第四章-多高层框架结构课件.ppt

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1、本 章 内 容,4.1 概述 4.2 框架结构的结构布置 4.3 框架结构的计算简图及荷载 4.4 竖向荷载作用下框架结构的内力计算 4.5 水平荷载作用下框架结构内力和侧移的近似计算 4.6 荷载效应组合与构件设计 4.7 框架结构的构造要求 4.8 基础设计 4.9 剪力墙与框架-剪力墙结构的受力特征,框 架：由梁和柱通过节点连接组成的结构单元。框架结构：整个房屋的骨架均由框架组成，即竖向承重 体系或抗侧力结构体系均为框架。,4.1 概述,结构组成,分类,地震区：多采用梁、柱、板全现浇或梁柱现浇、板预制 非地震区：可采用梁、柱、板均预制,装配式,现浇式,装配整体式,优点：平面布置灵活 结构

2、自重较轻 计算理论比较成熟 缺点：侧向刚度较小，侧移较大。,框架结构的特点,设计时应控制框架结构的高度和高宽比。,H室外地面到主要屋面高度。,最大适用高度和高宽比,4.2 框架结构的结构布置,4.2.1 柱网布置,工业建筑,民用建筑,4.2.2 框架结构的承重方案,横向框架承重,纵向框架承重,纵、横向框架承重,主要包括：沉降缝、伸缩缝、防震缝三种。由于设缝给建筑、结构和设备的设计和施工带来一定 困难，基础防水也不容易处理。目前的总趋势是少设 缝或不设缝，从总体布置或构造上采取措施来减小沉 降、温度变化或体型复杂造成的不利影响。,4.2.3 变形缝的设置,4.2.3.1 伸缩缝,由于温度变化对建

3、筑物造成的危害在其底部数层和顶 部数层较为明显，基础部分基本不受温度变化的影 响，因此，当房屋长度超过规范规定的限值时，宜用 伸缩缝将上部结构从顶到基础顶面断开，分成独立的 温度区段。钢筋混凝土结构伸缩缝的最大间距宜符合混凝土结 构设计规范（GB500102010）表8.1.1的规定。,4.2.3.2 沉降缝,当上部结构不同部位的竖向荷载差异较大，或同一建 筑物不同部位的地基承载力差异较大时，应设沉降缝将 其分成若干独立的结构单元，使各部分自由沉降。沉降缝应将建筑物从顶部到基础底面完全分开。,4.2.3.3 防震缝,位于地震区的框架结构房屋体型复杂时，宜设置防震 缝。防震缝应有足够的宽度，以免

4、地震作用下相邻建 筑发生碰撞。房屋既需设伸缩缝又需设沉降缝时，沉降缝可兼做伸 缩缝，两缝合并设置。对有抗震设防要求的房屋，其 伸缩缝和沉降缝均应符合防震缝要求，尽可能做到三 缝合一。,4.3 框架结构的计算简图及荷载,4.3.1 截面尺寸的确定,梁截面尺寸,柱截面尺寸,框架梁、柱截面尺寸应当根据构件承载力、刚度及延性等要求确定。,先由经验估算截面尺寸；再进行承载力和变形验算，若不满足，再调整截面 尺寸，直至满足。,4.3.1.1 梁截面尺寸,当跨度较大时，为节省材料和有利于建筑空间，可设计成加腋形式。,柱截面尺寸可直接凭经验确定；根据其所受轴力按轴心受压构件估算，再乘以适当的放大 系数以考虑弯

5、矩的影响。即,构造要求：柱截面边长不宜小于300mm，圆柱的截面直径 不宜小于350mm，截面高宽比不宜大于3，柱净 高与截面长边之比宜大于4，或柱剪跨比宜大于 2。,按柱支承的楼面面积计算由重力荷载产生的轴力值,4.3.1.2 柱截面尺寸,柱承受的轴向压力设计值,实际框架结构中，楼板的存在，使梁的刚度加大，在结构计算中，梁截面惯性矩按楼板的类型来计算。,4.3.1.3 梁截面惯性矩,翼缘有效宽度的确定,梁截面惯性矩的确定,翼缘的有效宽度,梁截面惯性矩,相应的矩形截面梁的惯性矩,4.3.2.1 计算单元,4.3.2 框架结构的计算简图,一般应按三维空间结构进行分析。对于平面布置较规则的框架结构

6、房屋，通常简化为 若干个横向或纵向平面框架进行分析，每榀平面框 架为一计算单元。,平模型面框架的计算单元及计算模型,4.3.3.2 计算简图,用轴线表示框架梁和柱，用节点表示梁与柱之间的连接，用节点间的距离表示梁或柱的长度。,柱（除底层外）的计算高度即为各层层高（当各层 梁截面尺寸相同时）,底层柱的下端，一般取至基础顶面；当地下室整体刚 度很大，且地下室结构的楼层侧向刚度不小于相邻上 部结构楼层侧向刚度的2倍时，可取至地下室结构的顶 板处。,框架梁的计算跨度即为框架柱轴线之间的距离,当上、下层柱截面形心轴不重合时，将顶层柱的形心线 作为整个柱子的轴线，,框架结构计算单元,上、下层柱截面形心轴重

7、合,上、下层柱截面形心轴不重合,应考虑由上层柱传来的轴力在变截面处所产生的力矩,现浇钢筋混凝土框架，假定梁、柱节点为刚接。,4.3.2.3 节点连接的简化,装配整体式框架，如果梁、柱中的钢筋在节点处为焊接 或搭接，则可视为刚接节点.,装配式框架，一般是在构件的适当部位预埋钢板，安装 就位后再予以焊接，将这种节点模拟为铰接或半铰接。,竖向荷载：恒载、楼（屋）面活荷载和雪荷载水平荷载：风荷载、水平地震作用,4.3.3 荷载计算,恒载 恒载的标准值可按设计尺寸与材料自重标准值计算。,楼（屋）面活荷载 作用在多高层框架结构上的楼（屋）面活荷载，可根据 房屋及房间的不同用途按建筑结构荷载规范取用。,风荷

8、载,雪荷载,4.4 竖向荷载作用下框架结构的内力计算,分层法,弯矩二次分配法,结构力学方法（力法、位移法）；迭代法。,4.4.1.1 计算假定 框架的侧移忽略不计，即不考虑框架结构的侧移对其内力 的影响；每层梁上的荷载对其他各层梁、柱内力的影响可忽略不 计，仅考虑对本层梁及其上、下柱的内力的影响。,4.4.1 分层法,4.4.1.2 计算步骤与要点,分层（无侧移敞口框架，各柱端均为固定端）计算各敞口框架的杆端弯矩(无侧移框架，弯矩分配法)梁端M：各层计算结果 梁端V、梁跨中M：用静力平衡条件计算,计算杆端M分配系数、梁固端M。全部节点不平衡M进行第一次分配。所有杆端M向其远端传递。对新的不平衡

9、M进行第二次分配，使各节点处于平衡状态。各杆端固端M分配M传递M，即得各杆端M。,4.4.2 弯矩二次分配法,计算步骤,4.5 水平荷载作用下框架结构内力和侧移的近似计算,D 值法,反弯点法,门架法,节点产生侧移和转角，且越靠近底层越大；梁、柱中有反弯点；梁、柱弯矩图均为直线。,4.5.1 水平荷载作用下框架结构的受力及变形特点,关键,特点,确定层间剪力在各柱间的分配；确定各柱的反弯点位置。,水平荷载作用下框架结构的变形图及弯矩图,4.5.2 D 值法,4.5.2.1 层间剪力在各柱间的分配,框架结构第i层的层间剪力Vi可表示为,第i层第j柱分配到的剪力Vij,变形条件,物理条件,Dij表示框

10、架结构第i层第j柱的侧向刚度，其物理意义为框架柱两端产生单位相对侧移所需的水平剪力。,平衡条件,将物理条件代入平衡条件，考虑变形条件可得,将上式代入平衡条件，可得,每根柱分配的剪力与其抗侧刚度成比例。,4.5.2.2 框架柱的侧向刚度,一般规则框架中的柱,柱高不等及有夹层的柱,一般层,底层,规则框架：层高、跨度、柱线刚度、梁线刚度分别相等。基本假定,一般规则框架中的柱,柱两端及与之相邻各杆远端的转角均相等 柱及与之相邻的上下层柱的弦转角均相等 柱及与之相邻的上下层柱的线刚度均相等,框架柱侧向刚度计算图示,柱抗侧移刚度,一般层,B点：,整 理，得：,两式相加，得：,可由A、B节点力矩平衡条件求得

11、:,A点：,表示节点两侧梁平均线刚度与柱线刚度的比值，简称梁柱线刚度比。,柱侧向刚度修正系数，反映了节点转动降低了柱的侧向刚度。节点转动的大小取决于梁对节点转动的约束程度。,这表明：梁线刚度越大，对节点的约束能力越强，节点转动越小，柱的侧向刚度越大。,底层,同理，当底层柱的下端为铰接时，可得：,，,式中,令,则，,当 取不同值时，通常在(1)(0.67)范围内变化，为简化计算且在保证精度的条件下，可取，则得,故,柱侧向刚度修正系数,柱高不等及有夹层的柱,当底层中有个别柱的高度ha、hb与一般柱的高度不相等时，其层间水平位移 对各柱仍是相等的，因此仍可用侧向刚度式计算这些不等高柱的侧向刚度。,当

12、同层中有夹层时，对于特殊柱B，其层间水平位移为,则B柱的侧向刚度为,4.5.2.3 柱的反弯点位置,柱的反弯点高度是指柱下端至柱中反弯点的距离。,影响柱反弯点高度的因素,上、下横梁线刚度变化,上、下层层高变化,框架各柱的反弯点高度比y可用下式表示为：,y=yn+y1+y2+y3,反弯点高度比,yn 标准反弯点高度比 y1 上、下横梁线刚度变化时反弯点高度比的修正 y2和y3 上、下层层高变化时反弯点高度比的修正值,标准反弯点高度比 yn 规则框架的反弯点高度比。配套教材附表7.1附表7.3。,上、下横梁线刚度变化时反弯点高度比的修正值 y1,，反弯点上移，y1为正,，反弯点下移，y1为负,取,

13、当,当,取,上、下层层高变化时反弯点高度比的修正值,反弯点上移，y2为正,反弯点下移，y2为负,反弯点下移，y3为负,反弯点上移，y3为正,4.5.2.4 计算要点,计算框架结构各层层间剪力 对框架每一层，计算各柱的侧向刚度 计算每个柱所分配的剪力 确定每个柱的反弯点高度比y 计算柱上、下端的弯矩 根据节点平衡条件，计算梁端弯矩 根据梁端弯矩，由平衡条件计算梁端剪力，再进而计算 柱轴力。,4.5.3 反弯点法,应用条件：梁的线刚度比柱的线刚度大很多（ib/ic3）。,柱侧向刚度：,反弯点的位置：各柱反弯点位于柱中央，底层近似认为 在距底2h/3处。,方法与D值法类似，但忽略梁柱节点转角的影响，

14、更简单。,4.5.4 门架法,门架法假定所有柱子的反弯点都在柱中点，所有梁的反 弯点都在梁跨中；每根柱子所承担的层间剪力比例等于该柱支承框架梁的 长度与框架总宽度之比。门架法比反弯点法更简单，但其精度较差。,4.5.5 框架结构侧移的计算与控制,梁、柱弯曲变形引起的侧移,柱轴向变形引起的侧移,前者是由水平荷载产生的层间剪力引起的，其侧移 曲线与等截面剪切悬臂柱的剪切变形曲线相似，曲 线凹向结构的竖轴，层间相对侧移是下大上小，称 这种变形为框架结构的总体剪切变形；后者主要是由水平荷载产生的倾覆力矩引起的，侧 移曲线凸向结构竖轴，其层间相对侧移下小上大，故称为框架结构的总体弯曲变形。,框架结构的剪

15、切型变形,框架结构的弯曲型变形,4.5.5.1 弯曲变形引起的侧移,第i层层间相对侧移,第i层楼面标高处侧移,框架顶点侧移,4.5.5.2 轴向变形引起的侧移,计算较复杂，可借助计算机用矩阵位移法求得精确值，也可用近似方法。一般采用连续积分法，该法假定水平荷载只在边柱中产生轴力及轴向变形。,顶点位移,V0结构底部总剪力；,F(b)与b有关的函数，根据荷载作用形式 不同选择不同公式计算，详见配套教 材。,4.5.5.3 水平位移控制,框架结构的侧向刚度宜合适，不过大或过小，一般以使结 构满足层间位移限值为宜。,层间位移角限值，框架取1/550，其确定原则为：,u/h u/h,保证主体结构基本处于

16、弹性受力状态。即柱不出现 裂缝；梁等楼面构件的裂缝限制在规范允许范围之内。保证填充墙、隔墙和幕墙等非结构构件的完好，避免 产生明显裂缝和破坏。,4.6 荷载效应组合与构件设计,4.6.1 荷载效应组合,框架结构在各种荷载作用下的荷载效应（内力、位移等）确定之后，必须进行荷载效应组合，才能求得框架梁、柱各控制截面的最不利内力。,4.6.1.1 控制截面及最不利内力,及相应的,及相应的,及相应的,及相应的,内力组合前应将各种荷载作用下柱轴线处梁的弯矩值换算到柱边缘处。,梁端的控制截面,4.6.1.2 活荷载的不利布置,楼面活荷载是随机作用于结构上的竖向荷载，设计中，一般按下述方法确定框架结构楼面活

17、荷载的最不利布置。,布置法,最不利布置法,逐层逐跨布置法,布置方法,框架杆件的变形曲线,框架结构活荷载不利布置示例,4.6.1.3 效应组合,由于框架结构的侧移主要是由水平荷载引起的，通常不考虑竖向荷载对侧移的影响，所以荷载效应组合实际上是指内力组合。,考虑设计使用年限为50年时，,4.6.2 构件设计,4.6.2.1 框架梁,受弯构件正截面受弯承载力计算：确定纵筋数量。受弯构件斜截面受剪承载力计算：确定箍筋数量。,4.6.2.2 框架柱,柱截面最不利内力的选取,偏心受压构件正截面受压承载力计算：确定纵筋数量偏心受压构件斜截面受剪承载力计算：确定箍筋数量,大偏心受压组：M相差不多时，N越小越不

18、利小偏心受压组：M相差不多时，N越大越不利 N相差不多时，M越大越不利,N相差不多时，M越大越不利,框架柱计算长度,4.6.2.3 叠合梁,叠合梁示意图,在装配整体式框架中，为了节约模板，方便施工，并增强结构的整体性，框架的横梁常采用二次浇捣混凝土。,4.7 框架结构的构造要求,4.7.1 框架梁,纵筋,箍筋,最小配筋率 最大配筋率 顶面和底面沿全长应至少各配置两根纵筋，直径不 应小于12mm。,应沿框架梁全长设置箍筋。箍筋的直径、间距、配筋率等要求与一般梁的相同。,4.7.2 框架柱,4.7.2.1 柱纵向钢筋的构造要求,4.7.2.2 柱箍筋的构造措施,柱箍筋形式,4.7.3 梁柱节点,箍

19、筋构造：节点内的箍筋应符合框架柱箍筋的构造要求，且其箍筋间距不宜大于250mm。连接要求：在保证结构整体受力性能的前提下，连接形式 力求简单，传力直接，受力明确。,梁柱节点处于剪压复合受力状态，为保证节点具有足够的受剪承载力，防止节点产生剪切脆性破坏，必须在节点内配置足够数量的水平箍筋。,4.7.4 钢筋连接与锚固,梁上部纵向钢筋,梁下部纵向钢筋,顶层中节点柱纵向钢筋和边节点柱内侧纵向钢筋,顶层端节点处柱外侧纵向钢筋,中间层中间节点处梁上、下部纵向钢筋,4.8 基础设计,4.8.1 基础形式的选择,基础类型：柱下独立基础、条形基础、十字交叉条形基 础、筏形基础、箱形基础和桩基础等。基础选择原则

20、：应根据工程地质和水文地质条件、上部 结构的层数和荷载大小、上部结构对地 基土不均匀沉降以及倾斜的敏感程度、施工条件等因素，选择合理的基础型式。,基础类型,4.8.2 条形基础,4.8.2.1 基础尺寸确定,构造要求,基础高度,肋梁宽度,翼板厚度,柱下条形基础的尺寸和构造,当基底压力为梯形分布时,翼板宽度计算,基底压力均匀分布时，直接按上式计算,先按上式求出bf，并将bf乘以增大系数1.21.4；然后根据求出的bf计算得出基底压力；进行地基承载力验算；如不满足要求，则可调整bf，直至满足为止。,4.8.2.2 地基承载力验算,荷载效应标准组合,4.8.2.3 基础内力分析,倒梁法假定条形基础的

21、基底反力为直线分布，把柱子作为不动铰支座，基底净反力作为荷载，支座之间不产生相对竖向位移，将基础视为一倒置的连续梁进行内力分析。,按倒梁法求得的条形基础梁边跨跨中弯矩及第一内支 座的弯矩值宜乘以1.2的系数；用倒梁法计算所得的支座反力一般不等于原先用以计 算基底净反力的竖向柱荷载。若二者相差超过工程容 许范围，可做必要的调整；在基底净压力作用下，倒T形截面的基础梁，其翼板的 最大弯矩和剪力发生在肋梁边缘截面，可沿基础梁长 度方向取单位板宽，按倒置的悬臂板计算内力。,4.8.2.4 配筋计算与构造,（4.43）,肋梁应进行正截面受弯承载力计算,翼板的受力钢筋按悬臂板根部弯矩计算,肋梁配筋,翼板配

22、筋,4.8.3 十字交叉条形基础,基础特点：由柱网下的纵横两组条形基础组成，在条形基 础的交叉点处承受上部结构传来的集中荷载 和弯矩。内力计算：精确计算较复杂，工程中多采用简化方法。,对于弯矩不予分配，由弯矩所在平面的单向条形基础 负担；对于竖向荷载则按一定原则分配到纵、横两个方向的 条形基础上，然后分别按单向条形基础进行内力计算 和配筋。,4.9 剪力墙与框架剪力墙结构的受力特征,4.9.1 剪力墙结构,剪力墙结构：房屋的竖向承重结构全部由剪力墙组成。,4.9.1.1 剪力墙结构特点,优点：,缺点：结构自重较大，建筑平面布置局限性大。,楼板直接支承在墙上，房间墙面及天花板平整，层高较小，特别

23、适用于住宅、宾馆等建筑；剪力墙的水平承载力和侧向刚度均很大，侧向变 形较小。,4.9.1.2 结构承重方案,大开间横墙承重,小开间横墙承重,大间距纵、横墙承重,房屋使用空间大，建筑平面布置灵活；自重较轻，基础费用相对较少；横墙配筋率适当，结构延性增加。楼盖跨度大，材料用量大。,横墙数量多、墙体承载力未充分利用，建筑平面布置不灵活，房屋自重及侧向刚度大，水平地震作用大。,比小间距方案优越，满足对多种用途和灵活隔断等的需要。,4.9.1.3 剪力墙的布置,布置原则,剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向或多向布置；,剪力墙不宜布置得太密，使结构具有适宜的侧向刚度；,剪力墙宜自下到上连续布置，避免刚度突变

24、；,剪力墙的门窗洞口宜上下对齐，成列布置；,剪力墙结构应具有延性，墙段的长度不宜大于8m；,短肢剪力墙较多时，应布置成简体或以T形、十字形、L形连接。,4.9.2 框架剪力墙结构,4.9.2.1 框架剪力墙结构特点,主要结构形式,框架和剪力墙分开布置，各自形成独立的抗侧力结构。在框架结构的若干跨内嵌入剪力墙，框架相应跨的柱和 梁成为该片墙的边框，称为带边框剪力墙。在单片抗侧力结构内连续分别布置框架和剪力墙。上述两种或三种形式的混合。,框架-剪力墙结构，各层楼盖因其巨大的水平刚度使框架与剪力墙的变形协调一致，因而其侧向变形介于剪切型与弯曲型之间，一般属于弯剪型。,弯曲型,剪切型,弯剪型,4.9.2.2 框架剪力墙结构中剪力墙的布置,设置剪力墙数量的依据：满足结构的水平位移限值要求。,剪力墙的布置,剪力墙设置过少，则侧移过大；剪力墙设置过多，则地震作用增加，且大部分被剪力 墙吸收，框架的作用不能充分发挥。,原则：控制刚度中心的位置，提高抗扭能力。,