第章框架结构设计PPT课件

1、4.1 4.1 框架结构概念设计框架结构概念设计一一框架结构的概念框架结构的概念框架结构是指由梁柱杆系构件构成， 能够承受竖向和水平荷载作用的承重结构体系。一般情况下， 框架结构应设计成双向梁柱抗侧力体系，主体结构除个别部位外不应采用铰接。抗震设计时， 为协调变形和合理分配内力框架结构不宜设计成单跨结构。二二框架结构的受力变形特点框架结构的受力变形特点1. 竖向荷载作用下的受力特点竖向荷载作用下， 框架结构以梁受弯为主要受力特点， 梁端弯矩和跨中弯矩成为梁结构的控制内力。第1页/共96页4.1 4.1 框架结构概念设计框架结构概念设计 一般情况下， 梁端抗弯承载力首先达到其极限承载力， 出现塑

2、性铰区域， 相应地梁端截面转角位移显著加大， 内力向跨中发生转移， 导致跨中弯矩进一步提高， 跨中挠曲变形增大。 因此在竖向荷载作用下， 框架结构基于承载能力极限状态的设计主要是框架梁控制截面（梁端和跨中截面） 的抗弯承载力的设计， 基于正常使用极限状态的设计主要是梁跨中挠曲变形的验算。 框架柱主要是以受压为主的承载构件， 其水平侧移可以忽略不计。2. 水平荷载作用下的受力变形特点 水平荷载作用下， 框架柱承担水平剪力和柱端弯矩， 并由此产生水平侧移。 第2页/共96页4.1 4.1 框架结构概念设计框架结构概念设计 在梁柱节点处， 由于协调变形使梁端产生弯矩和剪力， 故此时柱控制内力是产生于

3、柱上下端截面的轴力、弯矩和剪力。 基于承载能力极限状态的设计内容是柱上下端截面的偏心受力构件承载力的计算。 基于正常使用极限状态设计的主要内容是框架结构水平侧移的计算。 水平荷载下框架的变形框架结构在水平力作用下（图4.1）， 由水平力引起的倾覆力矩， 使框架的近侧柱拉伸、远侧柱压缩， 形成框架的整体弯曲变形 （图4.1）；由水平力引起的楼层剪力， 使梁、柱产生垂直于其杆轴线的剪切变形和弯曲变形， 形成框架的整体剪切变形（图4.1）。第3页/共96页4.1 4.1 框架结构概念设计框架结构概念设计图4.1水平荷载下框架的变形第4页/共96页4.1 4.1 框架结构概念设计框架结构概念设计 框架

4、层间侧移的主要组成分量 从这个侧移分解示意图中可以看出： 在框架结构整体剪切变形所引起的层间侧移 （图4.2） 中， 楼层剪力 在框架柱中引起的剪力 和弯矩 ， 使柱产生垂直于杆轴方向的剪切和弯曲变形，直接构成侧移分量 （图4.2）；框架节点上下的柱端弯矩 在梁中引起的剪力 和弯矩 ，使梁产生竖向弯曲变形， 并导致框架节点发生转动 ， 间接地构成侧移分量 （ 图4.2）。 与 之和就是 （图4.2）。a)层间侧移 的大小与楼层剪力 的数值成正比；b) 的大小与梁、柱的截面惯性矩J 成反比。第5页/共96页4.1 4.1 框架结构概念设计框架结构概念设计图4.2框架层间侧移的主要组成分量当框架的

5、层数不太多时， 框架的侧移主要是由整体剪切变形引起， 整体弯曲变形的影响甚小。使框架结构的最小层间侧移发生在结构的顶部， 最大层间侧移发生在结构的底层或底部几层， 整体上构成“剪切型变形曲线” 形式。第6页/共96页4.1 4.1 框架结构概念设计框架结构概念设计三三结构布置结构布置1. 高宽比限制水平荷载是高层框架结构的主要荷载， 由此产生的整体倾覆力矩可能使部分柱受拉， 整体抗倾覆稳定性验算要求决定了结构的最大高度。钢筋混凝土框架结构的最大适用高度为： a) 非抗震设计时为70；b) 抗震设计时主要取决于抗震设防烈度，6度时为60， 7度时为55，8度时为45，9度时为25。高宽比限值满足

6、非抗震设计时为5， 设防烈度为6度、7度时为4，8度时为3， 9度时为2。第7页/共96页4.1 4.1 框架结构概念设计框架结构概念设计2. 结构平面布置及竖向布置 高层建筑的一个独立结构单元内， 宜使结构平面形态简单规则， 刚度和承载力分布均匀。 柱网布置可以根据建筑设计使用功能要求设计为小柱距或大柱距， 跨度可设计成边跨大、中跨小， 或边跨小， 中跨大， 以及等跨形式。 单就竖向荷载作用而言， 对工程中常用的三跨框架，采用“边跨小、中跨大” 方案可使内力分布更合理。四四梁、柱、节点等构件截面估算及选型梁、柱、节点等构件截面估算及选型1. 梁、柱构件的几何尺寸估算 梁梁高：梁宽：第8页/共

7、96页4.1 4.1 框架结构概念设计框架结构概念设计 柱式中 柱高度；N 柱承受的轴力估算值；轴压比限值；柱混凝土轴心抗压强度。2.节点框架梁、柱中心线宜重合。当梁柱中心线不能重合时， 在计算中应考虑偏心对梁柱节点核心区受力和构造的不利影响， 以及梁荷载对柱子的偏心影响。柱截面面积一般根据轴压比限值 估算， 同时截面的高度、宽度要满足以下要求：第9页/共96页4.1 4.1 框架结构概念设计框架结构概念设计 梁、柱中心线之间的偏心距： a) 度抗震设计时不应大于柱截面在该方向宽度的1/4； b) 非抗震设计和 度抗震设计时不宜大于柱截面在该方向宽度的1/4，如偏心距大于该方向柱宽的1/4时，

8、可采取增设梁的水平加腋（图4.3）等措施。设置水平加腋后， 仍须考虑梁柱偏心的不利影响。图4.3水平加腋梁第10页/共96页4.1 4.1 框架结构概念设计框架结构概念设计 梁的水平加腋厚度可取梁截面高度， 其水平尺寸宜满足下列要求：式中 梁水平加腋宽度和加腋长度；梁截面宽度；沿偏心方向柱截面宽度；x 非加腋侧梁边到柱边的距离。梁采用水平加腋时， 框架节点有效宽度 宜符合下述要求：a)当x 时， 按下式计算：第11页/共96页4.1 4.1 框架结构概念设计框架结构概念设计b)当x 时， 取式（4.3） 和式（4.3） 计算的较大值， 且应满足式（4.3） 的要求：式中 柱截面高度。五五材料强

9、度选择、填充墙布置及楼梯间要求材料强度选择、填充墙布置及楼梯间要求1. 材料强度 现浇框架梁、柱、节点的混凝土强度等级， 按一级抗震等级设计时， 不应低于；按二四级和非抗震设计时， 不应低于。 现浇框架梁的混凝土强度等级不宜大于； 框架柱的混凝土强度等级， 抗震设防烈度为 度时不宜大于， 抗震设防烈度为 度时不宜大于。第12页/共96页4.1 4.1 框架结构概念设计框架结构概念设计2. 填充墙布置要求：框架结构的填充墙及隔墙宜选用轻质墙体。抗震设计时，框架结构如采用砌体填充墙，其布置应符合下列要求： 避免形成上、下层刚度变化过大。 避免形成短柱。 减少因抗侧刚度偏心所造成的扭转。 抗震设计时

10、， 砌体填充墙及隔墙应具有自身稳定性， 并应符合下列要求： 砌体的砂浆强度等级不应低于。当采用砖及混凝土砌块时， 砌块的强度等级不应低于； 采用轻质砌块时， 砌块的强度等级不应低于2.5。墙顶应与框架梁或楼板密切结合。第13页/共96页4.1 4.1 框架结构概念设计框架结构概念设计 砌体填充墙应沿框架柱全高每隔 左右设置 根直径 的拉筋，拉筋伸入墙内的长度， 度时不应小于墙长的且不应小于 ， 度、 度、 度时宜沿墙全长贯通。 墙长大于 时，墙顶与梁（板）宜有钢筋拉结；墙长大于层高的倍时，宜设置间距不大于 的钢筋混凝土构造柱；墙高超过时，墙体半高处（或洞上皮） 宜设置与柱连接且沿墙全长贯通的钢

11、筋混凝土水平连系梁。 楼梯间采用砌体填充墙时，应设置间距不大于层高且不大于的钢筋混凝土构造柱并采用钢丝网砂浆面层加强。3. 楼梯间要求： 抗震设计时， 框架结构的楼梯间应符合下列要求：第14页/共96页4.1 4.1 框架结构概念设计框架结构概念设计 楼梯间的布置应尽量减小其造成的结构平面不规则。 当钢筋混凝土楼梯与主体结构整体连接时， 应考虑楼梯对地震作用及其效应的影响，并应对楼梯构件进行抗震承载力验算。 宜采取构造措施减小楼梯对主体结构的影响。4. 框架结构按抗震设计时， 不应采用部分由砌体墙承重的混合形式。框架结构中的楼、电梯间及局部出屋顶的电梯机房、楼梯间、水箱间等， 应采用框架承重，

12、 不应采用砌体墙承重。六六设计计算要点及程序框图设计计算要点及程序框图 根据地震作用下框架的受力特点， 地震区高层建筑采用框架体系时， 在设计中应注意以下几点：第15页/共96页4.1 4.1 框架结构概念设计框架结构概念设计1. 整个结构既要承担来自房屋横向地震动所引起的地震力， 又要承担来自房屋纵向地震动所引起的地震力， 因此， 对于横向框架和纵向框架， 梁与柱的连接都应该采取刚性连接构造， 以形成刚接框架。2. 采用框架体系的房屋， 横向基本周期与纵向基本周期差别不大， 横向和纵向地震作用的总值也就大致相等， 每根柱子在纵、横两个方向的地震剪力和弯矩也会大致相等， 因此， 框架柱宜采用正

13、方形截面和对称配筋。3. 地面运动是多维的， 框架体系中纵、横框架的共用柱， 既是横向框架的构件， 又是纵向框架的构件。因此， 不单是角柱， 而是所有纵、横框架的共用柱， 都需要承担双向地面平动分量的共同作用， 均应采取双向弯曲来进行框架柱的截面设计。第16页/共96页4.1 4.1 框架结构概念设计框架结构概念设计4. 试验结果指出， 强柱型框架的抗震性能明显优于弱柱型框架， 进行框架杆件设计时， 应尽可能使各榀横向框架和纵向框架均能成为强柱型框架， 在水平地震作用下实现梁铰侧移机构。5. 不论是现浇框架还是预制框架，均应尽量符合“强节弱杆、强柱弱梁、强剪弱弯、强压弱拉” 的抗震设计准则。6

14、. 塔式主楼与裙房屋面相衔接的楼层， 容易因体形和刚度的突变而产生严重破坏。因此，采用框架体系的高层建筑， 应避免采用大底盘建筑形式。必须采用时， 可沿塔式主楼周围设置防震缝。第17页/共96页4.1 4.1 框架结构概念设计框架结构概念设计 框架结构设计过程框架结构设计计算程序框图第18页/共96页4.2 4.2 框架结构内力和位移的简化近似计框架结构内力和位移的简化近似计算算一一基本假定基本假定框架结构作为由杆件构成的空间结构，应取整个结构作为计算单元， 按三维空间框架结构进行计算分析。对于平面布置较规则、柱距及跨数相差不多的大多数框架结构， 使用荷载作用下， 每榀框架结构的变形特点及控制

15、值非常接近，为简化计算，可将三维框架简化为平面框架，按每榀框架结构的负荷面积或抗侧移刚度承担外荷载。此外，平面框架结构在纵向和横向分别有竖向荷载和水平荷载作用，在符合手算特点的近似计算方法中，通常竖向荷载的计算方法和水平荷载的计算方法也存在差异，为便于分解和叠加，还需引入线弹性的结构假定。框架结构的基本假定为：第19页/共96页4.2 4.2 框架结构内力和位移的简化近似计框架结构内力和位移的简化近似计算算 每榀框架结构仅在其自身平面内提供抗侧移刚度， 平面外的抗侧移刚度忽略不计； 平面楼盖在其自身平面内刚度无限大； 框架结构在使用荷载作用下材料均处于线弹性阶段。二二计算单元和计算简图计算单元

16、和计算简图1. 计算单元 在各榀框架（包括纵、横向框架） 中选出一榀或几榀有代表性的框架作为计算单元， 如图4.5所示。图4.5框架计算单元第20页/共96页4.2 4.2 框架结构内力和位移的简化近似计框架结构内力和位移的简化近似计算算2. 计算简图 计算简图是由计算模型及作用在其上的荷载共同构成的。框架结构的计算模型是由梁、柱的截面几何轴线确定的， 框架柱在基础顶面按固定端考虑（图4.6）。当采用近似手算方法时，为使计算简便， 可采用下述简化。图4.6框架结构计算简图第21页/共96页4.2 4.2 框架结构内力和位移的简化近似计框架结构内力和位移的简化近似计算算 计算模型的简化a) 当框

17、架梁为坡度i1/8的折梁时，可简化为直杆（图4.6）。b) 当各跨跨度相差不大于10时， 可简化为等跨框架， 跨度取平均值。c)当框架梁为加腋变截面梁时，若 ，可不考虑加腋的影响， 按等截面计算内力。 分别为加腋端最高截面及跨中等截面梁的梁高。0J0J0J0Jd)梁、柱截面惯性矩： 柱按实际截面确定； 框架梁应考虑楼板作用。当采用现浇板时，应按 形截面确定， 可简化为： 一边有楼板， J 1.5 ； 两边有楼板， J 2.0 （ 为梁矩形部分惯性矩）； 若为预制板， J 。第22页/共96页4.2 4.2 框架结构内力和位移的简化近似计框架结构内力和位移的简化近似计算算 荷载的简化a) 计算次

18、梁传给主梁的荷载时， 允许不考虑次梁的连续性， 按各跨简支计算传至主梁的集中荷载。b) 作用在框架上的次要荷载可以简化为与主要荷载相同的荷载形式， 但应维持内力等效。也可将作用于框架梁上的三角形、梯形等荷载按支座弯矩等效的原则改造为等效均布荷载。三三简化计算方法简化计算方法 在多数情况下， 框架结构可以简化为平面结构进行内力分析， 在纵向和横向都分别由若干榀框架承受竖向荷载和水平荷载。第23页/共96页4.2 4.2 框架结构内力和位移的简化近似计框架结构内力和位移的简化近似计算算 框架计算方法框架是典型的杆件体系， 结构力学中已经比较详细地介绍了超静定刚架（框架） 内力和位移的计算方法。比较

19、精确的手算方法， 例如全框架力矩分配法、无剪力分配法、迭代法等，在实用中已大多被更精确、更省人力的计算机程序分析杆件有限元方法所代替。有一些用于近似计算的手算方法， 由于计算简便、易于掌握， 对于大多数工程仍适用， 目前在实际工程中应用还很多， 特别是初步设计时需要估算， 手算方法常常受到工程师们的欢迎。 根据基本假定， 框架结构在竖向荷载和水平荷载共同作用下产生的内力和位移， 可化为竖向荷载和水平荷载分别作用下产生的内力和位移的叠加。第24页/共96页4.2 4.2 框架结构内力和位移的简化近似计框架结构内力和位移的简化近似计算算四四竖向荷载作用下的近似计算竖向荷载作用下的近似计算分层法分层

20、法1. 分层法的基本假定 梁上荷载仅在该梁上及与其相连的上下层柱上产生内力， 在其他层梁及柱上产生的内力可忽略不计。 竖向荷载作用下框架结构产生的水平位移可忽略不计。2. 计算要点分层过程根据框架结构基本假定3及分层法假定，多层框架可采用分层法分解成若干个单层刚架的组合，分别进行力矩分配计算，再叠加，如图4.7 所示。图4.7高层框架分层计算简图第25页/共96页4.2 4.2 框架结构内力和位移的简化近似计框架结构内力和位移的简化近似计算算 各层力矩分配计算要点e) 循环、收敛后叠加， 求杆端弯矩。 误差分析 分别对每个分层进行力矩分配计算， 并叠加得到最终计算结果后， 若节点出现的不平衡力

21、矩较小（小于10）， 直接按叠加成果进行下一步计算， 否则需再分配一次， 修正原杆端弯矩， 得到最终计算成果。a)计算杆端分配系数 ：上层柱线刚度取为原线刚度的0.9倍， 其他杆件不变。b)计算固端弯矩 。c)由节点不平衡力矩，求分配弯矩 。d)由传递系数C 求传递弯矩 ，上层柱间的传递系数取为1/3， 其他杆件的传递系数仍为1/2。第26页/共96页4.2 4.2 框架结构内力和位移的简化近似计框架结构内力和位移的简化近似计算算 一般情况下， 分层法用于计算强柱弱梁型的对称框架结构时， 误差较小， 精度较高。五五水平荷载作用下的粗略计算水平荷载作用下的粗略计算反弯点法反弯点法1. 基本假定

22、梁的线刚度与柱线刚度之比大于 时， 可认为梁刚度为无限大。 梁、柱轴向变形均可忽略不计。2. 计算要点 基本概念a) 抗侧移刚度d指无角位移的两端固定杆件单位侧移时所产生的剪力。第27页/共96页4.2 4.2 框架结构内力和位移的简化近似计框架结构内力和位移的简化近似计算算b) 反弯点： 弯矩为零的点。 计算假定 水平荷载作用下， 上层柱反弯点在柱的中点， 底层柱反弯点距柱底端为2/3层高处。 计算步骤a)多层多跨框架在水平荷载作用下， 当梁柱线刚度之比值 时， 可采用反弯点法计算杆件内力。b)计算柱子抗侧移刚度 。c)计算各层总水平剪力 ， 按每柱抗侧移刚度分配计算柱水平剪力 。d)根据各

23、柱分配到的剪力及反弯点位置， 计算柱端弯矩第28页/共96页4.2 4.2 框架结构内力和位移的简化近似计框架结构内力和位移的简化近似计算算上层柱： 上下端弯矩相等底层柱： 上端弯矩下端弯矩e)根据结点平衡计算梁端弯矩， 如图4.8所示。对于边柱：图4.8梁柱节点受力示意图第29页/共96页4.2 4.2 框架结构内力和位移的简化近似计框架结构内力和位移的简化近似计算算对于中柱：设梁的端弯矩与梁的线刚度成正比， 则f)可根据力的平衡原则， 由梁两端的弯矩求出梁的剪力。六六 水平荷载作用下的近似计算水平荷载作用下的近似计算D 值法值法1.基本假定水平荷载作用下， 框架结构同层各结点转角相等。梁、

24、柱轴向变形均忽略不计。2.计算要点抗侧移刚度D第30页/共96页4.2 4.2 框架结构内力和位移的简化近似计框架结构内力和位移的简化近似计算算式中柱抗侧移刚度修正系数， 按附表8.18计算。附表8.18梁柱刚度比K及柱抗侧移刚度修正系数值第31页/共96页4.2 4.2 框架结构内力和位移的简化近似计框架结构内力和位移的简化近似计算算 当同一层中有再分柱时（图4.9）， 再分柱的等效抗推刚度D可按下式计算：式中 。图4.9同层有再分柱时的D 值计算示意图第32页/共96页4.2 4.2 框架结构内力和位移的简化近似计框架结构内力和位移的简化近似计算算框架柱的反弯点高度框架柱的反弯点高度y 按

25、下式计算：式中 标准反弯点高度， 由附表8.19、附表8.20查取；上、下层梁刚度不等时的修正值， 由附表8.21 查取；上、下层层高不等时的修正值，由附表8.22 查取。附表8.19至附表8.22由力法计算框架各层的弯矩和剪力后求得。反弯点高度取决于荷载形式、梁柱刚度比、建筑物总层数和柱所在的楼层号。当反弯点高度0y1.0 时， 反弯点在本层； 当y 畅 时， 本层无反弯点， 反弯点在本层之上； 当求得的y 时， 反弯点在本层之下。第33页/共96页4.2 4.2 框架结构内力和位移的简化近似计框架结构内力和位移的简化近似计算算七七 框架结构水平侧移的近似计算框架结构水平侧移的近似计算1.侧

26、移的组成高层框架水平位移的近似计算中， 可将总水平位移分为两部分， 即式中 由于框架梁、柱弯曲和剪切变形产生的水平 位移；由于框架柱轴向变形产生的水平位移。当框架层数较多、高宽比H/B较大时， 应考虑轴向变形产生的影响。在一些情况下， 甚至比 大得多。2.梁柱弯曲变形产生的侧移 第i 层的层间位移第34页/共96页4.2 4.2 框架结构内力和位移的简化近似计框架结构内力和位移的简化近似计算算式中 第i 层的楼层剪力；第i 层各柱刚度特征值之和。第i 层的水平位移 为顶点位移为式中 建筑层数。第35页/共96页4.2 4.2 框架结构内力和位移的简化近似计框架结构内力和位移的简化近似计算算3.

27、框架柱轴向变形产生的水平位移在水平荷载作用下，框架边柱轴力较大，中部各柱轴力一般较小。中部各柱轴向变形对水平位移的影响较小。在一般简化计算时，可只考虑边柱轴向变形对水平位移的影响。在水平荷载作用下， 框架由于边柱轴向变形产生的水平位移 为式中 总水平力；底层边柱轴向刚度；由边柱顶层与底层轴向刚度比 决定的参数， 由附表8.23查取。第36页/共96页4.2 4.2 框架结构内力和位移的简化近似计框架结构内力和位移的简化近似计算算附表8.23荷载系数第37页/共96页4.3 4.3 框架结构内力和位移的计算机计算框架结构内力和位移的计算机计算一一 概述概述框架结构是由梁、柱构成的空间杆系结构，

28、使用过程中， 承受竖向荷载（恒载， 活载）以及水平荷载（水平地震作用， 风荷载）， 因此精确计算时必须采用三维空间杆系结构分析方法。三维空间杆系分析方法就是将高层建筑结构作为空间杆件系统， 直接采用矩阵位移法进行分析， 概念清楚， 方法简捷， 适应性广。高层建筑结构可以由两类杆件组成：a)一般空间杆件梁、柱；b)薄壁空间杆件剪力墙。梁、柱为线形杆件， 在空间受力情况下， 每端有 个自由度： 三个方向的平移和三个转角u, v，w， ， ， ； 相应也有 个杆端力： ， ， ， ， ， （图4.10）。第38页/共96页4.3 4.3 框架结构内力和位移的计算机计算框架结构内力和位移的计算机计算剪

29、力墙的厚度小， 截面尺寸较大， 作为薄壁杆件处理， 除上述 个自由度外， 还要考虑截面的翘曲角 ， 对应着第七个杆端力双力矩 （图4.11、图4.12）。图4.10空间杆件图4.11薄壁杆件图4.12双力矩第39页/共96页4.3 4.3 框架结构内力和位移的计算机计算框架结构内力和位移的计算机计算为表示翘曲正应力的大小，以各墙段的力矩 乘以它们的内力臂 为标志的 （称为双力矩）来表达。与平面框架位移法分析类似， 空间杆件也可以得到杆端力的关系 、 分别为杆端位移或杆端力向量， 对于梁、柱均为 的列阵； 对于剪力墙为 的列阵。 为杆件刚度矩阵， 对梁、柱为 的方阵； 对于剪力墙为 的方阵。将单

30、元刚度矩阵 组集， 即可得到空间分析的位移法方程 为各节点未知位移组成的向量。求解这一方程， 即可得到， 从而计算构件的内力。第40页/共96页4.3 4.3 框架结构内力和位移的计算机计算框架结构内力和位移的计算机计算由于是空间分析， 所以未知量很多， 第i 层如有 根柱、 个墙肢时， 总未知量 为式中 建筑层数。为了减少一部分未知数，考虑高层建筑结构的特点，采用了楼板在自身平面内刚度为无限大的假定，则楼面上的平移u，v和绕z轴的转角成为公共自由度，这样柱端独立自由度降为、剪力墙肢的独立自由度降为，总未知量 变为这样， 总未知数可减少40左右。第41页/共96页4.3 4.3 框架结构内力和

31、位移的计算机计算框架结构内力和位移的计算机计算二二 常用软件介绍常用软件介绍框架结构内力分析的软件有很多， 这里主要介绍 的功能。 是采用空间杆系、薄壁柱计算模型的高层建筑结构空间分析计算程序， 其基本功能如下：1.采用三维空间模型， 对梁柱采用空间杆系， 使程序可用于分析复杂体型结构， 更真实地反映结构的受力性能。2.采用先进的矩阵求解方法， 从而使程序计算速度大大加快， 可比通常方法的计算速度快510倍， 一幢30层左右的高层建筑只需20min 即可完成计算。3.自动导算统计风荷载。4.对复杂体型结构可进行地震作用下的平动和扭转耦联分析， 考虑竖向荷载、风荷载和地震荷载在不同工况下的内力组

32、合可达33种， 可对结构进行罕遇地震作用下薄弱层的弹塑性位移计算， 找出薄弱层。第42页/共96页4.3 4.3 框架结构内力和位移的计算机计算框架结构内力和位移的计算机计算 可模拟施工过程， 进行竖向荷载作用下的施工模拟计算， 解决一般程序中一次性加载时对柱子轴向变形估计过大而引起的误差问题， 可更真实地反映结构受力性能。5.可改变水平力作用的方向， 程序自动按转角进行坐标转换， 以考虑任意方向的风和地震作用。6.对柱墙上、下端有偏心的结构， 程序自动处理偏心刚域。7.程序配有斜柱、斜支撑单元。8.可以计算多塔、错层等特殊结构形式， 并可考虑梁柱偏心的效应。9.可对结构配筋计算结果作全楼的归

33、并计算， 根据归并后的结果进行选筋和绘施工图，程序还配有圆柱单元， 可作圆柱配筋计算。第43页/共96页4.3 4.3 框架结构内力和位移的计算机计算框架结构内力和位移的计算机计算10. 的计算结果与 系列软件接力运行， 完成框架结构梁柱、各层结构平面及楼板配筋、楼梯及各类基础的施工图辅助设计， 共同组成一个高层建筑结构从计算到施工图的较完整的 系统。 软件计算程序主要适用于各种体形的框架、交叉梁系结构以及带有斜柱、钢支撑的钢结构或混合结构高层建筑。具体来说， 程序的解题能力为：计算结构总层数100；每层柱无柱节点数500；每层墙（薄壁柱） 数200；每层斜柱支撑数100；每层梁数1000。第

34、44页/共96页4.4 4.4 框架梁、柱及节点截面设计框架梁、柱及节点截面设计一一 荷载效应组合荷载效应组合 荷载效应组合分为无地震作用效应组合和有地震作用效应组合。二二 控制截面内力控制截面内力1.最不利内力类型内力组合是针对控制截面的内力进行的。框架梁控制截面为梁端及跨中； 框架柱控制截面为柱端。各控制截面内力类型， 见表4.1。表4.1最不利内力类型第45页/共96页4.4 4.4 框架梁、柱及节点截面设计框架梁、柱及节点截面设计表4.1中梁端指柱边， 柱端指梁底及梁顶（图4.13）。按轴线计算简图得到的内力要换算到控制截面处的相应数值。有时为简化计算， 也可采用轴线处的内力值。图4.

35、13梁、柱端设计控制截面第46页/共96页4.4 4.4 框架梁、柱及节点截面设计框架梁、柱及节点截面设计2.梁端内力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，对梁端负弯矩进行调幅。现浇框架调幅系数为0.80.9，装配式框架调幅系数为0.70.8。梁端负弯矩减小后，应按平衡条件计算调幅后的跨中弯矩，且要求梁跨中正弯矩至少应取按简支梁计算的跨中弯矩的1/2。如图4.14所示。竖向荷载产生的梁端弯矩应先行调幅， 再与风荷载和水平地震作用产生的弯矩进行组合。图4.14梁端弯矩调幅M为对应跨度简支梁在相应跨中荷载作用下产生的跨中弯矩第47页/共96页4.4 4.4 框架梁、柱及节点截面设计框

36、架梁、柱及节点截面设计三三 框架柱设计弯矩计算框架柱设计弯矩计算抗震设计时除顶层和柱轴压比小于0.15者及框支梁柱节点外， 框架梁、柱节点处考虑地震作用组合的柱端弯矩设计值应符合下列要求： 度抗震设计的结构和一级框架结构尚应符合式中 节点上、下柱端截面顺时针或逆时针方向组 合弯矩设计值之和， 上、下柱端的弯矩设计 值可按弹性分析的弯矩比例进行分配；节点左、右梁端截面逆时针或顺时针方向组 合弯矩设计值之和， 当抗震等级为一级且节 点左、右梁端均为负弯矩时， 绝对值较小的 弯矩应取零；第48页/共96页4.4 4.4 框架梁、柱及节点截面设计框架梁、柱及节点截面设计柱端弯矩增大系数，对框架结构，二

37、、三级分 别取1.5和1.3；对其他结构中的框架，一、二、 三、四级分别取1.4、1.2、1.1和1.1；节点左、右梁端逆时针或顺时针方向实配的正 截面受弯承载力所对应的弯矩值之和，可根据 实际配筋面积和材料强度标准值并考虑承载力 抗震调整系数计算。当反弯点在柱的层高范围内时， 柱端弯矩设计值可直接乘以柱端弯矩增大系数 。抗震设计时，一、二、三级框架结构的底层柱底截面的弯矩设计值，应分别采用考虑地震作用组合的弯矩值与增大系数1.7、1.5和1.3的乘积。底层框架柱纵向钢筋应按上、下端的不利情况配置。第49页/共96页4.4 4.4 框架梁、柱及节点截面设计框架梁、柱及节点截面设计四四 框架柱设

38、计剪力计算框架柱设计剪力计算抗震设计的框架柱、框支柱端部截面的剪力设计值，一、二、三、四级时应按下列公式计算： 度抗震设计的结构和一级框架结构尚应符合式中 柱上、下端顺时针或逆时针方向截面组 合的弯矩设计值，应采用考虑不同抗震 等级调整后的弯矩设计值；柱上、下端顺时针或逆时针方向实配的 正截面受弯承载力所对应的弯矩值，可 根据实配钢筋面积、材料强度标准值和 重力荷载代表值产生的轴向压力设计值 并考虑承载力抗震调整系数计算；第50页/共96页4.4 4.4 框架梁、柱及节点截面设计框架梁、柱及节点截面设计柱的净高；柱端剪力增大系数，对框架结构，二、 三、四级分别取1.3、1.2和1.1；对其他

39、结构类型的框架，一、二级分别取1.4 和1.2， 三、四级均取1.1。抗震设计时， 框架角柱应按双向偏心受力构件进行正截面承载力设计。一、二、三、四级框架角柱经按调整后的弯矩、剪力设计值应乘以不小于1.1的增大系数。五五 框架梁设计剪力计算框架梁设计剪力计算抗震设计时，框架梁端部截面组合的剪力设计值，一、二、三级应按下列公式计算，四级时可直接取考虑地震作用组合的剪力计算值：第51页/共96页4.4 4.4 框架梁、柱及节点截面设计框架梁、柱及节点截面设计 度抗震设计的结构和一级框架结构尚应符合式中 梁左、右端逆时针或顺时针方向截面组 合的弯矩设计值，当抗震等级为一级且 梁两端弯矩均为负弯矩时，

40、绝对值较小 一端的弯矩应取零；梁左、右端逆时针或顺时针方向实配的 正截面受弯承载力所对应的弯矩值，可 根据实配钢筋面积和材料强度标准值并 考虑承载力抗震调整系数计算；梁剪力增大系数，一、二、三级分别取 1.3、1.2 和1.1；梁的净跨；第52页/共96页4.4 4.4 框架梁、柱及节点截面设计框架梁、柱及节点截面设计考虑地震作用组合的重力荷载代表值（ 度 时还应包括竖向地震作用标准值） 作用下， 按简支梁分析的梁端截面剪力设计值。六六 框架柱受剪承载力设计框架柱受剪承载力设计1.矩形截面偏心受压框架柱， 其斜截面受剪承载力应按下列公式计算：无地震作用组合时有地震作用组合时式中框架柱的剪跨比，

41、当 时取，当3 时取；第53页/共96页4.4 4.4 框架梁、柱及节点截面设计框架梁、柱及节点截面设计N考虑风荷载或地震作用组合的框架柱轴向压力设 计值，当N 大于0.3 时取N等于0.3 ；s箍筋间距。2.当矩形截面框架柱出现拉力时， 其斜截面受剪承载力应按下列公式计算：无地震作用组合时有地震作用组合时式中N与剪力设计值V 对应的轴向拉力设计值，取正 值；框架柱的剪跨比。第54页/共96页4.4 4.4 框架梁、柱及节点截面设计框架梁、柱及节点截面设计当式（4.27） 右端的计算值或式（4.28） 右端括号内的计算值小于 时，应取等于 ，且 值不应小于0.36 。七七 框架梁柱其他承载力设

42、计计算框架梁柱其他承载力设计计算1.框架梁斜截面受剪承载力可按现行国家标准GB50010-2010混凝土结构设计规范的有关规定进行计算。2.无地震作用组合时， 在单向风荷载作用下双向受剪的框架柱， 可按现行国家标准GB50010-2010混凝土结构设计规范的规定进行截面剪压比计算和斜截面受剪承载力计算。3.无地震作用组合时， 梁、柱扭曲截面承载力， 可按现行国家标准GB50010-2010混凝土结构设计规范的有关规定进行计算。第55页/共96页4.4 4.4 框架梁、柱及节点截面设计框架梁、柱及节点截面设计4.框架梁、框架柱和框支柱的正截面承载力可按现行国家标准GB50010-2010混凝土结

43、构设计规范枠的有关规定计算； 考虑地震作用组合时， 其承载力应除以相应的承载力抗震调整系数 。抗震设计时， 一、二、三级框架的节点核心区应进行抗震验算； 四级框架节点以及各抗震等级的顶层端节点核心区， 可不进行抗震验算。各抗震等级的框架节点均应符合构造措施的要求。八八 框架梁柱节点核心区截面抗震验算框架梁柱节点核心区截面抗震验算1.一般框架梁柱节点一、二、三级框架梁柱节点核心区组合的剪力设计值， 应按下列公式计算：a)设防烈度为 度的结构以及一级抗震等级的框架结构第56页/共96页4.4 4.4 框架梁、柱及节点截面设计框架梁、柱及节点截面设计b)其他情况式中 梁柱节点核心区组合的剪力设计值；

44、梁截面的有效高度，节点两侧梁截面高度不 等时可采用平均值；梁受压的钢筋合力点至受压边缘的距离；柱的计算高度， 可采用节点上、下柱反弯点 之间的距离；梁的截面高度， 节点两侧梁截面高度不等时 可采用平均值；第57页/共96页4.4 4.4 框架梁、柱及节点截面设计框架梁、柱及节点截面设计强节点系数，对于框架结构， 一级宜取1.5， 二级宜取1.35， 三级宜取1.2； 对于其他结构 中的框架， 一级宜取1.35， 二级宜取1.2， 三 级宜取1.1；节点左、右梁端逆时针或顺时针方向组合的弯 矩设计值之和， 一级节点左、右梁端弯矩均 匀为负值时绝对值较小的弯矩应取零；节点左、右梁端逆时针或顺时针方

45、向按实配钢 筋面积（计入受压钢筋） 和材料强度标准值 计算的受弯载力所对应的弯矩设计值之和。核心区截面有效计算宽度， 应按下列规定采用：a)当验算方向的梁截面宽度不小于该侧柱截面宽度的1/2时， 可采用该侧柱截面宽度；当小于柱截面宽度的1/2时，可采用下列二者的较小值：第58页/共96页4.4 4.4 框架梁、柱及节点截面设计框架梁、柱及节点截面设计式中 节点核心区的截面有效计算宽度；梁截面宽度；验算方向的柱截面高度；验算方向的柱截面宽度。b) 当梁、柱的中线不重合且偏心距不大于柱宽的1/4时， 可采用式（4.31）、式（4.32）和下式计算结果的较小值：式中 e 梁与柱中线的偏心距。第59页

46、/共96页4.4 4.4 框架梁、柱及节点截面设计框架梁、柱及节点截面设计节点核心区受剪截面应符合下式要求：式中 正交梁的约束影响系数， 楼板为现浇、梁柱 中线重合、四侧各梁截面宽度不小于该侧柱 截面宽度的1/2且正交方向梁高度不小于框架 梁高度的3/4，可采用1.5，9度时宜采用1.25， 其他情况宜采用1.0； 节点核心区的截面高度，可采用验算方向的 柱截面高度 ；承载力抗震调整系数， 可采用0.85；混凝土强度影响系数；混凝土轴心受压强度设计值。第60页/共96页4.4 4.4 框架梁、柱及节点截面设计框架梁、柱及节点截面设计节点核心区截面受剪承载力， 应按下列公式验算：a)设防烈度为

47、度时b)其他情况式中N对应于组合剪力设计值的上柱组合轴向压力较 小值，当N 为轴向压力时，不应大于柱的截面 面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积的50； 当N 为拉力时，应取为零；箍筋的抗拉强度设计值；混凝土轴心抗拉强度设计值；核心区计算宽度范围内验算方向同一截面各肢 箍筋的全部截面面积。第61页/共96页4.4 4.4 框架梁、柱及节点截面设计框架梁、柱及节点截面设计2.梁宽大于柱宽的扁梁框架的梁柱节点楼盖应采用现浇， 梁柱中心线宜重合。扁梁框架的梁柱节点核心区应根据梁纵向钢筋在柱宽范围内、外的截面面积比例，对柱宽以内和柱宽以外的范围分别计算受剪承载力。节点核心区计算除应符合一般梁柱节点的要求

48、外， 尚应符合下列要求：a)计算核心区受剪截面时， 核心区有效宽度可取梁宽与柱宽之和的平均值。b)四边有梁的节点约束影响系数， 计算柱宽范围内核心区的受剪承载力时可取1.5， 计算柱宽范围外核心区的受剪承载力时宜取1.0。c)计算核心区受剪承载力时， 在柱宽范围内的核心区，轴力的取值可同一般梁柱节点；柱宽以外的核心区可不考虑轴向压力对受剪承载力的有利作用。第62页/共96页4.4 4.4 框架梁、柱及节点截面设计框架梁、柱及节点截面设计d)锚入柱内的梁上部纵向钢筋宜大于其全部钢筋截面面积的60。3.圆柱的梁柱节点梁中线与柱中线重合时，圆柱框架梁柱节点核心区受剪截面应符合下式要求：式中 正交梁的

49、约束影响系数，其中柱截面宽度可 按直径采用；节点核心区有效截面面积，当梁宽 不小于 圆柱直径D 的一半时，可取为0.8 ；当梁宽 小于柱直径的一半但不小于柱直径的0.4倍 时， 可取为 。第63页/共96页4.4 4.4 框架梁、柱及节点截面设计框架梁、柱及节点截面设计梁中线与柱中线重合时， 圆柱截面梁柱节点核心区截面受剪承载力应按下列公式验算：a)抗震设防烈度为 度时b)其他情况式中 单根圆形箍筋的截面面积；计算方向上同一截面的拉筋和非圆形箍筋的 总截面面积；D 圆柱截面直径；N 轴向力设计值。第64页/共96页4.5 4.5 框架结构构造框架结构构造一一 框架柱构造要求框架柱构造要求1.柱

50、截面尺寸宜符合下列要求：矩形截面柱的边长， 非抗震设计时不宜小于250， 四级抗震设计时不宜小于300， 一、二、三级抗震设计时不宜小于400； 圆柱截面直径非抗震和四级抗震设计时不宜小于350， 一、二、三级抗震设计时不宜小于450。柱剪跨比宜大于。柱截面高宽比不宜大于。2.抗震设计时， 钢筋混凝土柱轴压比不宜超过表4.2的规定， 对于类场地上较高的高层建筑， 其轴压比限值应适当减小。轴压比指柱考虑地震作用组合的轴压力设计值与柱全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积的比值。第65页/共96页4.5 4.5 框架结构构造框架结构构造表4.2柱轴压比限值表4.2 数值适用于混凝土强度等级不高于

51、60的柱。当混凝土强度等级为6570时，轴压比限值应比表中数值降低0.05；当混凝土强度等级为75 80时，轴压比限值应比表4.2中数值降低0.10。表4.2内数值适用于剪跨比大于的柱。剪跨比不大于 但不小于1.5的柱，其轴压比限值应比表4.2中数值减小0.05；剪跨比小于1.5的柱，其轴压比限值应专门研究并采取特殊构造措施。第66页/共96页4.5 4.5 框架结构构造框架结构构造a)当沿柱全高采用井字复合箍， 箍筋间距不大于100、肢距不大于200、直径不小于12 时， 柱轴压比限值可增加0.10； b)当沿柱全高采用复合螺旋箍， 箍筋螺距不大于100、肢距不大于200、直径不小于12 时

52、， 柱轴压比限值可增加0.10； c)当沿柱全高采用连续复合螺旋箍， 且螺距不大于80、肢距不大于200、直径不小于10 时， 轴压比限值可增加0.10。以上三种配箍类别的含箍特征值应按增大的轴压比由附表8.24确定。当柱截面中部设置由附加纵向钢筋形成的芯柱， 且附加纵向钢筋的截面面积不小于柱截面面积的0.8时， 柱轴压比限值可增加0.05。当本项措施与 的措施共同采用时，柱轴压比限值可比表4.2中数值增加0.15， 但箍筋的配箍特征值仍可按轴压比增加0.10的要求确定。柱轴压比限值不应大于1.05。第67页/共96页4.5 4.5 框架结构构造框架结构构造附表8.24柱端箍筋加密区最小配箍特

53、征值第68页/共96页4.5 4.5 框架结构构造框架结构构造3.框架柱的受剪截面应符合下列要求：无地震作用组合时有地震作用组合时跨高比大于2.5 的梁及剪跨比大于2的柱跨高比不大于2.5的梁及剪跨比不大于2的柱框架柱的剪跨比可按下式计算式中V梁、柱计算截面的剪力设计值；第69页/共96页4.5 4.5 框架结构构造框架结构构造 框架柱的剪跨比，反弯点位于柱高中部的框架 柱，可取柱净高与计算方向2倍柱截面有效高度 之比值；柱端截面的组合弯矩计算值，可取柱上、下端 的较大值；柱端截面与组合弯矩计算值对应的组合剪力计 算值；混凝土强度影响系数。当混凝土强度等级不大 于50时取1.0； 当混凝土强度

54、等级为80时取 0.8；当混凝土强度等级在50和80之间时可 按线性内插取用；b 矩形截面的宽度， 形截面、工字形截面的腹 板宽度； 梁、柱截面计算方向有效高度。第70页/共96页4.5 4.5 框架结构构造框架结构构造4.柱纵向钢筋和箍筋配置应符合下列要求：柱全部纵向钢筋的配筋率，不应小于表4.3的规定值，且柱截面每一侧纵向钢筋配筋率不应小于0.2； 抗震设计时， 对类场地上较高的高层建筑， 表中数值应增加0.1。表4.3柱纵向钢筋最小配筋百分率抗震设计时， 柱箍筋在规定的范围内应加密， 加密区的箍筋间距和直径应符合下列要求：a)一般情况下， 箍筋的最大间距和最小直径应按表4.4采用。第71

55、页/共96页4.5 4.5 框架结构构造框架结构构造表4.4柱端箍筋加密区的构造要求b)二级框架柱箍筋直径不小于10、肢距不大于200 时， 除柱根外最大间距应允许采用150； 三级框架柱的截面尺寸不大于400 时， 箍筋最小直径应允许采用 ； 四级框架柱的剪跨比不大于 或柱中全部纵向钢筋的配筋率大于时， 箍筋直径不应小于 。c)剪跨比不大于 的柱， 箍筋间距不应大于100， 一级时尚不应大于 倍的纵向钢筋直径。第72页/共96页4.5 4.5 框架结构构造框架结构构造5.柱的纵向钢筋配置， 尚应满足下列要求：a)抗震设计时， 宜采用对称配筋。b)抗震设计时， 截面尺寸大于400 的柱， 其纵

56、向钢筋间距不宜大于200； 非抗震设计时， 柱纵向钢筋间距不应大于350； 柱纵向钢筋净距均不应小于50。c)全部纵向钢筋的配筋率， 非抗震设计时不宜大于、不应大于， 抗震设计时不应大于。d)一组且剪跨比不大于 的柱， 其单侧纵向受拉钢筋的配筋率不宜大于1.2。e)边柱、角柱及剪力墙端柱考虑地震作用组合产生小偏心受拉时， 柱内纵筋总截面面积应比计算值增加25。6.柱的纵筋不应与箍筋、拉筋及预埋件等焊接。7.抗震设计时， 柱箍筋加密区的范围应符合下列要求：第73页/共96页4.5 4.5 框架结构构造框架结构构造底层柱的上端和其他各层柱的两端， 应取矩形截面柱之长边尺寸（或圆形截面柱之直径）、柱

57、净高之1/6和500 三者之最大值范围。底层柱刚性地面上、下各500 的范围。底层柱柱根以上1/3柱净高的范围。剪跨比不大于 的柱和因填充墙等形成的柱净高与截面高度之比不大于 的柱全高范围。一级及二级框架角柱的全高范围。需要提高变形能力的柱的全高范围。8.柱加密区范围内箍筋的体积配箍率，应符合下列规定：柱箍筋加密区箍筋的体积配箍率，应符合下式要求：式中 柱箍筋的体积配箍率；柱最小配箍特征值， 宜按附表8.24采用；第74页/共96页4.5 4.5 框架结构构造框架结构构造混凝土轴心抗压强度设计值， 当柱混凝土强 度等级低于35时应按35计算；柱箍筋或拉筋的抗拉强度设计值。对一、二、三、四级框架

58、柱， 其箍筋加密区范围内箍筋的体积配箍率尚分别不应小于0.8、0.6、0.4和0.4。剪跨比不大于 的柱宜采用复合螺旋箍或井字复合箍， 其体积配箍率不应小于1.2， 设防烈度为 度时不应小于1.5。计算复合螺旋箍筋的体积配箍率时， 其非螺旋箍筋的体积应乘以换算系数0.8。9.抗震设计时， 柱箍筋设置尚应符合下列要求：箍筋应为封闭式， 其末端应做成135弯钩且弯钩末端平直段长度不应大于10倍的箍筋直径， 且不应小于75 。第75页/共96页4.5 4.5 框架结构构造框架结构构造箍筋加密区的箍筋的肢距， 一级不宜大于200， 二、三级不宜大于250 和20倍箍筋直径的较大值， 四级不宜大于300

59、。每隔一根纵向钢筋宜在两个方向有箍筋约束；采用拉筋组合箍时， 拉筋宜紧靠纵向钢筋并钩住封闭箍。柱非加密区的箍筋， 其体积配箍率不宜小于加密区的一半； 其箍筋间距， 不应大于加密区箍筋间距的 倍， 且一、二级不应大于10倍纵向钢筋直径， 三、四级不应大于15倍纵向钢筋直径。10. 非抗震设计时， 柱中箍筋应符合以下规定：周边箍筋应为封闭式。箍筋间距不应大于400， 且不应大于构件截面的短边尺寸和最小纵向受力钢筋直径的15倍。箍筋直径不应小于最大纵向钢筋直径的1/4，且不应小于 。第76页/共96页4.5 4.5 框架结构构造框架结构构造当柱中全部纵向受力钢筋的配筋率超过时， 箍筋直径不应小于 ，

60、 箍筋间距不应大于最小纵向钢筋直径的10倍， 且不应大于200； 箍筋末端应做成35弯钩且弯钩末端平直段长度不应小于10倍箍筋直径。当柱每边纵筋多于 根时， 应设置复合箍筋（可采用拉筋）。柱内纵向钢筋采用搭接做法时， 搭接长度范围内箍筋直径不应小于搭接钢筋较大直径的0.25倍； 在纵向受拉钢筋的搭接长度范围内的箍筋间距不应大于搭接钢筋较小直径的倍， 且不应大于100； 在纵向受压钢筋的搭接长度范围内的箍筋间距不应大于搭接钢筋较小直径的10倍， 且不应大于200。当受压钢筋直径大于25 时， 尚应在搭接接头端面外100 的范围内各设置两道箍筋。第77页/共96页4.5 4.5 框架结构构造框架结