混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計框架結(jié)構(gòu)PPT課件

1、 1結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)框架結(jié)構(gòu)由梁、柱構(gòu)件通過節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)成，如整幢房屋均采用這種結(jié)構(gòu)形式，則稱為框架結(jié)構(gòu)體系或框架結(jié)構(gòu)房屋?？蚣芙Y(jié)構(gòu)平面布置和剖面示意圖第1頁/共65頁按施工方法不同，框架結(jié)構(gòu)可分為現(xiàn)澆式、裝配式和裝配整體式三種。（1）框架結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)在豎向荷載和水平荷載作用下，框架結(jié)構(gòu)各構(gòu)件將產(chǎn)生內(nèi)力和變形?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的側(cè)移一般由兩部分組成：由水平力引起的樓層剪力，使梁、柱構(gòu)件產(chǎn)生彎曲變形，形成框架結(jié)構(gòu)的整體剪切變形us；由水平力引起的傾覆力矩，使框架柱產(chǎn)生軸向變形（一側(cè)柱拉伸，另一側(cè)柱壓縮），形成框架結(jié)構(gòu)的整體彎曲變形ub。當(dāng)框架結(jié)構(gòu)房屋的層數(shù)不多時，其側(cè)移主要表現(xiàn)為整體剪切變形，整體彎曲變形

2、的影響很小。 第2頁/共65頁框架結(jié)構(gòu)的側(cè)移第3頁/共65頁（2）框架結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)缺點(diǎn)建筑平面布置靈活，能獲得大空間（特別適用于商場、餐廳等），也可按需要做成小房間； 建筑立面容易處理；結(jié)構(gòu)自重較輕； 計算理論比較成熟； 在一定高度范圍內(nèi)造價較低。 框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度較小，水平荷載作用下側(cè)移較大，有時會影響正常使用；如果框架結(jié)構(gòu)房屋的高寬比較大，則水平荷載作用下的側(cè)移也較大，而且引起的傾覆作用也較嚴(yán)重。 因此，設(shè)計時應(yīng)控制房屋的高度和高寬比。第4頁/共65頁2結(jié)構(gòu)布置 框架結(jié)構(gòu)布置主要是確定柱在平面上的排列方式（柱網(wǎng)布置）和選擇結(jié)構(gòu)承重方案，這些均必須滿足建筑平面及使用要求，同時也須使結(jié)構(gòu)受力

3、合理，施工簡單。民用建筑柱網(wǎng)布置第5頁/共65頁框架結(jié)構(gòu)的承重方案 1）橫向框架承重。 主梁沿房屋橫向布置，板和連系梁沿房屋縱向布置。 2）縱向框架承重。 主梁沿房屋縱向布置，板和連系梁沿房屋橫向布置。 3）縱、橫向框架承重。 房屋的縱、橫向都布置承重框架 ，樓蓋常采用現(xiàn)澆雙向板或井字梁樓 蓋。第6頁/共65頁框架結(jié)構(gòu)的承重方案第7頁/共65頁梁端水平加腋處平面圖在框架結(jié)構(gòu)布置中，梁、柱軸線宜重合，如梁須偏心放置時，梁、柱中心線之間的偏心距不宜大于柱截面在該方面寬度的1/4。如偏心距大于該方向柱寬的1/4時，可增設(shè)梁的水平加腋。試驗(yàn)表明，此法能明顯改善梁柱節(jié)承受反復(fù)荷載的性能。 bx / lx

4、 1/2 ， bx / bb 2/3 ， bb + bx + x bc/2梁水平加腋厚度可取梁截面高度，其水平尺寸宜滿足下列要求：第8頁/共65頁 梁水平加腋后，改善了梁柱節(jié)點(diǎn)的受力性能，故節(jié)點(diǎn)有效寬度bj宜按下列規(guī)定取值： 當(dāng)x = 0時，bj按下式計算： 當(dāng)x0時，bj取下列二式計算的較大值： 且應(yīng)滿足bj bb + 0.5hc，其中hc為柱截面高度。bj bb + bxbj bb + bx + x bj bb + 2x第9頁/共65頁1 框架結(jié)構(gòu)的計算簡圖及荷載 梁、柱截面尺寸框架梁、柱截面尺寸應(yīng)根據(jù)承載力、剛度及延性等要求確定。初步設(shè)計時，通常由經(jīng)驗(yàn)或估算先選定截面尺寸，以后進(jìn)行承載力

5、、變形等驗(yàn)算，檢查所選尺寸是否合適。 梁截面尺寸確定 框架結(jié)構(gòu)中框架梁的截面高度hb可根據(jù)梁的計算跨度lb、活荷載大小等，按hb = (1/181/8)lb確定。為了防止梁發(fā)生剪切脆性破壞，hb不宜大于1/4凈跨。主梁截面寬度可取bb = (1/41/2)hb，且不宜小于200mm。為了保證梁的側(cè)向穩(wěn)定性，梁截面的高寬比（hb/bb）不宜大于4。 第10頁/共65頁為了降低樓層高度，可將梁設(shè)計成寬度較大而高度較小的扁梁，扁梁的截面高度可按 (1/181/25)lb估算。扁梁的截面寬度b（肋寬）與其高度h的比值b/h不宜超過3。第11頁/共65頁 柱截面尺寸 柱截面尺寸可直接憑經(jīng)驗(yàn)確定，也可先根

6、據(jù)其所受軸力按軸心受壓構(gòu)件估算，再乘以適當(dāng)?shù)姆糯笙禂?shù)以考慮彎矩的影響。即式中 Ac為柱截面面積；N為柱所承受的軸向壓力設(shè)計值；Nv為根據(jù)柱支承的樓面面積計算由重力荷載產(chǎn)生的軸向力值；1.25為重力荷載的荷載分項(xiàng)系數(shù)平均值；重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值可根據(jù)實(shí)際荷載取值，也可近似按（1214）kN/m2計算；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值。 Ac (1.11.2)N / fc N = 1.25Nv第12頁/共65頁框架柱的截面寬度和高度均不宜小于300mm，圓柱截面直經(jīng)不宜小于350mm，柱截面高寬比不宜大于3。為避免柱產(chǎn)生剪切破壞，柱凈高與截面長邊之比宜大于4，或柱的剪跨比宜大于2。梁截面慣性矩 在結(jié)構(gòu)內(nèi)力

7、與位移計算中，與梁一起現(xiàn)澆的樓板可作為框架梁的翼緣，每一側(cè)翼緣的有效寬度可取至板厚的6倍；裝配整體式樓面視其整體性可取等于或小于6倍；無現(xiàn)澆面層的裝配式樓面，樓板的作用不予考慮。 設(shè)計中，為簡化計算，也可按下式近似確定梁截面慣性矩I：0II第13頁/共65頁第14頁/共65頁第15頁/共65頁2框架結(jié)構(gòu)的計算簡圖計算單元 框架結(jié)構(gòu)的計算單元及計算模型第16頁/共65頁框架結(jié)構(gòu)房屋是空間結(jié)構(gòu)體系，一般應(yīng)按三維空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。但對于平面布置較規(guī)則的框架結(jié)構(gòu)房屋，為了簡化計算，通常將實(shí)際的空間結(jié)構(gòu)簡化為若干個橫向或縱向平面框架進(jìn)行分析，每榀平面框架為一計算單元。 就承受豎向荷載而言，當(dāng)橫向（縱向）

8、框架承重，且在截取橫向（縱向）框架計算時，全部豎向荷載由橫向（縱向）框架承擔(dān)，不考慮縱向（橫向）框架的作用。當(dāng)縱、橫向框架混合承重時，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同特點(diǎn)進(jìn)行分析，并對豎向荷載按樓蓋的實(shí)際支承情況進(jìn)行傳遞，這時豎向荷載通常由縱、橫向框架共用承擔(dān)。第17頁/共65頁框架結(jié)構(gòu)計算簡圖第18頁/共65頁變截面柱框架結(jié)構(gòu)的計算簡圖第19頁/共65頁底層柱中層柱頂層柱第20頁/共65頁裝配式框架的鉸節(jié)點(diǎn)框架柱與基礎(chǔ)的連接第21頁/共65頁框架結(jié)構(gòu)上的荷載 作用在多、高層建筑結(jié)構(gòu)上的荷載有豎向荷載和水平荷載。豎向荷載包括恒載和樓（屋）面活荷載，水平荷載包括風(fēng)荷載和水平地震作用。恒載第22頁/共65頁樓面活

9、荷載 作用在多、高層框架結(jié)構(gòu)上的樓面活荷載，可根據(jù)房屋及房間的不同用途按荷載規(guī)范取用。應(yīng)該指出，荷載規(guī)范規(guī)定的樓面活荷載值，是根據(jù)大量調(diào)查資料所得到的等效均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值，且是以樓板的等效均布活荷載作為樓面活荷載。第23頁/共65頁風(fēng)荷載 當(dāng)計算主要承重結(jié)構(gòu)時，垂直于建筑物表面的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值仍按廠房風(fēng)荷載計算公式計算，對于多、高層框架結(jié)構(gòu)房屋，式中的計算參數(shù)應(yīng)按規(guī)定采用。式中 基本風(fēng)壓值（kN/m2），是以當(dāng)?shù)乇容^空曠平坦地面上離 高度z處的風(fēng)振系數(shù)； 風(fēng)壓高度變化系數(shù)； 風(fēng)荷載體型系數(shù)。 zzs0w地10m高處統(tǒng)計所得的50年一遇10分鐘平均最大風(fēng)速為標(biāo)準(zhǔn)確定的風(fēng)壓值；ks0 zzww第24

10、頁/共65頁1豎向荷載作用下框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力的近似計算在豎向荷載作用下，多、高層框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力可用力法、位移法等結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計算。工程設(shè)計中，如采用手算，可采用迭代法、分層法、彎矩二次分配法及系數(shù)法等近似方法計算。分層法豎向荷載作用下框架結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)及內(nèi)力計算假定：（1）不考慮框架結(jié)構(gòu)的側(cè)移對其內(nèi)力的影響；（2）每層梁上的荷載僅對本層梁及其上、下柱的內(nèi)力產(chǎn)生影響，對其他各層梁、柱內(nèi)力的影響可忽略不計。 應(yīng)當(dāng)指出，上述假定中所指的內(nèi)力不包括柱軸力，因?yàn)槟硨恿荷系暮奢d對下部各層柱的軸力均有較大影響，不能忽略。第25頁/共65頁豎向荷載作用下分層計算示意圖第26頁/共65頁（1）將多層框架沿高度分成若

11、干單層無側(cè)移的敞口框架，每個敞口框架包括本層梁和與之相連的上、下層柱。梁上作用的荷載、各層柱高及梁跨度均與原結(jié)構(gòu)相同。分層法計算要點(diǎn)第27頁/共65頁（2）除底層柱的下端外，其他各柱的柱端應(yīng)為彈性約束。為便于計算，均將其處理為固定端。這樣將使柱的彎曲變形有所減小，為消除這種影響，可把除底層柱以外的其他各層柱的線剛度乘以修正系數(shù)0.9。 分層法計算要點(diǎn)第28頁/共65頁（3）用無側(cè)移框架的計算方法（如彎矩分配法）計算各敞口框架的桿端彎矩，由此所得的梁端彎矩即為其最后的彎矩值；因每一柱屬于上、下兩層，所以每一柱端的最終彎矩值需將上、下層計算所得的彎矩值相加。在上、下層柱端彎矩值相加后，將引起新的節(jié)

12、點(diǎn)不平衡彎矩，如欲進(jìn)一步修正，可對這些不平衡彎矩再作一次彎矩分配。（4）在桿端彎矩求出后，可用靜力平衡條件計算梁端剪力及梁跨中彎矩；由逐層疊加柱上的豎向荷載（包括節(jié)點(diǎn)集中力、柱自重等）和與之相連的梁端剪力，即得柱的軸力。第29頁/共65頁 如用彎矩分配法計算各敞口框架的桿端彎矩，在計算每個節(jié)點(diǎn)周圍各桿件的彎矩分配系數(shù)時，應(yīng)采用修正后的柱線剛度計算；并且底層柱和各層梁的傳遞系數(shù)均取1/2，其他各層柱的傳遞系數(shù)改用1/3。第30頁/共65頁彎矩二次分配法具體計算步驟：（1）根據(jù)各桿件的線剛度計算各節(jié)點(diǎn)的桿端彎矩分配系數(shù)，并計算豎向荷載作用下各跨梁的固端彎矩。 （2）計算框架各節(jié)點(diǎn)的不平衡彎矩，并對

13、所有節(jié)點(diǎn)的不平衡彎矩同時進(jìn)行第一次分配（其間不進(jìn)行彎矩傳遞）。（3）將所有桿端的分配彎矩同時向其遠(yuǎn)端傳遞（對于剛接框架，傳遞系數(shù)均取1/2）。 （4）將各節(jié)點(diǎn)因傳遞彎矩而產(chǎn)生的新的不平衡彎矩進(jìn)行第二次分配，使各節(jié)點(diǎn)處于平衡狀態(tài)。 至此，整個彎矩分配和傳遞過程即告結(jié)束。 （5）將各桿端的固端彎矩、分配彎矩和傳遞彎矩疊加，即得各桿端彎矩。第31頁/共65頁8m4.5mAqqq8m4.2m4.2mB梁和柱的線剛度均為1，各層均布荷載q=20kN/m，用分層法繪出AB梁的彎矩圖1.求梁的固端彎矩mkNqlM67.106820121121222.彎矩分配法求梁端彎矩AB0.9/1.91/1.950.53

14、56.1428.07-106.67-106.67-50.53-78.60第32頁/共65頁3.繪彎矩圖AB0.9/1.91/1.950.5356.1428.07-106.67-106.67-50.53-78.60AB50.5378.60ql2/8mkNMMqlMBA44.952812跨中彎矩：第33頁/共65頁系數(shù)法（Approximate analysis by coefficients）此法是統(tǒng)一建筑規(guī)范（Uniform Building Code）中介紹的方法，在國際上被廣泛采用，只要給出荷載、框架梁的計算跨度和支承情況，就可很方便地計算出框架梁、柱各控制截面內(nèi)力。 采用系數(shù)法需滿足的前

15、提條件： 兩個相鄰跨的跨長相差不超過短跨跨長的20%； 恒載與活載之比不大于3； 荷載均勻布置； 框架梁截面為矩形。第34頁/共65頁系數(shù)法近似計算步驟： 框架梁的內(nèi)力 彎矩系數(shù)；u 框架梁上恒載與活荷載設(shè)計值之和； lu 凈跨跨長1. 彎矩2uulM2. 剪力uulV 剪力系數(shù)；第35頁/共65頁系數(shù)法近似計算步驟： 框架柱的內(nèi)力 按照系數(shù)法，框架柱的軸力可以按露面單位面積上恒載與活荷載設(shè)計之和乘以該柱的負(fù)荷面積計算，此時，可近似地將樓面板沿柱軸線之間的中線劃分，且活荷載值可以按荷載規(guī)范規(guī)定折減。1. 軸力2. 彎矩 框架柱在豎向荷載作用下的彎矩，可以按照節(jié)點(diǎn)處框架梁的端彎矩最大差值平均分配

16、給上柱和下柱的柱端。當(dāng)橫梁不在立柱形心線上時，要考慮由于偏心引起的不平衡彎矩，并將這個彎矩也平均分配給上、下柱柱端。 系數(shù)法的優(yōu)點(diǎn)：計算簡單，不必事先假定梁和柱的截面尺寸第36頁/共65頁水平荷載作用下框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和側(cè)移可用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計算，常用的近似算法有反彎點(diǎn)法、D值法等。2水平荷載作用下框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力近似方法1反彎點(diǎn)法（1）反彎點(diǎn)的位置第37頁/共65頁（2）反彎點(diǎn)處的剪力計算反彎點(diǎn)處的彎矩為零，剪力不為零 頂層 0 xF3332313VVVF333iiDViDF3333333FDDVjiiD 柱的側(cè)剛度231212hihEID第38頁/共65頁 中間層23222FFDDVjii第39

17、頁/共65頁 底層123111FFFDDVjii第40頁/共65頁（3）框架的彎矩 求各柱柱端彎矩iicyVM1柱下端：iiicyhVM2柱上端： 由節(jié)點(diǎn)平衡求梁端彎矩cbMM 21ccbMMM212111ccbbbbMMiiiM212122ccbbbbMMiiiM第41頁/共65頁2D值法第42頁/共65頁BABAliuliulililiV612126622需考慮柱本身剛度和上、下層梁剛度的影響節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動會降低柱的抗側(cè)移能力212hiDc節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動影響系數(shù)（修正系數(shù)）第43頁/共65頁第44頁/共65頁柱高不等及有夾層的柱 2212bacbBhhhiDcc222211111hhDhhDDB第4

18、5頁/共65頁柱的反彎點(diǎn)高度 yh框架各柱的反彎點(diǎn)高度比y可用下式表示： 式中：yn表示標(biāo)準(zhǔn)反彎點(diǎn)高度比；y1表示上、下層橫梁線剛度變化時反彎點(diǎn)高度比的修正值；y2、y3表示上、下層層高變化時反彎點(diǎn)高度比的修正值。反彎點(diǎn)高度示意圖y = yn + y1 + y2 + y3第46頁/共65頁3框架結(jié)構(gòu)側(cè)移的近似計算水平荷載作用下框架結(jié)構(gòu)的側(cè)移，可以看作由梁、柱彎曲變形引起的側(cè)移和由柱軸向變形引起的側(cè)移的疊加。前者是由水平荷載產(chǎn)生的層間剪力引起的，后者主要是由水平荷載產(chǎn)生的傾覆力矩引起的。nijijDFu1mjjruu1第47頁/共65頁5框架結(jié)構(gòu)的水平位移控制框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度過小，水平位移過大

19、，將影響正常使用；側(cè)向剛度過大，水平位移過小，雖滿足使用要求，但不滿足經(jīng)濟(jì)性要求。因此，框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度宜合適，一般以使結(jié)構(gòu)滿足層間位移限值為宜。我國高層規(guī)程規(guī)定，按彈性方法計算的樓層層間最大位移與層高之比u/h宜小于其限值u/h，即：u/h表示層間位移角限值，對框架結(jié)構(gòu)取1/550；h為層高。由于變形驗(yàn)算屬正常使用極限狀態(tài)的驗(yàn)算，所以計算u時，各作用分項(xiàng)系數(shù)均應(yīng)采用1.0，混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面剛度可采用彈性剛度。另外，樓層層間最大位移u以樓層最大的水平位移差計算，不扣除整體彎曲變形。u/h u/h 第48頁/共65頁6荷載效應(yīng)組合（1）控制截面及最不利內(nèi)力框架柱控制截面最不利內(nèi)力組合一般有

20、以下幾種： 1）|M|max及相應(yīng)的N和V； 2）|N|max及相應(yīng)的M和V； 3）Nmin及相應(yīng)的M和V； 4）|V|max及相應(yīng)的N。 這四組內(nèi)力組合的前三組用來計算柱正截面受壓承載力，以確定縱向受力鋼筋數(shù)量；第四組用以計算斜截面受剪承載力，以確定箍筋數(shù)量。第49頁/共65頁梁端的控制截面第50頁/共65頁（2）荷載的不利布置框架桿件的變形曲線活荷載最不利荷載布置法 第51頁/共65頁對于高層框架結(jié)構(gòu)，荷載效應(yīng)組合的設(shè)計值應(yīng)按下式確定： （3）荷載效應(yīng)組合WQ,分別為樓面活荷載組合值系數(shù)和風(fēng)荷載組合值系數(shù)，當(dāng)永久荷載效應(yīng)起控制作用時應(yīng)分別取0.7和0.0；當(dāng)可變荷載效應(yīng)起控制作用時應(yīng)分別取

21、1.0和0.6或0.7和1.0。 第52頁/共65頁第53頁/共65頁（1）框架梁2構(gòu)件設(shè)計為了避免梁支座處抵抗負(fù)彎矩的鋼筋過分擁擠，以及在抗震結(jié)構(gòu)中形成梁鉸破壞機(jī)構(gòu)增加結(jié)構(gòu)的延性，可以考慮框架梁端塑性變形內(nèi)力重分布，對豎向荷載作用下梁端負(fù)彎矩進(jìn)行調(diào)幅。對現(xiàn)澆框架梁，梁端負(fù)彎矩調(diào)幅系數(shù)可取0.80.9；對于裝配整體式框架梁，由于梁柱節(jié)點(diǎn)處鋼筋焊接、錨固、接縫不密實(shí)等原因，受力后節(jié)點(diǎn)各桿件產(chǎn)生相對角變，其節(jié)點(diǎn)的整體性不如現(xiàn)澆框架，故其梁端負(fù)彎矩調(diào)幅系數(shù)可取0.70.8。第54頁/共65頁框架梁端截面負(fù)彎矩調(diào)幅后，梁跨中截面彎矩應(yīng)按平衡條件相應(yīng)增大。截面設(shè)計時，框架梁跨中截面正彎矩設(shè)計值不應(yīng)小于豎

22、向荷載作用下按簡支梁計算的跨中截面彎矩設(shè)計值的50%。 應(yīng)先對豎向荷載作用下的框架梁彎矩進(jìn)行調(diào)幅，再與水平荷載產(chǎn)生的框架梁彎矩進(jìn)行組合。第55頁/共65頁（2）框架柱柱截面最不利內(nèi)力的選取框架柱的計算長度l0Hll)(15. 01u0Hl)2 . 02(min0柱的配筋計算中，需要確定柱的計算長度l0?；炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范規(guī)定，l0可按下列規(guī)定確定： 1）一般多層房屋中梁柱為剛接的框架結(jié)構(gòu)，各層柱的計算長度l0按表取用。 2）當(dāng)水平荷載產(chǎn)生的彎矩設(shè)計值占總彎矩設(shè)計值的75%以上時，框架柱的計算長度l0可按下列兩個公式計算，并取其中的較小值： 第56頁/共65頁 框架結(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求（）框架梁1梁縱

23、向鋼筋的構(gòu)造要求梁縱向受拉鋼筋的數(shù)量除按計算確定外，還必須考慮溫度、收縮應(yīng)力所需要的鋼筋數(shù)量，以防止梁發(fā)生脆性破壞和控制裂縫寬度?？v向受拉鋼筋的最小配筋百分率和最大配筋率要求。沿梁全長頂面和底面應(yīng)至少各配置兩根縱向鋼筋，鋼筋的直徑不應(yīng)小于12mm?？蚣芰旱目v向鋼筋不應(yīng)與箍筋、拉筋及預(yù)埋件等焊接。2梁箍筋的構(gòu)造要求 應(yīng)沿框架梁全長設(shè)置箍筋。箍筋的直徑、間距及配筋率等要求與一般梁的相同，可參見混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理12第6章中的 有關(guān)內(nèi)容。第57頁/共65頁（） 框架柱 柱箍筋形式示例第58頁/共65頁（）梁柱節(jié)點(diǎn)（beam-column joints）1）現(xiàn)澆梁柱節(jié)點(diǎn)梁柱節(jié)點(diǎn)處于剪壓復(fù)合受力狀態(tài)，為保證節(jié)點(diǎn)具有足夠的受剪承載力，防止節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生剪切脆性破壞，必須在節(jié)點(diǎn)內(nèi)配置足夠數(shù)量的水平箍筋。節(jié)點(diǎn)內(nèi)的箍筋除應(yīng)符合