第4章多层框架结构PPT课件

1、 本章介绍了多层框架结构的设计步骤和设计方法，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：内容包括： 结构布置；结构布置； 计算简图的确定；计算简图的确定； 内力计算；内力计算； 内力组合；内力组合； 框架梁、柱截面设计（配筋计算）；框架梁、柱截面设计（配筋计算）； 构造要求。构造要求。内内 容容 提提 要要 重点：计算简图的确定；框架在竖向荷载水平荷重点：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。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、节点的配难点：框架梁、柱内力组合；梁、柱、节点的配筋构造。筋构造。第1页/共4

2、6页4.1框架结构概述框架结构概述 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55m、45m、25m。实际工程中，框架结构一般不超过12层。第2页/共46页第3页/共46页 根据施工方法分类：现浇整体式、装配式和装配整体式。根据施工方法分类：现浇整体式、装配式和装配整体式。框架结构的分类框架结构的分类 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

3、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点。缺点是现场浇注混凝土的施工较为复杂。 第4页/共46页4.2框架结构布置框架结构布置结构布置的一般原则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

4、重框架布置和变形缝的设置。 柱网布置柱网布置 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。 框架承重体系的布置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 第5页/共46页横向框架承重纵向框架承重纵、横向框架混合承重第6页/共46页第7页/共46页分类：沉降缝、伸缩缝和防震缝分类：沉降缝、伸缩缝和防震缝变形缝设置变形缝设置 三缝的作用： 1. 1.沉降缝：为防止建筑物基础在产生不均匀沉降时，引起上部结构内力发生变化而造成房屋开裂采取的措施 2. 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

5、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. 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。第8页/共46页三缝的区别： 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。（

6、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。第9页/共46页4.3框架结构计算简图框架结构计算简图框架梁、柱截面选择（截面形式、尺寸的确定）框架梁、柱截面选择（截面形式、尺寸的确定）1. 1. 截面形状截面形状 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。第10页/共46页2. 2. 截面尺寸截面尺寸 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

7、较小值） 次梁（或连系梁） h=(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)h2） 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。 第11页/共46页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 1.2I03. 3. 截面惯性矩截面惯性矩 框架结构是超静定结构，必须先知道

8、框架梁、柱的抗弯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，可按材料力学的方法计算截面惯性矩。但是，由尺寸后，可按材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。精确确定梁截面抗弯刚度并非易事。第12页/共46页计算简图的确定计算简图的确定 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，

9、应按空间受力体系进行受力分析。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。第13页/共46页 节点的模型化节点的模型化跨度与层高的确定跨度与层高的确定第14页/共46页4.4荷载计算荷载计算1. 1. 恒荷载计算恒荷载计算 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）第15页/共46页4.4荷载计算荷载计算2. 2. 活荷载计算活荷载计算 1）楼面活荷载（注意折减问题） 2）屋面活荷载、屋面雪荷载（

10、取其中较大值）第16页/共46页4.4荷载计算荷载计算3. 3. 风荷载计算风荷载计算 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。第17页/共46页4.5框架结构内力和侧移计算框架结构内力和侧移计算 竖向荷载作用下框架内力计算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 固定支座，S=4i 铰支座，S=3i 定向支座，S= i 远端 固定支座

11、，1/2铰支座，0定向支座，-1 远端 1. 1. 弯矩二次分配法弯矩二次分配法第18页/共46页2. 2. 分层法分层法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.

12、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 。bc/3ii 适用于梁柱线刚度比的框架计算活荷载的布置问题。第19页/共46页水平荷载作用下框架内力计算水平荷载作用下框架内力计算1.1.反弯点法反弯点法 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。 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。

13、第20页/共46页水平荷载作用下框架内力计算水平荷载作用下框架内力计算1.1.反弯点法反弯点法 框架在水平荷载作用下，节点将同时产生转角和框架在水平荷载作用下，节点将同时产生转角和侧移，当侧移，当 时，转角时，转角 很小，对框架的内力很小，对框架的内力影响不大。为了简化计算，假定影响不大。为了简化计算，假定 ，等于把框架，等于把框架横梁简化成线刚度横梁简化成线刚度 的刚性梁。的刚性梁。 bc/3ii 0bi bc/3ii 适用范围：框架梁、柱线刚度比少层框架结构，柱截面尺寸较小第21页/共46页 采用此假定后，采用此假定后，一般层柱的一般层柱的1/21/2高度处高度处截面弯矩截面弯矩为零（为零

14、（首层柱首层柱取其取其2/32/3高度处高度处截面弯矩为零），柱截面弯矩为零），柱的弹性曲线在该处改变凹凸方向，故此处称为的弹性曲线在该处改变凹凸方向，故此处称为反弯反弯点点，反弯点距柱底的距离称为，反弯点距柱底的距离称为反弯点高度反弯点高度。 确定好反弯点以后，只要求得柱的剪力，即可确确定好反弯点以后，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。梁端弯矩，然后计算梁端剪力和柱轴力。 柱的侧移刚度 321212EIihhk第22页/共46页2. D值法（改进反弯点法、修正反弯点法） 节点转角

15、较大，对柱的侧移刚度和反弯点位置产节点转角较大，对柱的侧移刚度和反弯点位置产生较大影响。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。后的柱侧移刚度和反弯点高度计算其内力。 bc/3ii 框架梁、柱线刚度比 采用修正反弯点法时，工程上用采用修正反弯点法时，工程上用D D 表示表示柱的侧移柱的侧移刚度刚度，所以修正反弯点法又称为，所以修正反弯点法又称为“D D 值法值法”。 第23页/共46页 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。一般层柱 cc2kDkkk底层柱 cc0

16、.52kDkkkbc2ikibciki结结 构构 类类 型型中中 框框 架架边边 框框 架架现浇整体式楼盖现浇整体式楼盖2.01.5装配整体式楼盖装配整体式楼盖1.51.2 通常先按矩形截面计算梁的惯性矩，再乘以增大系数。通常先按矩形截面计算梁的惯性矩，再乘以增大系数。 第24页/共46页 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。 0123()hyyyy h第25页/共46页D值法计算框架内力的

17、步骤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。 第26页/共46页水平荷载作用下框架侧移计算与验算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H H50m50m或H/BH/B4 4时，一般就

18、应考虑由柱的轴向变形引起的侧移。 1.1.侧移组成侧移组成 第27页/共46页j1imijiuDV层间相对位移 eiiuh验算公式 水平荷载作用下框架侧移计算与验算水平荷载作用下框架侧移计算与验算2.2.侧移计算侧移计算3.3.侧移验算侧移验算第28页/共46页4.6内力组合内力组合 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。4.5.1 控制截面控制截面4.5.2 内力换算内力换算4.5.3 内力组合内力组合第29页/共46页 框架梁：梁的左、右两端及跨中 框

19、架柱：柱上、下两端 控制截面控制截面 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。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，还应在跨间因此，除取梁的两端作为控制截面以外，还应在跨间取取最大正弯矩的截面最大正弯矩的截面作为控制截面。作为控制截面。 为了计算简便，可直接以为了计算简便，可直接以梁的跨中截面梁的跨中截面作为控制截面，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。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，因此可取各层对框架柱

20、，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。柱的上、下端截面作为控制截面。 第30页/共46页 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。 内力换算内力换算第31页/共46页内力组合内力组合1. 组合目的组合目的 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： 柱端的 及相应的 、 ； 或 及相应的 、 ； 或 及相应的 、 。 maxMNVMmaxNVminNMV 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

21、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。 maxMmaxMmaxMmaxV第32页/共46页2. 内力组合原则和方法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：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：1iniSSS QGGKciQiK2）由可变荷载效应控制的组合 恒载内力+活载内力+风载内力：QiGGKQ1Q1KciQiK2niS

22、SSS 第33页/共46页具体的内力组合设计值、承载力验算公式具体的内力组合设计值、承载力验算公式0SR S=1.35恒载内力+1.40.7活载内力1.40.6风载内力 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活载内力第34页/共46页3. 框架梁内力组合表框架梁内力组合表构构件件截截面面内内力力恒恒荷荷载载活活荷荷载载风荷风荷载载内力组合内力组合最最不不利利左左 右右左左右右左左右右左左右右顶顶层层边边垮垮梁梁左左MV中中 M右右MV第35页/共46页4. 框架柱内力组合表框架柱内力组合表构构件件截截面面内内力

23、力恒恒荷荷载载活活荷荷载载风荷风荷载载内力组合内力组合最不利最不利左左 右右 左左 右右 左左 右右 左左 右右顶顶层层A柱柱上上MNV下下MNV第36页/共46页活荷载的最不利布置：活荷载的最不利布置： （1 1）分跨计算组合法: :计算量很大（m m层乘n n跨），此法过程简单、规则，适用于电脑编程。 （2 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)(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

24、矩的作用。（4 4）满布荷载法 : :当活荷载产生的内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 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1.11.11.21.2的增大系数。第37页/共46页梁端弯矩调幅： 包括两个方面的内容： 1 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 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0.80.80.90.9；对装配整体式框架，调幅