多层和高层框架结构

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1、混凝土结构设计 (第3章电子教案),进入,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,第3章 多层和高层框架结构设计,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,本章重点,了解框架结构的特点和适用范围； 熟悉框架结构的布置原则与方法； 掌握框架结构在竖向和水平荷载作用下的内力计算方法； 掌握框架结构的内力组合原则与方法； 熟悉框架结构在水平荷载作用下的侧移验 算方法； 熟悉梁、柱的配筋计算和构造要求。,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,12层 310层 10层或28m,房屋按高度和层数分类,低层,多层,高层,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,

2、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3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3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,3.2.1 结构布置的一般原则,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3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,平面布置,混凝土结构设计,第3章,主

3、页,目 录,上一章,帮 助,竖向布置,混凝土结构设计,第3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3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。 非抗震时使用,横向布置,混凝土结构设计,第3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3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,特点： 整体性

4、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,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

5、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。 fc 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

6、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

7、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

8、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。,3 竖向荷载作用下框架内力计算方法,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,引言：弯矩二次分

9、配法,简言：弯矩二次分配法,混凝土结构设计,第3章,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，

10、为减少计算误差，除底层柱 外，上层各柱的线刚度乘以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。 可考虑梁端塑性变形内力重分布对梁端负弯矩进行调幅，现浇框架调幅0.80.9,装配式框架0.70.8. 梁端负弯矩减小后，按平衡条件计算调幅后跨中弯矩，但M=(g+q)l2/16

11、竖向荷载作用下的梁端弯矩先调幅再与水平荷载作用内力组合得出控制截面内力。,分层法例题,步骤总结,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,3-9,（2）迭代法,1.不考虑框架侧移时,注意：一端铰接时线刚度乘以3/4修正,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MFik ，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MFi，把它写在该节点的内框中；,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

12、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,（2）迭代法,2.考虑框架侧移时,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）,A计算荷载作用下各杆端产生的固端弯矩MFik ，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MFi，把它写在该节点的内框中。B求出各层楼层力矩Mr=WrHr/3,写在该层左侧框中；,迭代：先假定转角弯矩为0，由上3-10式逐层计算出侧移弯矩的第一次近似值，然后按3-9式求出各节点杆端转角弯矩的第一次近似值，继续迭代；,3-9,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮

13、助,按下式计算每一杆端的最后弯矩值，即 或 竖柱才有 ，横梁 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。,迭代法例题1,见教材234页,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。,（3）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

14、； 框架梁上恒载与活载设计值之和； 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,

15、目 录,上一章,帮 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

16、页,目 录,上一章,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

17、录,上一章,帮 助,（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

18、相比： 相同之处 先确定反弯点位置 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

19、,（1）基本假定,梁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,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 Vmax及相应的M、N,

20、混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,由图可见： 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, 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,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, S=1.35恒载内力+1.40.7活载内力1.40.6风载内力,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮

21、助,框架在水平荷载作用下的侧移由梁柱弯曲变形和柱的轴向变形产生。一般情况下，可只考虑由于梁柱弯曲变形产生的侧移。,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,进行框架结构设计时，框架梁、柱的正截面和斜面 截面的配筋计算可按混凝土结构设计原理中的钢筋 混凝土受弯和偏心受压构件的配筋计算方法计算。 在配筋计算的过程中，有以下问题需注意： 当楼板与框架整体浇灌时，梁的跨中应按T形截面计算，支座处按矩形截面计算。,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,梁端破坏时，破坏截面位于柱的边缘处，梁端的控制截面在柱边，应以柱边的弯矩和剪力值作为配筋计算的内力值：,混凝土结构设计,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,有次梁时注意配附加钢箍或设吊筋； 柱上端控制截面在梁底，柱下端控制截面在梁顶。为了简化计算，可采用轴线处内力值； 柱的计算长度按教材附录11确定； 框架柱一般采用对称配筋，除平面内按偏心受压构件计算外，还要进行平面外按轴心受压构件的验算； 当偏心距e00.55h0时，尚应进行裂缝宽度验算。,