷载和水平荷载作用下内力图（内力组合）竖向荷载作用下，各

层梁的内力相差不大，柱是下层的内力大水平荷载作用下，下层

梁与下层柱的内力更大考虑组合后，无论梁柱均是下层的内力大

2、主体结构的变形特点与构件的变形特点（1）构件的弯曲变形无

论时水平荷载作用还是竖向荷载作用，梁、柱均以弯曲变形为主（构

件为线形构件，由结构力学可知，杆件的弯曲变形远远大于剪切和

轴向变形，因此结构力学杆件计算变形时只考虑了弯曲变形，而忽

视轴向变形与剪切变形的影响。

）（2）结构的侧向变形1）竖向荷载作用下，结构的水平

侧移很小，可以忽视。

2）水平荷载作用下，结构的主要变形由剪切和弯曲两种变

形组成，且以剪切变形为主，结构的侧移不行以忽视。

由剪切引起的变形形态愈究竟，相邻两点间的相对变形愈

大，曲线凹向左一剪切型。

由弯矩引起的变形愈到顶层，相对变形愈大，曲线凹向右弯

曲型。

（3）水平荷载作用下，结构的整体变形与构件变形的

关系把单跨框架看成一根空腹悬臂柱它的截面高度为框架跨度，楼

层处承受集中水平荷载。

通过反弯点将某层切开，空腹悬臂柱内力如图4.2所示。

结构的整体剪切变形是由梁柱杆件弯曲变形产生的结构的整

体弯曲变形由柱轴向变形产生的多层框架中，由于层数

不多，柱的轴力往往也不大，柱的轴向变形很小，因此由柱轴向

变形引起的结构弯曲变形很小，经常可以忽视。

在近似计算中，只需计算由杆件弯曲引起的变形，即所谓剪切

型变形。

高层框架中，柱轴向力加大，由柱轴向变形引起的结构

整体弯曲不能忽视。

一般来说，二者叠加以后的侧移曲线仍以剪切型为主。

4.1计算简图4.1.1计算单元的确定框架结构作为由杆

件构成的空间结构，应取整个结构作为计算单元，按三维空间框架

结构进行计算分析，但对于平面布置较规则，柱距及跨数相差不多

的大多数框架结构，运用荷载作用下每根框架结构的内力和变形特

点及限制值特别接近，为简化计算，可将三维框架简化为平面框架,

按每根框架结构的负荷面积或抗侧移刚度担当外荷载。

此外，平面框架结构在纵向和横向分别有竖向荷载和水平荷

载作用，在符合手算特点的近似计算方法中，通常竖向荷载的计算

方法和水平荷载的计算方法也存在差异，为便于分解和叠加，还

需引入线弹性的结构假定，因此框架结构的基本假定为：

1、每根框架结构在其自身平面内测移刚度无限大，平面外

移刚度很小，忽视不计；2、平面楼盖在其自身平面内刚度尢限

大，平面外移刚度很小；3、框架结构在运用荷载作用下材料均

处于线弹性阶段。

框架结构是一个空间受力体系，手算中，依据前面的假定，

忽视结构纵向和横向之间的联系和各构件的抗扭作用，将纵向和横

向框架分别按平面框架结构进行分析，则计算单元如图4.5（b）所

示：

图4.5框架结构计算

简图4.1.2节点的简化（现浇结构为刚节点）4.1.3跨度与层高

的确定（绘图说明）【补充】箱型基础，取顶板标高到二层楼

面标高间距离作为底层柱的高度当没有确定基础的具体埋深时，取

-0.5m标高到二层楼面标高间距离作为底层柱的高度【一般状况

均从基础顶部标高起先取值不论是砌体、混凝土、钢结构】4.1.4

构件线刚度的确定截面的惯性矩（梁应考虑楼板的贡献作用）截

面的抗弯刚度截面的线刚度4.1.5荷载与地震作用的简化计算

（1）分析有什么荷载、计算地震作用应明确相关的参数（2）荷

载以什么样的形式作用在实际的结构上，又以何种形式作用在简化

的结构上（传力）（3）荷载与地震作用的大小计算4.2竖

向荷载作用下的内力计算【引言】在多数状况下，框架结构可以

简化为平面结构进行内力分析，在纵向和横向都分别由若干相框架

承受竖向荷载和水平荷载。

框架是典型的杆件体系，《结构力学》中已经比较具体地介绍

了超静定刚架（框架）内力和位移计算方法。

精确的手算方法：

全框架力矩安排法、无剪力安排法、迭代法等。

近似计算方法：

当结构跨数与层数较多时,采纳上述手算方法过于耗时，因此，

人们采纳分层法、反弯点法、D值法等对结构进行简化分析。

有限元法：

随着计算机内存及运算速度的提高，框架结构的分析更多凶是

依据结构力学中位移法的基本原理编制电算程序，用杆件有限元法

由计算机按空间结构进行分析。

但在初步设计阶段，为确定结构布置方案或构件的结构

尺寸，还须要采纳一些简洁的近似计算方法进行估算。

另外，近似让算方法虽然计算精度较差，但概念明确，能够

直观的反映结构的受力特点，因此，工程设计中也用手算的结果来

定性地校核推断电算结果的合理性。

一、分层法的基本假定1、多层多跨框架在竖向荷载作用

下，侧移不大，可近似按无侧移框架用力矩安排法进行内力分析2、

当某层梁上作用竖向荷载时，在该层梁和相邻的柱子中产生较大的内

力，而在其他层的梁、柱子中产生的内力，在经过柱子传递和节

点安排后，其值随着传递次数的增加而衰减，而且梁的线刚度越大,

衰减越快。

因此，在进行竖向荷载作用下的内力分析时，可假定作用在

某层框架梁上的竖向荷载只对本层梁以及与本层梁相连的框架柱产

生内力，而对其他楼层的框架梁和柱产生的内力可忽视不计分层进

行计算。

分层法的计算简图见图4.7。

图4.7分层法计算简图【留意分层后各层柱的高度如何

取值】【计算结果】梁内力：

分层法计算所得的梁内力即为最终内力；柱内力：

将上下两层所得的同一根柱子的内力叠加，得到柱子内力。

3、在分层法中，将每层框架梁柱进行分别计算，将其他梁

柱对本层的约束作用看成是固定端，也就是假设上柱和下柱的远端

都是固定端；而事实上，除底层柱子的下端外，其他各层柱端均

有转角，相当于介于钱支承和固定支承之间的弹性支承。

为了改善由此引起的误差，将安排系数和传递系数作一下修

正：

除底层以外，将其他各层柱的线刚度均乘以0.9的折减系数;

除底层以外，其他各层柱的弯矩传递系数为"3。

转动刚度：

底层Sik=4il2,其他层Sik=4X(0.9il2)传递系数:

底层Ci=l/2,其他层Cik=1/3.二、分层法的计算要点1.

分层依据：

框架结构基本假定3（框架结构在运用荷载作用下材料均处于

线弹性阶段）分层法假定2（梁上荷载仅在该梁上及与其相连的上

下层柱上产生内力，在其他层梁及柱上产生的内力可忽视不计），多

层框架可采纳分层法分解成若干个单层刚架的组合，分别进行力矩

安排计算，再叠加，如图4.8所示。

图4.8高层框架分层计算简

图2.按力矩安排法计算各分层的弯矩（留意梁柱线刚度、转动刚

度、传递系数）【无论是弯矩安排还是剪力安排都是锁放加三步】

3、将各层的弯矩计算结果叠加得到整个结构的弯矩（各层相加后节

点弯矩是不平衡的）由分层法计算所得的框架结构节点处的弯矩之

和经常不等于零。

这是由于分层计算单元与实际结构不符所带来的误差。

若节点出现的不平衡力矩较小（小于10%）,干脆按叠加成果

进行下一步计算，否则可将节点不平衡力矩再作一次弯矩安排。

修正原杆端弯矩，得到最终计算成果。

4、依据整个结构的弯矩图求解剪力与轴力例4.1：

图4.9所示二层框架，用分层法作框架的弯矩图，括号内的

数字表示每根杆线刚度的相对值。

解：

用分层法进行计算。

1.上层计算见图4.10,下层计算见图4.11o

上层各柱的线刚度都要先乘以0.9,然后再计算各节点的安

排系数。

各杆的安排系数协在图中长方框内。

带*号的数值是固端弯矩。

各杆端固端弯矩查表等截面直杆的杆端弯矩和剪力得到。

上层各柱远端弯矩等于各柱近端弯矩的1/3（即传递系数为

1/3）。

底层各柱远端弯矩等于各柱近端弯矩的1/2（即传递系数为

l/2）o

最终一行数字为安排后的各杆端弯矩。

2.把图4.9和图4.10的结果叠加，就得到各杆的最终

弯矩图（图4-12）。

可以看出，结点有不平衡状况。

假如须要更精确，可将节点不平衡弯矩在进行一次安排.

图4.10图4.11最终弯矩图

【作业或习题】4.3水平荷载作用下结构的内力计算【引言】

框架所受的水平荷载主要是风荷载和地震作用，手算时，首先把作用

在每个楼层上的总风力和总地震力安排到各根平面框架上（讲如何安

排，抗震设计规范5.2.6条，现浇结构依据抗侧力构件等效刚度

的比例安排，这和节点不平衡弯矩按杆件的转动刚度安排道理是相

同的，所以应当建立力按刚度安排原则的概念。

只是力为广义力，刚度为广义刚度而已；除了按刚度安排以

外还要清晰不是全部结构都遵循这个原则，最至少要有个印象，不

必要扩展讲），再进行平面框架的内力分析。

1、反弯点法与D值法的求解思想事实上就是结构力学中

的剪力安排法【力矩安排法与剪力安排法的比较】锁+放+加【以

下是施书关于求解思路的说明，写的好】2、

转角位移方程反映为力-位移的关系，源于结力（可以干脆给出）

转角位移方程能反映什么力学的概念？3、柱的抗侧

刚度（是否应当讲推导呢