13-多层和高层框架结构.ppt

1、13 多层和高层 框架结构,北京长城饭店：18层（局部22层）H82.85m,混凝土结构设计,第13章,主 页,目 录,上一章,帮 助,12层 310层 10层或28m以上,房屋按高度和层数分类,低层,多层,高层,混凝土结构设计,第13章,主 页,目 录,上一章,帮 助,优点 结构轻巧； 整体性好； 可形成大空间； 施工方便； 较为经济。,框架结构,混凝土结构设计,第13章,主 页,目 录,上一章,帮 助,缺点 抵抗水平荷载能力差； 侧向刚度小，侧移大 ； 受地基的不均匀沉降影响大 。,框架结构受力变形动画,混凝土结构设计,第13章,主 页,目 录,上一章,帮 助,3.2.1 结构布置的一般原

2、则,满足使用要求，并尽可能与建筑的平、立剖面划分相一致； 满足人防、消防要求，使水、暖、电各专业的布置能有效地进行； 结构尽可能简单、规则、均匀、对称，构件类型少；,混凝土结构设计,第13章,主 页,目 录,上一章,帮 助,平面布置,混凝土结构设计,第13章,主 页,目 录,上一章,帮 助,竖向布置,混凝土结构设计,第13章,主 页,目 录,上一章,帮 助,妥善地处理温度、地基不均匀沉降以及地震 等因素对建筑的影响； 施工简便； 经济合理。,混凝土结构设计,第13章,主 页,目 录,上一章,帮 助,3.2.2 结构布置方法,特点 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

3、使用,横向布置,混凝土结构设计,第13章,主 页,目 录,上一章,帮 助,特点： 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。,纵向布置,混凝土结构设计,第13章,主 页,目 录,上一章,帮 助,特点： 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。,双向布置,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,3.3.1 框架梁,3-1,框架梁截面尺寸估算,l0 梁的计算跨度； hb 梁的截面高度； bb 梁的截面宽度。,一般情况下：,梁净跨与截面高度之比不宜小于4,梁的截面宽度不宜小于200mm,3-2,

4、混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,3-3,框架梁线刚度,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,表3.3.1 框架梁惯性矩取值,注： I0为梁按矩形截面计算的惯性矩， 。,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,多层建筑：,Hi 第i层层高； hc 柱截面高度； bc 柱截面宽度。,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,高层建筑：,N 柱中轴向力。 Nv 柱支承的楼面荷载面积上竖向荷载产生的轴向 力设计值。可近似将楼面板沿柱轴线之间的中 线划分，恒载和活载的分项系数均取1.25，或 近似取1214 kN/m2进行计算。 f

5、c 混凝土轴心抗压强度设计值。,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,Ec 混凝土弹性模量； I 框架柱截面惯性矩。,框架柱线刚度,3-7,3-8,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,计算单元的选取,计算单元选取,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,计算简图,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,框架荷载,垂直荷载,水平荷载,恒载,活载,风载,地震作用,框架自重；粉灰重；板、次梁、墙体重。,人群、家具、设备等荷载，取值见建筑结构荷载规范，可折减。,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,3.6.1 竖向

6、荷载下的内力计算,楼面荷载分配原则,当采用装配式或装配整体式楼盖时，板上荷载通过预制板的两端传递给它的支承结构； 当采用现浇楼盖时，楼面上的恒载和活载根据每个区格板两个方向的边长比，沿单向或双向传递，区格板长边/短边3时沿单向传递，长边/短边3时沿双向传递。,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,竖向活载最不利布置,（1）逐跨布置法,恒载一次布置，楼屋面活载逐跨单独作用在各跨上，分别算出内力，再对各控制截面组合其可能出现的最大内力。,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,（2）最不利荷载布置法,恒载一次

7、布置，楼屋面活载根据影响线，直接确定产生某一指定截面最不利内力的活载布置。此法用手算方法进行计算很困难。,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,（3）分层布置法或分跨布置法,恒载一次布置，为简化计算，当活载与恒载的比值不大于3时，可近似将活载一层或一跨做一次布置，分别进行计算，然后进行最不利内力组合。,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,（4）满布荷载法,当活载与恒载的比值不大于1时，可不考虑活载的最不利布置，把活载同时作用于所有的框架上，这样求得的支座处的内力可直接进行内力组合。但求得的梁跨中弯矩应乘以1.11.2的系数予以增大。,混凝土结构设计,第3章

8、,主 页,目 录,上一章,帮 助,竖向荷载作用下的内力计算方法,（1）分层法,基本假定 忽略垂直荷载作用下框架结构的侧移； 每层梁上的荷载只在本层梁及与其相连的上、 下层柱产生内力，不在其他层梁和其他层柱 上产生内力。,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,根据以上假定，多、高层框架可分层作为若干个彼此互不关连的且柱端为完全固定的简单刚架近似计算。简单刚架可用弯矩分配法计算，一般循环2次。,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,注意事项： 由于除底层外上层各柱的柱端实际为弹性固定，计 算简图中假定为完全嵌固，为减少计算误差，除底层柱 外，上层各柱的线刚度乘以

9、0.9的修正系数。,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,考虑除支座外，框架各节点为弹性固定，因 此底层柱的弯矩传递系数取1/2，其他各层柱的弯 矩传递系数取1/3；,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,分层法计算的各梁弯矩为最终弯矩，各柱的最终弯 矩为与各柱相连的两层计算弯矩叠加； 在内力与位移计算中，所有构件均可采用弹性刚度。,3-9,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,（2）迭代法（不考虑框架侧移）,计算荷载作用下各杆端产生的固端弯矩Mgik，并 写在相应的各杆端部，求出汇交于每一节点的各杆固端弯矩之和MFik，把它写在该节点的内

10、框中；,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,按下式计算每一杆端的最后弯矩值，即 或 根据算得的各杆端弯矩值，作最后的弯矩图并求得相应的剪力图和轴力图。,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,1、计算假定 假定某一节点的不平衡弯矩只对与该节点相交的各杆件的远端有影 响，而对其余杆件的影响忽略不计。 2、基本思路 先对各节点不平衡弯矩进行第一次分配，并向远端传递（传递系数 均取12），再将因传递弯矩而产生的新的不平衡弯矩进行第二次 分配，整个弯矩分配和传递过程即告结束。这就是弯矩二次分配法。 注意：弯矩分配两次，传递一次。,（）弯矩二次分配法,混凝土结构设计,

11、第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,解：1、因框架结构和作用荷载均对称，仅取半跨进行分析，这时中跨梁的相对线刚度应乘以修正系数2，根据各杆件的线刚度计算各节点杆端弯矩分配系数。 2、计算竖向荷载作用下各跨梁的固端弯矩，并将各节点不平衡穹矩进行第一次分配。,例题3.2某三跨五层钢筋混凝土框架，各层框架梁所受竖向荷载设计值（恒载）如图3.11所示，各杆件相对刚度示于图中，试用二次弯矩分配法计算各杆件的弯矩。,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,3、将所有杆端的分配弯矩向远端传递，传递系数均取l2。 4、将各节点因传递弯矩而产生的新的不平衡弯矩进行第二次分配，使各节点处于平衡

12、状态。 5、将各杆端的固端弯矩，分配弯矩和传递弯矩相加，即得各杆端弯矩。 二次弯矩分配法计算过程见图3.12， 最终框架弯矩图见图3.13。,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,系数法是UNIFORM BUILDING CODE（统一 建筑规范）中介绍的方法。当框架结构满足下列条 件时可按系数法计算框架结构的内力： 两个相邻跨的跨长相差不超过短跨跨长的20%； 活载与恒载之比不大于3； 荷载均匀布置； 框架梁截面为矩形。,（）系数法,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,框架梁内力,3-13,（1）弯矩 式中， 弯矩系数，查表3.6.1； 框架梁上恒载与活

13、载设计值之和； 净跨跨长，求支座弯矩时用相邻 两跨净跨跨长的均值。,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,表3.6.1 弯矩系数表,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,（2）剪力,式中 剪力系数，查下图。,3-14,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,(1)轴力 框架柱的轴力= puA 式中 pu 楼面单位面积上恒载与活载设计值之和； A 柱的负荷面积。 (2)弯矩,框架柱内力,当横梁不在立柱形心线上时，要考虑由于偏心引起的不平衡弯矩，并将这个弯矩也平均分配给上、下柱柱端。,3-15,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮

14、助,竖向荷载下框架梁端弯矩的调幅,在竖向荷载作用下，可以考虑梁端塑性变形内力重分布，减小梁端负弯矩，相应增大梁跨中弯矩。 调幅后的支座弯矩为： =M 式中 梁支座截面调幅后的弯矩； M 梁支座调幅前按弹性方法计算的弯矩； 调幅系数，现浇框架：0.80.9 装配式框 架：0.70.8。,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,3.6.2 水平荷载作用下的内力近似计算方法,反弯点法,适用于梁柱线刚度比不小于3的框架结构； 常用于在初步设计中估算梁和柱在水平荷载作用 下的弯矩值。,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,

15、帮 助,（1）反弯点位置 弯矩为零的点（反弯点）的位置按下图取值（以 EI梁=为前题）。,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,（2）反弯点处的剪力计算 柱的剪力按同层柱的抗侧移刚度之比分配。柱的 抗侧移刚度为：,EIci 第i根柱的刚度； hi 第i根柱的柱高。,3-16,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,以三层框架为例，用反弯点法计算水平荷载作 用下框架的内力。 顶层,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,第二层,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,第一层,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,

16、（3）弯矩图绘制 柱端弯矩：已知反弯点处的剪力值便可以求出每一 根柱各截面的弯矩。 梁端弯矩：分边柱节点和中间柱节点两种情况处理。 边节点：,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,中节点：,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,D值法,（1）反弯点法的问题,柱的抗侧刚度只考虑了柱的线刚度和柱高，未考虑节点梁柱线刚度比的影响； 认为反弯点的位置是固定不变的，实际上它与梁柱线刚度之比、柱的位置、上下层梁的线刚度大小、上下层层高、框架的总层数等因素有关。,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,（2）D值法的基本思想,与反弯点法相比： 相同之处 先

17、确定反弯点位置 不同之处 考虑了上述因素的影响，对柱的抗侧刚度和柱的反弯点位置进行了修正。,因此，D值法又称为修正的反弯点法，适用于梁 柱线刚度比小于3的情况。,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,（3）柱的抗侧刚度,式中，c 柱抗侧移刚度修正系数，按下表的公式计算。,3-21,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,（4）修正的反弯点高度,式中 y0标准反弯点高度比； y1因上、下层梁刚度比变化 的修值； y2因上层层高变化的修正值； y3因下层层高变化的修正值。,3-22,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,门架法,（1）基本假定,梁

18、柱的反弯点位于它们的中点处； 柱中点处的水平剪力按各柱支承框架梁的长度与框架总宽度之比进行分配。,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,悬臂法,（1）基本假定,梁柱的反弯点位于它们的中点处； 柱中应力与该柱到框架重心轴的距离成正比。,a1,a2,Pn,N1,N2,N2,N1,习题：三层两跨框架，用反弯点法、“D”值法、门架法、悬臂法计算，作出M、N、V，并就四种方法进行比较、讨论。,13.3.3 框架结构侧移近似计算,框架结构在水平荷载作用下的变形由总体剪切变形和总体弯曲变形两部分组成。,框架弯曲变形,总体剪切变形是由梁柱弯曲变形应起的框架变形；由于它的侧移曲线和悬臂梁的剪切

19、变形曲线曲线相似，称为剪切变形。总体弯曲变形是由框架两侧柱的轴向变形导致的框架变形，它的侧移曲线与悬臂梁的弯曲变形相似，称为弯曲变形。 对于层数不多的框架结构，只考虑剪切变形；对于较高的框架（H50米）或较柔的框架(H/B4),考虑框架的弯曲变形. 13.3.3.1 由梁柱弯曲变形引起的侧移,第i层的相对侧移和顶点位移：,13.3.3.2 由柱轴向变形引起的侧移,轴力是使柱产生轴向变形, 两边受力较大, 中柱受力较小,可以忽略不计. 边柱产生的轴力为 框架顶点的最大水平位移为:,n:顶层与底层边柱截面面积之比。,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0

20、,Fn,n,上端集中荷载,倒三角荷载,均布荷载,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,3.7.1 控制截面,梁：跨中、支座截面 柱：柱顶、柱底截面,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,3.7.2 控制截面最不利内力类型,梁跨中截面：+Mmax及相应的V（正截面设计） 梁支座截面：-Mmax及相应的V （正截面设计） Vmax及相应的M （ 斜截面设计） 柱 截 面：+Mmax及相应的N、V -Mmax及相应的N、V Nmax及相应的M、V Nmin及相应的M、V M较大，但N较小或N较大,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,由图可见：

21、对于大偏压，M相等或相近时，N越小越不利； 对于小偏压，M相等或相近时，N越大越不利； 无论大小偏压，当N相等或相近时，M越大越不利。,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,2. 由永久荷载效应控制的组合,一般应考虑下列三种荷载组合： （1）、恒载0.9（活载风载） （2）、恒载活载 （3）、恒载风载 对于高层框架结构，在计算荷载效应组合时应把 风荷载作为主要荷 载，其荷载组合值系数,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,竖向活载最不利布置,（1）

22、逐跨布置法,恒载一次布置，楼屋面活载逐跨单独作用在各跨上，分别算出内力，再对各控制截面组合其可能出现的最大内力。,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,（2）最不利荷载布置法,恒载一次布置，楼屋面活载根据影响线，直接确定产生某一指定截面最不利内力的活载布置。此法用手算方法进行计算很困难。,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,（3）分层布置法或分跨布置法,恒载一次布置，为简化计算，当活载与恒载的比值不大于3时，可近似将活载一层或一跨做一次布置，分别进行计算，然后进行最不利内力组合。,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,（4）满布荷载法,当

23、活载与恒载的比值不大于1时，可不考虑活载的最不利布置，把活载同时作用于所有的框架上，这样求得的支座处的内力可直接进行内力组合。但求得的梁跨中弯矩应乘以1.11.2的系数予以增大。,内力,荷载编号,框架梁内力组合表,框架柱内力组合表,二、构件截面设计 1、框架梁 框架梁是受弯构件，由内力组合求得控制截面的最不利弯矩和剪力 后，按正截面受弯承载力计算方法确定所需要的纵筋数量，按斜截 面受剪承载力计算方法确定所需的箍筋数量，再采取相应的构造措 施。 对于现浇框架，支座调幅系数取0.80.9；对于装配整体式框架， 其支座调幅系数取0.70.8。 2、框架柱 框架柱是偏心受压构件，通常采用对称配筋，确定柱中纵筋数时，应从内力组合中找出最不利的内力进行配筋计算。 框架柱除进行正截面受压承载力计算外，还应根据内力组合得到的 剪力值进行斜截面抗剪承载力计算，确定柱的箍筋配置。,柱的计算长度： （1）、一般多层房屋的钢筋混凝土框架结构各层柱段 当为现浇楼盖时： 底层柱段 其余各层柱段 当为装配式楼盖时： 底层柱段 其余各层柱段 （2）、具有非轻质隔墙的多层房屋，当