第4章 多层框架结构.ppt

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1、,第 4 章 多层框架结构,本章介绍了多层框架结构的设计步骤和设计方法，内容包括：结构布置；计算简图的确定；内力计算；内力组合；框架梁、柱截面设计（配筋计算）；构造要求。,内 容 提 要,重点：计算简图的确定；框架在竖向荷载水平荷载作用下的内力计算；内力组合；截面设计。难点：框架梁、柱内力组合；梁、柱、节点的配筋构造。,4.1,框架结构概述,框架结构是指由纵、横梁和柱组成承重骨架并承受抗侧力作用的结构。优点：平面布置灵活、自重较轻。缺点：抗侧移刚度较小。,多层建筑中广泛应用；高层或超高层建筑中一般不采用纯框架结构。规范规定：现浇混凝土框架高度一般不超过60m，抗震设防7、8、9度区一般不超过5

2、5m、45m、25m。实际工程中，框架结构一般不超过12层。,根据施工方法分类：现浇整体式、装配式和装配整体式。,4.1.2 框架结构的分类,现浇框架：全部在现场浇注，整体性好，抗震性能好。其缺点是现场施工的工作量大，工期长，并需要大量的模板。,装配式框架：梁、柱、楼板均为预制，然后通过焊接拼装连接成整体。现场施工速度快，但需要大量的运输和吊装工作。这种结构整体性差，抗震性差，不宜在地震区应用。,装配整体式框架：梁、板、柱均为预制，在吊装就位后，先焊接和绑扎节点区钢筋，通过现浇混凝土形成框架节点并使构件连成整体。这种结构具有良好的整体性和抗震性，又可采用预制构件，兼有现浇式框架和装配式框架的优

3、点。缺点是现场浇注混凝土的施工较为复杂。,4.2,框架结构布置,4.2.1.结构布置的一般原则 原则：既要满足生产工艺和建筑功能的要求，又要使结构受力合理，施工方便。内容：确定柱网尺寸，承重框架布置和变形缝的设置。,4.2.2.柱网布置 确定柱在平面上的位置。柱距：3.37.2m，梁跨：4.57.0m，层高：2.84.2m。,4.2.3.框架承重体系的布置,根据楼盖荷载传力方向的不同，分为：横向承重、纵向承重和纵横向承重,横向框架承重,纵向框架承重,纵、横向框架混合承重,分类：沉降缝、伸缩缝和防震缝,4.2.4.变形缝设置,三缝的作用：,1.沉降缝：为防止建筑物基础在产生不均匀沉降时，引起上部

4、结构内力发生变化而造成房屋开裂采取的措施,2.伸缩缝：当建筑物超过一定长度时，由于温度变化而使房屋墙体、屋顶产生温度应力，而基础的温度影响较小，造成房屋开裂。为了防止温度应力引起的房屋开裂采取的措施。,3.防震缝：当房屋平面或立面不规则，各部分的质量和刚度变化较大时，在地震作用下，结构的受力将变得非常复杂，导致计算困难和部分薄弱位置的结构发生破坏。为避免这种破坏，采用防震缝将房屋分割成几个较为规则的形体，使之计算简单和减少地震作用的破坏。,三缝的区别：,1.构造区别：沉降缝是从基础开始直至屋顶将墙体或框架完全分开；伸缩缝一般是从基础以上开始分开；防震缝一般和伸缩缝相同，当基础较差情况下可以将基

5、础分开。三缝的设置宽度要求均有所不同，一般伸缩缝最小，沉降缝次之，防震缝要求最宽。（根据规范确定）,2.位置的区别：沉降缝主要根据地基条件确定设置位置；伸缩缝一般设置在中间位置；防震缝则设置在不同形体交界处。设计时尽量将三缝合并处理。,4.3,框架结构计算简图,4.3.1 框架梁、柱截面选择（截面形式、尺寸的确定）,1.截面形状 现浇板框架梁：T形、形 预制板框架梁：矩形、T形、花篮形、十字形等 框架柱：常为矩形或正方形，有时由于建筑上的需要，也可设计成圆形、八角形、T形等等。,2.截面尺寸 1）梁截面尺寸 框架梁截面高度h=(1/81/12)l(单跨用较大值，多跨用较小值）次梁（或连系梁）h

6、=(1/121/14)l；交叉梁h=(1/121/15)l；无梁楼盖暗梁h=(1/201/35)l 截面宽度b=(1/21/3)h,2）柱截面尺寸 h=(1/81/12)H，b=(12/3)h or bh(1.21.4)N/fc-柱轴压比：一般0.9，抗震1级0.7，2级0.8，3级0.9 框架柱截面高度不宜小于400mm，宽度不宜小于350mm。,现行规范采用系数修正方法计算。中框架梁 边框架梁现浇楼盖 2.0I0 1.5I0装配整体式楼盖 1.5I0 1.2I0,3.截面惯性矩 框架结构是超静定结构，必须先知道框架梁、柱的抗弯刚度才能计算结构的内力和变形。在初步确定梁、柱截面尺寸后，可按材

7、料力学的方法计算截面惯性矩。但是，由于楼板参加梁的工作，在使用阶段梁又带裂缝工作，因而精确确定梁截面抗弯刚度并非易事。,4.3.2 计算简图的确定,一般情况下，框架房屋是由纵向、横向框架所组成的空间结构，应按空间受力体系进行受力分析。,但是，当结构布置均匀，荷载分布均匀时，横向或纵向的各榀框架产生大致相同的位移，相互间不会产生大的约束力。为了简化计算，可忽略其空间作用，将横向和纵向框架分别按平面框架进行分析计算。,节点的模型化,跨度与层高的确定,4.4,荷载计算,1.恒荷载计算 1）注意单向板、双向板传力的不同；2）连系梁传来的荷载（集中力、偏心布置时有附加弯矩）,4.4,荷载计算,2.活荷载

8、计算 1）楼面活荷载（注意折减问题）2）屋面活荷载、屋面雪荷载（取其中较大值）,4.4,荷载计算,3.风荷载计算 为了简化计算，风荷载一般分段简化为均布荷载，再简化成作用于框架节点的水平集中荷载。,4.5.1 竖向荷载作用下框架内力计算,1）弯矩二次分配法求框架弯矩,（1）计算梁、柱转动刚度（2）计算各节点杆件（梁、柱）的分配系数（3）计算杆件固端弯矩（不平衡弯矩）（4）进行弯矩分配与传递（5）计算杆端弯矩（6）画弯矩图,2）梁端弯矩调幅,3）计算梁端剪力和柱轴力,1.弯矩二次分配法,2.分层法,1）计算假定,当框架梁的线刚度大于柱的线刚度，且基本对称，荷载均匀的情况下，框架侧移较小，框架梁的

9、荷载对其他层梁柱的内力影响较小，可作如下假定：框架侧移忽略不计，不考虑侧移对框架内力的影响；每层梁上的荷载对其他层梁、柱内力的影响忽略不计，仅考虑对本层梁、柱内力的影响。,2）计算要点 将框架分解成单层框架，采用弯矩分配法分别计算单层框架的弯矩，叠加分层计算的柱端弯矩即得框架梁、柱杆端弯矩。,为了使计算减少误差，对传递系数和柱刚度进行调整：除底层外，其余各层柱的线刚度乘以0.9的折减系数；除底层外，其余各层柱的弯矩传递系数取为1/3。,活荷载的布置问题。,4.5.2 水平荷载作用下框架内力计算,1.反弯点法,作用于框架结构上的水平荷载主要是风荷载和地震作用，荷载计算时一般均将其化为节点集中荷载

10、。因无节间荷载，梁、柱的弯矩图都是直线形，仅有一个反弯点（弯矩为零的截面）。只要能确定各柱的剪力和反弯点的位置，就可求得各柱的弯矩，进而由节点平衡条件求得梁端弯矩及整个框架的内力。因此，框架结构在水平荷载作用下内力计算的主要任务是：（1）确定各柱中反弯点的位置；（2）确定各柱的剪力。,4.5.2 水平荷载作用下框架内力计算,1.反弯点法,框架在水平荷载作用下，节点将同时产生转角和侧移，当 时，转角 很小，对框架的内力影响不大。为了简化计算，假定，等于把框架横梁简化成线刚度 的刚性梁。,适用范围：框架梁、柱线刚度比,采用此假定后，一般层柱的1/2高度处截面弯矩为零（首层柱取其2/3高度处截面弯矩

11、为零），柱的弹性曲线在该处改变凹凸方向，故此处称为反弯点，反弯点距柱底的距离称为反弯点高度。,确定好反弯点以后，只要求得柱的剪力，即可确定框架柱的弯矩图，再根据节点力矩平衡条件求得梁端弯矩，然后计算梁端剪力和柱轴力。,柱的侧移刚度,2.D值法（改进反弯点法、修正反弯点法）,节点转角较大，对柱的侧移刚度和反弯点位置产生较大影响。设计计算时必须对反弯点法进行修正，采用修正后的柱侧移刚度和反弯点高度计算其内力。,框架梁、柱线刚度比,采用修正反弯点法时，工程上用D 表示柱的侧移刚度，所以修正反弯点法又称为“D 值法”。,计算梁的线刚度时，应考虑楼板对梁刚度的增大影响，即板作为梁的翼缘参加工作。,一般层

12、柱,底层柱,通常先按矩形截面计算梁的惯性矩，再乘以增大系数。,求得柱的抗侧移刚度D值后，可按与反弯点法类似的方法，求出各层各柱所分配的地震剪力。但欲求得各层各柱的弯矩，还需要知道柱的反弯点位置，也就是反弯点高度。,影响柱反弯点位置的因素：侧向外荷载形式、梁柱线刚度比、上层层高的变化、下层层高的变化等。,D值法计算框架内力的步骤,计算各层各柱的侧移刚度；计算各柱所分配的地震剪力；计算柱的反弯点高度；计算柱端弯矩；计算梁端弯矩；计算梁端剪力；计算柱轴力。,4.5.3 水平荷载作用下框架侧移计算与验算,在水平荷载作用下，框架结构的变形由两部分组成：总体剪切变形和总体弯曲变形。,总体剪切变形：由梁、柱

13、弯曲变形引起；,总体弯曲变形：由框架柱的轴向变形所引起。,一般情况下，框架结构的侧移以总体剪切变形为主，所以只考虑由梁、柱弯曲变形所引起的侧移。当结构的高宽比增大时，总体弯曲变形的成分也将增大。当总高度H50m或H/B4时，一般就应考虑由柱的轴向变形引起的侧移。,1.侧移组成,层间相对位移,验算公式,4.5.3 水平荷载作用下框架侧移计算与验算,2.侧移计算,3.侧移验算,框架在各种荷载作用下的内力确定后，在进行梁、柱截面设计之前，首先要确定好梁、柱的控制截面及其最不利内力，以此作为截面配筋计算的依据。内力组合就是组合梁、柱控制截面的最不利内力。,框架梁：梁的左、右两端及跨中 框架柱：柱上、下

14、两端,4.5.1 控制截面,框架梁：在水平荷载和竖向荷载作用下，弯矩是呈线性变化或抛物线变化；剪力呈线性变化。因此，除取梁的两端作为控制截面以外，还应在跨间取最大正弯矩的截面作为控制截面。为了计算简便，可直接以梁的跨中截面作为控制截面，而不必用求极值的方法确定最大正弯矩控制截面。,对框架柱，内力沿柱高呈线性变化，因此可取各层柱的上、下端截面作为控制截面。,在框架梁、柱端部截面配筋计算时，应采用梁、柱端部控制截面的内力，而不是轴线处的内力。所以，必须先求出构件端部控制截面的内力。,4.5.2 内力换算,4.5.3 内力组合,1.组合目的,框架柱是按偏心受压构件进行设计，其控制截面的最不利内力为：

15、柱端的 及相应的、；或 及相应的、；或 及相应的、。,组合目的是组合出构件控制截面的最不利内力。框架梁是按受弯构件设计，其控制截面最不利内力为：梁端最大负弯矩 及可能出现的最大正弯矩，还有最大剪力；跨中最大正弯矩 及可能出现的负弯矩。,2.内力组合原则和方法,为了组合出梁、柱控制截面的最不利内力，根据使用过程中在结构上可能同时出现的荷载，框架结构内力组合一般须考虑以下两种组合：,1）由永久荷载效应控制的组合 恒载内力+活载内力+风载内力：,2）由可变荷载效应控制的组合 恒载内力+活载内力+风载内力：,具体的内力组合设计值、承载力验算公式,S=1.35恒载内力+1.40.7活载内力1.40.6风

16、载内力 S=1.2(1.0)恒载内力+1.4活载内力1.40.6风载内力 S=1.2(1.0)恒载内力+1.4风载内力1.40.7活载内力,3.框架梁内力组合表,4.框架柱内力组合表,活荷载的最不利布置：（1）分跨计算组合法:计算量很大（m层乘n跨），此法过程简单、规则，适用于电脑编程。（2）最不利荷载法:用影响线的方法直接确定产生此最不利内力的活荷载布置。(3)分层组合:以分层法为依据，对于梁，仅考虑本层活荷载的不利布置，对于柱端弯矩，只考虑与该柱相邻层的活荷载的影响。计算柱的最大轴力时，对于与柱不相邻的上层活荷载，仅考虑其轴向力的传递而不考虑其弯矩的作用。（4）满布荷载法:当活荷载产生的内

17、力远小于恒荷载及水平力所产生的内力时（恒载大于活载的3倍以上），可不考虑活荷载的最不利布置，而把活荷载同时作用于所有的框架梁上。但使用满布荷载法时，应对活荷载作用下梁跨中弯矩乘以1.11.2的增大系数。,梁端弯矩调幅：包括两个方面的内容：1）框架中允许梁端出现塑性铰，因此在梁中可以考虑塑性内力重分布，通常在竖向荷载作用下考虑支座调幅以降低支座弯矩；2）对于装配式或装配式整体式框架，由于钢筋焊接及接缝不密实等原因，受力后可能产生节点变形，节点的整体性低于现浇框架，因节点变形而引起梁端弯矩的降低和跨中弯矩增加。调幅方法：对现浇框架，取调幅系数为0.80.9；对装配整体式框架，调幅系数一般取0.70

18、.8。,4.7.1 框架梁截面设计,1.正截面受弯承载力计算（配纵筋）梁端：最大负弯矩 及可能的最大正弯矩；跨中：最大正弯矩 及可能的最大负弯矩。按钢筋混凝土受弯构件正截面承载力设计计算方法进行配筋计算。选配纵筋时，须符合其构造要求。,2.斜截面受剪承载力计算（配箍筋）（1）验算截面尺寸是否符合最小尺寸要求；（2）验算是否可按改造配置箍筋；（3）按承载力计算公式计算所需要的箍筋数量。选配箍筋时，须符合其构造要求。,4.7.2 框架柱截面设计,1.正截面承载力计算（配纵筋）控制截面为柱上、下端，按偏心受压构件设计计算。,控制截面的最不利内力为：柱端的 及相应的、；或 及相应的、；或 及相应的、。,2.斜截面承载力计算（配箍筋）,4.7.2 框架柱截面设计,1.正截面承载力计算（配纵筋）控制截面为柱上、下端，按偏心受压构件设计计算。,控制截面的最不利内力为：柱端的 及相应的、；或 及相应的、；或 及相应的、。,2.斜截面承载力计算（配箍筋）,4.7.3 构造要求,1.框架梁上部纵向钢筋,锚固长度,截断位置：,