第四章多、高層框架結(jié)構

混凝土結(jié)構設計本章內(nèi)容4.1概述4.2框架結(jié)構的結(jié)構布置4.3框架結(jié)構的計算簡圖及荷載4.4豎向荷載作用下框架結(jié)構的內(nèi)力計算4.5水平荷載作用下框架結(jié)構內(nèi)力和側(cè)移的近似計算

4.6荷載效應組合與構件設計4.7框架結(jié)構的構造要求4.8基礎設計4.9剪力墻與框架-剪力墻結(jié)構的受力特征框架：由梁和柱通過節(jié)點連接組成的結(jié)構單元。框架結(jié)構：整個房屋的骨架均由框架組成，即豎向承重體系或抗側(cè)力結(jié)構體系均為框架。4.1概述結(jié)構組成

分類地震區(qū)：多采用梁、柱、板全現(xiàn)澆或梁柱現(xiàn)澆、板預制非地震區(qū)：可采用梁、柱、板均預制裝配式現(xiàn)澆式

裝配整體式

優(yōu)點：平面布置靈活結(jié)構自重較輕計算理論比較成熟缺點：側(cè)向剛度較小，側(cè)移較大。

框架結(jié)構的特點設計時應控制框架結(jié)構的高度和高寬比。框架結(jié)構最大適用高度最大適用高寬比（H/B）非抗震設計70m5抗震設計6度60m47度55m48度（0.20g/0.30g）40m（35m）39度24m——H——室外地面到主要屋面高度。

最大適用高度和高寬比柱網(wǎng)、層高由生產(chǎn)工藝確定常用柱網(wǎng)內(nèi)廊式、等跨式內(nèi)廊式跨度邊跨6～8m，中間跨2～4m等跨式跨度6～12m柱距常6m層高3.6～5.4m柱網(wǎng)和層高根據(jù)建筑使用功能確定住宅、賓館、辦公樓柱網(wǎng)小柱網(wǎng)、大柱網(wǎng)兩類小柱網(wǎng)柱距3.3m，3.6m，4.0m大柱網(wǎng)柱距6.0m，6.6m，7.2m，7.5m常用跨度4.8m，5.4m，6.0m，6.6m，7.2m，7.5m4.2框架結(jié)構的結(jié)構布置4.2.1柱網(wǎng)布置工業(yè)建筑民用建筑4.2.2框架結(jié)構的承重方案橫向框架承重縱向框架承重縱、橫向框架承重主要包括：沉降縫、伸縮縫、防震縫三種。由于設縫給建筑、結(jié)構和設備的設計和施工帶來一定困難，基礎防水也不容易處理。目前的總趨勢是少設縫或不設縫，從總體布置或構造上采取措施來減小沉降、溫度變化或體型復雜造成的不利影響。4.2.3變形縫的設置4.2.3.1伸縮縫由于溫度變化對建筑物造成的危害在其底部數(shù)層和頂部數(shù)層較為明顯，基礎部分基本不受溫度變化的影響，因此，當房屋長度超過規(guī)范規(guī)定的限值時，宜用伸縮縫將上部結(jié)構從頂?shù)交A頂面斷開，分成獨立的溫度區(qū)段。鋼筋混凝土結(jié)構伸縮縫的最大間距宜符合《混凝土結(jié)構設計規(guī)范》（GB50010―2010）表8.1.1的規(guī)定。4.2.3.2沉降縫當上部結(jié)構不同部位的豎向荷載差異較大，或同一建筑物不同部位的地基承載力差異較大時，應設沉降縫將其分成若干獨立的結(jié)構單元，使各部分自由沉降。沉降縫應將建筑物從頂部到基礎底面完全分開。4.2.3.3防震縫位于地震區(qū)的框架結(jié)構房屋體型復雜時，宜設置防震縫。防震縫應有足夠的寬度，以免地震作用下相鄰建筑發(fā)生碰撞。房屋既需設伸縮縫又需設沉降縫時，沉降縫可兼做伸縮縫，兩縫合并設置。對有抗震設防要求的房屋，其伸縮縫和沉降縫均應符合防震縫要求，盡可能做到三縫合一。4.3框架結(jié)構的計算簡圖及荷載4.3.1截面尺寸的確定梁截面尺寸柱截面尺寸框架梁、柱截面尺寸應當根據(jù)構件承載力、剛度及延性等要求確定。先由經(jīng)驗估算截面尺寸；再進行承載力和變形驗算，若不滿足，再調(diào)整截面尺寸，直至滿足。4.3.1.1梁截面尺寸當跨度較大時，為節(jié)省材料和有利于建筑空間，可設計成加腋形式。框架主梁（防止梁發(fā)生剪切破壞）

（保證梁側(cè)向穩(wěn)定）扁梁

柱截面尺寸可直接憑經(jīng)驗確定；根據(jù)其所受軸力按軸心受壓構件估算，再乘以適當?shù)姆糯笙禂?shù)以考慮彎矩的影響。即

構造要求：柱截面邊長不宜小于300mm，圓柱的截面直徑不宜小于350mm，截面高寬比不宜大于3，柱凈

高與截面長邊之比宜大于4，或柱剪跨比宜大于2。按柱支承的樓面面積計算由重力荷載產(chǎn)生的軸力值4.3.1.2柱截面尺寸柱承受的軸向壓力設計值實際框架結(jié)構中，樓板的存在，使梁的剛度加大，在結(jié)構計算中，梁截面慣性矩按樓板的類型來計算。4.3.1.3梁截面慣性矩翼緣有效寬度的確定梁截面慣性矩的確定

翼緣的有效寬度中框架梁邊框架梁現(xiàn)澆式樓面

2.0

1.5裝配整體式樓面

1.5

1.2現(xiàn)澆式樓面可取至6倍板厚度裝配整體式樓面視其整體性可取≤6倍板裝配式樓面樓板作用不予考慮梁截面慣性矩——相應的矩形截面梁的慣性矩4.3.2.1計算單元

4.3.2框架結(jié)構的計算簡圖一般應按三維空間結(jié)構進行分析。對于平面布置較規(guī)則的框架結(jié)構房屋，通常簡化為若干個橫向或縱向平面框架進行分析，每榀平面框架為一計算單元。平模型面框架的計算單元及計算模型4.3.3.2計算簡圖用軸線表示框架梁和柱，用節(jié)點表示梁與柱之間的連接，用節(jié)點間的距離表示梁或柱的長度。柱（除底層外）的計算高度即為各層層高（當各層梁截面尺寸相同時）

底層柱的下端，一般取至基礎頂面；當?shù)叵率艺w剛度很大，且地下室結(jié)構的樓層側(cè)向剛度不小于相鄰上部結(jié)構樓層側(cè)向剛度的2倍時，可取至地下室結(jié)構的頂板處?？蚣芰旱挠嬎憧缍燃礊榭蚣苤S線之間的距離當上、下層柱截面形心軸不重合時，將頂層柱的形心線作為整個柱子的軸線，框架結(jié)構計算單元上、下層柱截面形心軸重合上、下層柱截面形心軸不重合應考慮由上層柱傳來的軸力在變截面處所產(chǎn)生的力矩現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架，假定梁、柱節(jié)點為剛接。4.3.2.3節(jié)點連接的簡化裝配整體式框架，如果梁、柱中的鋼筋在節(jié)點處為焊接或搭接，則可視為剛接節(jié)點.裝配式框架，一般是在構件的適當部位預埋鋼板，安裝就位后再予以焊接，將這種節(jié)點模擬為鉸接或半鉸接。豎向荷載：恒載、樓（屋）面活荷載和雪荷載水平荷載：風荷載、水平地震作用4.3.3荷載計算

恒載恒載的標準值可按設計尺寸與材料自重標準值計算。

樓（屋）面活荷載作用在多高層框架結(jié)構上的樓（屋）面活荷載，可根據(jù)房屋及房間的不同用途按《建筑結(jié)構荷載規(guī)范》取用。

風荷載

雪荷載

4.4豎向荷載作用下框架結(jié)構的內(nèi)力計算分層法彎矩二次分配法結(jié)構力學方法（力法、位移法）；迭代法。4.4.1.1計算假定框架的側(cè)移忽略不計，即不考慮框架結(jié)構的側(cè)移對其內(nèi)力的影響；每層梁上的荷載對其他各層梁、柱內(nèi)力的影響可忽略不計，僅考慮對本層梁及其上、下柱的內(nèi)力的影響。4.4.1分層法

4.4.1.2計算步驟與要點分層（無側(cè)移敞口框架，各柱端均為固定端）計算各敞口框架的桿端彎矩(無側(cè)移框架，彎矩分配法)梁端M：各層計算結(jié)果梁端V、梁跨中M：用靜力平衡條件計算計算桿端M分配系數(shù)、梁固端M。全部節(jié)點不平衡M進行第一次分配。所有桿端M向其遠端傳遞。對新的不平衡M進行第二次分配，使各節(jié)點處于平衡狀態(tài)。各桿端固端M＋分配M＋傳遞M，即得各桿端M。4.4.2彎矩二次分配法

計算步驟4.5水平荷載作用下框架結(jié)構內(nèi)力和側(cè)移的近似計算D

值法反彎點法

門架法

節(jié)點產(chǎn)生側(cè)移和轉(zhuǎn)角，且越靠近底層越大；梁、柱中有反彎點；梁、柱彎矩圖均為直線。4.5.1水平荷載作用下框架結(jié)構的受力及變形特點

關鍵

特點確定層間剪力在各柱間的分配；確定各柱的反彎點位置。水平荷載作用下框架結(jié)構的變形圖及彎矩圖4.5.2D值法4.5.2.1層間剪力在各柱間的分配

框架結(jié)構第i層的層間剪力Vi可表示為

第i層第j柱分配到的剪力Vij

變形條件

物理條件

Dij表示框架結(jié)構第i層第j柱的側(cè)向剛度，其物理意義為框架柱兩端產(chǎn)生單位相對側(cè)移所需的水平剪力。

平衡條件

將物理條件代入平衡條件，考慮變形條件可得將上式代入平衡條件，可得每根柱分配的剪力與其抗側(cè)剛度成比例。4.5.2.2框架柱的側(cè)向剛度一般規(guī)則框架中的柱柱高不等及有夾層的柱一般層底層

規(guī)則框架：層高、跨度、柱線剛度、梁線剛度分別相等。基本假定

一般規(guī)則框架中的柱柱兩端及與之相鄰各桿遠端的轉(zhuǎn)角均相等柱及與之相鄰的上下層柱的弦轉(zhuǎn)角均相等柱及與之相鄰的上下層柱的線剛度均相等框架柱側(cè)向剛度計算圖示柱抗側(cè)移剛度①

一般層

B點：整理，得：兩式相加，得：

可由A、B節(jié)點力矩平衡條件求得:A點：表示節(jié)點兩側(cè)梁平均線剛度與柱線剛度的比值，簡稱梁柱線剛度比。柱側(cè)向剛度修正系數(shù)，反映了節(jié)點轉(zhuǎn)動降低了柱的側(cè)向剛度。節(jié)點轉(zhuǎn)動的大小取決于梁對節(jié)點轉(zhuǎn)動的約束程度。

這表明：梁線剛度越大，對節(jié)點的約束能力越強，節(jié)點轉(zhuǎn)動越小，柱的側(cè)向剛度越大。②底層同理，當?shù)讓又南露藶殂q接時，可得：，式中令則，當取不同值時，通常在(－1)～(－0.67)范圍內(nèi)變化，為簡化計算且在保證精度的條件下，可取，則得故柱側(cè)向剛度修正系數(shù)柱高不等及有夾層的柱

當?shù)讓又杏袀€別柱的高度ha、hb與一般柱的高度不相等時，其層間水平位移對各柱仍是相等的，因此仍可用側(cè)向剛度式計算這些不等高柱的側(cè)向剛度。當同層中有夾層時，對于特殊柱B，其層間水平位移為則B柱的側(cè)向剛度為4.5.2.3柱的反彎點位置

柱的反彎點高度是指柱下端至柱中反彎點的距離。

影響柱反彎點高度的因素上、下橫梁線剛度變化上、下層層高變化框架各柱的反彎點高度比y可用下式表示為：y=yn+y1+y2+y3

反彎點高度比

yn

標準反彎點高度比

y1上、下橫梁線剛度變化時反彎點高度比的修正

y2和y3上、下層層高變化時反彎點高度比的修正值

標準反彎點高度比yn

規(guī)則框架的反彎點高度比。配套教材附表7.1～附表7.3。

上、下橫梁線剛度變化時反彎點高度比的修正值y1，反彎點上移，y1為正

，反彎點下移，y1為負

,取當當,取

上、下層層高變化時反彎點高度比的修正值反彎點上移，y2為正反彎點下移，y2為負反彎點下移，

y3為負反彎點上移，y3為正4.5.2.4計算要點計算框架結(jié)構各層層間剪力對框架每一層，計算各柱的側(cè)向剛度計算每個柱所分配的剪力確定每個柱的反彎點高度比y計算柱上、下端的彎矩根據(jù)節(jié)點平衡條件，計算梁端彎矩根據(jù)梁端彎矩，由平衡條件計算梁端剪力，再進而計算柱軸力。4.5.3反彎點法應用條件：梁的線剛度比柱的線剛度大很多（ib/ic>3）。柱側(cè)向剛度：

反彎點的位置：各柱反彎點位于柱中央，底層近似認為在距底2h/3處。方法與D值法類似，但忽略梁柱節(jié)點轉(zhuǎn)角的影響，更簡單。4.5.4門架法門架法假定所有柱子的反彎點都在柱中點，所有梁的反彎點都在梁跨中；

每根柱子所承擔的層間剪力比例等于該柱支承框架梁的長度與框架總寬度之比。門架法比反彎點法更簡單，但其精度較差。4.5.5框架結(jié)構側(cè)移的計算與控制梁、柱彎曲變形引起的側(cè)移柱軸向變形引起的側(cè)移前者是由水平荷載產(chǎn)生的層間剪力引起的，其側(cè)移

曲線與等截面剪切懸臂柱的剪切變形曲線相似，曲

線凹向結(jié)構的豎軸，層間相對側(cè)移是下大上小，稱

這種變形為框架結(jié)構的總體剪切變形；后者主要是由水平荷載產(chǎn)生的傾覆力矩引起的，側(cè)

移曲線凸向結(jié)構豎軸，其層間相對側(cè)移下小上大，

故稱為框架結(jié)構的總體彎曲變形。框架結(jié)構的剪切型變形框架結(jié)構的彎曲型變形

4.5.5.1彎曲變形引起的側(cè)移第i層層間相對側(cè)移

第i層樓面標高處側(cè)移框架頂點側(cè)移

4.5.5.2軸向變形引起的側(cè)移計算較復雜，可借助計算機用矩陣位移法求得精確值，也可用近似方法。一般采用連續(xù)積分法，該法假定水平荷載只在邊柱中產(chǎn)生軸力及軸向變形。

頂點位移V0——結(jié)構底部總剪力；F(b)——與b有關的函數(shù)，根據(jù)荷載作用形式不同選擇不同公式計算，詳見配套教材。4.5.5.3水平位移控制框架結(jié)構的側(cè)向剛度宜合適，不過大或過小，一般以使結(jié)

構滿足層間位移限值為宜。

層間位移角限值，框架取1/550，其確定原則為：

Δu/h≤[Δu/h]

保證主體結(jié)構基本處于彈性受力狀態(tài)。即柱不出現(xiàn)

裂縫；梁等樓面構件的裂縫限制在規(guī)范允許范圍之內(nèi)。保證填充墻、隔墻和幕墻等非結(jié)構構件的完好，避免

產(chǎn)生明顯裂縫和破壞。4.6荷載效應組合與構件設計4.6.1荷載效應組合框架結(jié)構在各種荷載作用下的荷載效應（內(nèi)力、位移等）確定之后，必須進行荷載效應組合，才能求得框架梁、柱各控制截面的最不利內(nèi)力。4.6.1.1控制截面及最不利內(nèi)力及相應的框架梁梁端跨中框架柱上、下端及相應的及相應的及相應的內(nèi)力組合前應將各種荷載作用下柱軸線處梁的彎矩值換算到柱邊緣處。梁端的控制截面

4.6.1.2活荷載的不利布置樓面活荷載是隨機作用于結(jié)構上的豎向荷載，設計中，一般按下述方法確定框架結(jié)構樓面活荷載的最不利布置。布置法最不利布置法逐層逐跨布置法布置方法

框架桿件的變形曲線框架結(jié)構活荷載不利布置示例4.6.1.3效應組合由于框架結(jié)構的側(cè)移主要是由水平荷載引起的，通常不考慮豎向荷載對側(cè)移的影響，所以荷載效應組合實際上是指內(nèi)力組合?？紤]設計使用年限為50年時，4.6.2構件設計4.6.2.1框架梁

受彎構件正截面受彎承載力計算：確定縱筋數(shù)量。

受彎構件斜截面受剪承載力計算：確定箍筋數(shù)量。梁端調(diào)幅考慮梁端塑性變形內(nèi)力重分布，對豎向荷載作用下梁端負彎矩進行調(diào)幅。負彎矩調(diào)幅系數(shù)現(xiàn)澆式：可取0.8～0.9裝配整體式：可取0.7～0.8（節(jié)點處鋼筋焊接、錨固、接縫不密實等，節(jié)點整體性不如現(xiàn)澆）調(diào)幅原因避免梁支座負鋼筋過分擁擠抗震結(jié)構中形成梁鉸破壞機構增加結(jié)構的延性跨中彎矩應按平衡條件相應增大4.6.2.2框架柱柱截面最不利內(nèi)力的選取偏心受壓構件正截面受壓承載力計算：確定縱筋數(shù)量偏心受壓構件斜截面受剪承載力計算：確定箍筋數(shù)量大偏心受壓組：M相差不多時，N越小越不利小偏心受壓組：M相差不多時，N越大越不利

N相差不多時，M越大越不利N相差不多時，M越大越不利樓蓋類型柱的類別l0現(xiàn)澆樓蓋底層柱1.0H其余各層柱1.25H裝配式樓蓋底層柱1.25H其余各層柱1.5H框架柱計算長度4.6.2.3疊合梁疊合梁示意圖在裝配整體式框架中，為了節(jié)約模板，方便施工，并增強結(jié)構的整體性，框架的橫梁常采用二次澆搗混凝土。4.7框架結(jié)構的構造要求4.7.1框架梁

縱筋

箍筋最小配筋率最大配筋率頂面和底面沿全長應至少各配置兩根縱筋，直徑不

應小于12mm。應沿框架梁全長設置箍筋。箍筋的直徑、間距、配筋率等要求與一般梁的相同。4.7.2框架柱4.7.2.1柱縱向鋼筋的構造要求形式宜對稱配筋，直徑不宜小于12mm全部縱筋配筋率采用HRB400、HRBF400時，≥0.55%；采用HRB500、HRBF500時，≥0.5%;＞C60時，應將上述兩值分別增加0.1%；不宜＞5%每一側(cè)縱筋配筋率不應＜0.2%間距不宜＞300mm，凈距不應＜50mm連接不應與箍筋、拉筋及預埋件等焊接4.7.2.2柱箍筋的構造措施

柱箍筋形式4.7.3梁柱節(jié)點

箍筋構造：節(jié)點內(nèi)的箍筋應符合框架柱箍筋的構造要求，

且其箍筋間距不宜大于250mm。

連接要求：在保證結(jié)構整體受力性能的前提下，連接形式

力求簡單，傳力直接，受力明確。梁柱節(jié)點處于剪壓復合受力狀態(tài)，為保證節(jié)點具有足夠的受剪承載力，防止節(jié)點產(chǎn)生剪切脆性破壞，必須在節(jié)點內(nèi)配置足夠數(shù)量的水平箍筋。4.7.4鋼筋連接與錨固梁上部縱向鋼筋梁下部縱向鋼筋頂層中節(jié)點柱縱向鋼筋和邊節(jié)點柱內(nèi)側(cè)縱向鋼筋頂層端節(jié)點處柱外側(cè)縱向鋼筋中間層中間節(jié)點處梁上、下部縱向鋼筋4.8基礎設計4.8.1基礎形式的選擇

基礎類型：柱下獨立基礎、條形基礎、十字交叉條形基

礎、筏形基礎、箱形基礎和樁基礎等。

基礎選擇原則：應根據(jù)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、上部

結(jié)構的層數(shù)和荷載大小、上部結(jié)構對地

基土不均勻沉降以及傾斜的敏感程度、

施工條件等因素，選擇合理的基礎型式。基礎類型4.8.2條形基礎4.8.2.1基礎尺寸確定構造要求基礎高度肋梁寬度翼板厚度

柱下條形基礎的尺寸和構造

當基底壓力為梯形分布時翼板寬度計算

基底壓力均勻分布時，直接按上式計算先按上式求出bf，并將bf乘以增大系數(shù)1.2~1.4；然后根據(jù)求出的bf計算得出基底壓力；進行地基承載力驗算；如不滿足要求，則可調(diào)整bf，直至滿足為止。4.8.2.2地基承載力驗算

荷載效應標準組合4.8.2.3基礎內(nèi)力分析

倒梁法假定條形基礎的基底反力為直線分布，把柱子作為不動鉸支座，基底凈反力作為荷載，支座之間不產(chǎn)生相對豎向位移，將基礎視為一倒置的連續(xù)梁進行內(nèi)力分析。按倒梁法求得的條形基礎梁邊跨跨中彎矩及第一內(nèi)支

座的彎矩值宜乘以1.2的系數(shù)；用倒梁法計算所得的支座反力一般不等于原先用以計

算基底凈反力的豎向柱荷載。若二者相差超過工程容

許范圍，可做必要的調(diào)整；在基底凈壓力作用下，倒T形截面的基礎梁，其翼板的

最大彎矩和剪力發(fā)生在肋梁邊緣截面，可沿基礎梁長

度方向取單位板寬，按倒置的懸臂板計算內(nèi)力。4.8.2.4配筋計算與構造

（4.43）肋梁應進行正截面受彎承載力計算翼板的受力鋼筋按懸臂板根部彎矩計算肋梁配筋翼板配筋4.8.3十字交叉條形基礎

基礎特點：由柱網(wǎng)下的縱橫兩組條形基礎組成，在條形基

礎的交叉點處承受上部結(jié)構傳來的集中荷載

和彎矩。

內(nèi)力計算：精確計算較復雜，工程中多采用簡化方法。對于彎矩不予分配，由彎矩所在平面的單向條形基礎