框架结构设计教程PPT学习教案

1、会计学1框架结构设计框架结构设计(shj)教程教程第一页，共94页。结构(jigu)组成和结构(jigu)布置 框架结构的计算简图及荷载 竖向荷载作用下框架结构内力的近似计算水平荷载作用下框架结构内力和侧移的近似计算结构组成和结构布置 框架结构的计算简图及荷载 分层法，值法第1页/共94页第二页，共94页。 1结构组成(z chn)及特点框架结构由梁、柱构件通过节点连接构成，如整幢房屋均采用这种结构形式，则称为框架结构体系或框架结构房屋。框架结构平面布置和剖面示意图第2页/共94页第三页，共94页。按施工方法不同，框架结构可分为(fn wi)三种:现浇式装配式装配整体式第3页/共94页第四页，

2、共94页。（1）框架结构的受力特点在竖向荷载和水平荷载作用下，框架结构各构件将产生内力和变形(bin xng)。框架结构的侧移一般由两部分组成： 由水平力引起的楼层剪力，使梁、柱构件产生弯曲变形(bin xng)，形成框架结构的整体剪切变形(bin xng)us； 由水平力引起的倾覆力矩，使框架柱产生轴向变形(bin xng)（一侧柱拉伸，另一侧柱压缩），形成框架结构的整体弯曲变形(bin xng)ub。第4页/共94页第五页，共94页。当框架结构房屋的层数不多时，其侧移主要表现(bioxin)为整体剪切变形，整体弯曲变形的影响很小。 第5页/共94页第六页，共94页。框架结构的侧移第6页/共

3、94页第七页，共94页。（2）框架结构体系的优缺点建筑平面布置灵活(ln hu)，能获得大空间（特别适用于商场、餐厅等），也可按需要做成小房间； 建筑立面容易处理；结构自重较轻； 计算理论比较成熟； 在一定高度范围内造价较低。 第7页/共94页第八页，共94页。 框架结构的侧向刚度较小，水平荷载作用下侧移较大，有时(yush)会影响正常使用；如果框架结构房屋的高宽比较大，则水平荷载作用下的侧移也较大，而且引起的倾覆作用也较严重。 因此，设计时应控制房屋的高度和高宽比。第8页/共94页第九页，共94页。2结构(jigu)布置 框架结构布置主要是确定柱在平面上的排列方式（柱网布置）和选择结构承重方

4、案，这些均必须满足建筑平面及使用要求，同时也须使结构受力合理，施工简单。第9页/共94页第十页，共94页。2结构(jigu)布置民用建筑柱网布置第10页/共94页第十一页，共94页。框架结构的承重方案 1）横向框架承重。 主梁沿房屋横向布置，板和连系梁沿房屋纵向(zn xin)布置。 2）纵向(zn xin)框架承重。 主梁沿房屋纵向(zn xin)布置，板和连系梁沿房屋横向布置。 3）纵、横向框架承重。 房屋的纵、横向都布置承重框架 ，楼盖常采用现浇双向板或井字梁楼盖。第11页/共94页第十二页，共94页。框架结构的承重(chngzhng)方案第12页/共94页第十三页，共94页。混凝土结构

5、设计原理(yunl)第3章主 页目 录上一章(y zhn)帮 助三、 变形缝沉降缝设置沉降缝是为了避免地基不均匀沉降在房屋构件中引起(ynq)裂缝。房屋扩建时，新建部分与原有建筑结合处也可设置沉降缝分开。沉降缝将建筑物从基础底至屋顶全部分开，各部分能够自由沉降。第13页/共94页第十四页，共94页。混凝土结构设计原理(yunl)第3章主 页目 录上一章(y zhn)帮 助三、 变形缝第14页/共94页第十五页，共94页。混凝土结构设计原理(yunl)第3章主 页目 录上一章(y zhn)帮 助三、 变形缝伸缩缝设置伸缩缝是为了避免(bmin)温度应力和混凝土收缩应力而使房屋产生裂缝。伸缩缝的设

6、置主要与建筑物的长度有关。伸缩缝仅将上部结构从基础顶面断开，基础不断开。伸缩缝的最大间距取决于结构类型和温度的变化及施工方法的不同。第15页/共94页第十六页，共94页。混凝土结构设计原理(yunl)第3章主 页目 录上一章(y zhn)帮 助三、 变形缝防震缝当房屋平面复杂、立面高差悬殊、各部分质量(zhling)和刚度截然不同时，应设置防震缝。对有抗震设防要求的房屋，其沉降缝和伸缩缝均应符合防震缝要求，并尽可能三缝合并设置。第16页/共94页第十七页，共94页。混凝土结构设计原理(yunl)第3章主 页目 录上一章(y zhn)帮 助设缝的原则和避免设缝的措施 设缝的原则：应尽量少设缝或不

7、设缝，可简化构造、方便施工、降低造价、增强结构的整体性和空间刚度。 避免设缝的措施：在建筑设计时， 采用调整平面形状、尺寸、体型等措施；在结构设计时，可采用选择节点连接方式，配置构造钢筋、设置刚性层等措施；在施工方面，可采取(ciq)分阶段施工、设置后浇带、做好保温隔热层等措施，来防止由于温度变化、不均匀沉降、地震作用等因素所引起的结构或非结构的损坏。第17页/共94页第十八页，共94页。梁端水平(shupng)加腋处平面图在框架结构布置中，梁、柱轴线宜重合，如梁须偏心放置时，梁、柱中心线之间的偏心距不宜大于柱截面在该方面宽度的1/4。如偏心距大于该方向柱宽的1/4时，可增设梁的水平加腋。试验

8、表明，此法能明显改善梁柱节承受反复荷载的性能。第18页/共94页第十九页，共94页。1 框架结构的计算(j sun)简图及荷载 梁、柱截面尺寸框架梁、柱截面尺寸应根据承载力、刚度及延性等要求确定。初步设计时，通常由经验或估算先选定截面尺寸，以后进行承载力、变形等验算，检查所选尺寸是否合适。 第19页/共94页第二十页，共94页。 梁截面尺寸确定 框架结构中框架梁的截面高度(god)hb可根据梁的计算跨度lb、活荷载大小等，按hb = (1/141/10)lb确定。为了防止梁发生剪切脆性破坏，hb不宜大于1/4净跨。主梁截面宽度可取bb = (1/31/2)hb，且不宜小于200mm。为了保证梁

9、的侧向稳定性，梁截面的高宽比（hb/bb）不宜大于4。 第20页/共94页第二十一页，共94页。加腋梁梁截面(jimin)惯性矩第21页/共94页第二十二页，共94页。为了降低楼层高度，可将梁设计成宽度较大而高度较小的扁梁，扁梁的截面高度可按 (1/181/15)lb估算。扁梁的截面宽度b（肋宽）与其高度h的比值(bzh)b/h不宜超过3。第22页/共94页第二十三页，共94页。 柱截面(jimin)尺寸 柱截面(jimin)尺寸可直接凭经验确定，也可先根据其所受轴力按轴心受压构件估算，再乘以适当的放大系数以考虑弯矩的影响。即 Ac (1.11.2)N / fc N = 1.25Nv第23页/

10、共94页第二十四页，共94页。 式中: Ac为柱截面面积；N为柱所承受的轴向压力设计值；Nv为根据柱支承的楼面面积计算(j sun)由重力荷载产生的轴向力值；1.25为重力荷载的荷载分项系数平均值；重力荷载标准值可根据实际荷载取值，也可近似按（1214）kN/m2计算(j sun)；fc为混凝土轴心抗压强度设计值。第24页/共94页第二十五页，共94页。框架柱的截面宽度和高度均不宜小于300mm，圆柱截面直经不宜小于350mm，柱截面高宽比不宜大于3。 为避免(bmin)柱产生剪切破坏，柱净高与截面长边之比宜大于4，或柱的剪跨比宜大于2。第25页/共94页第二十六页，共94页。矩形梁箱形梁倒L

11、形梁T形梁花篮梁混凝土梁形式(xngsh)第26页/共94页第二十七页，共94页。 梁截面惯性矩 在结构内力与位移计算中，与梁一起现浇的楼板可作为框架梁的翼缘，每一侧翼缘的有效宽度可取至板厚的6倍；装配整体式楼面视其整体性可取等于或小于6倍；无现浇面层的装配式楼面，楼板的作用不予考虑。 设计中，为简化计算，也可按下式近似(jn s)确定梁截面惯性矩I：0II第27页/共94页第二十八页，共94页。混凝土结构设计原理(yunl)第3章主 页目 录上一章(y zhn)帮 助表框架(kun ji)梁惯性矩取值楼板类型楼板类型边框架梁边框架梁中框架梁中框架梁现浇楼板现浇楼板I=1.5I0I=2.0I0

12、装配整体式楼板装配整体式楼板I=1.2I0I=1.5I0装配式楼板装配式楼板I=I0I=I0注： I0为梁按矩形截面计算的惯性矩， 。30121bhI 第28页/共94页第二十九页，共94页。2框架结构的计算(j sun)简图计算单元 框架结构的计算单元及计算模型第29页/共94页第三十页，共94页。 框架结构是多层房屋(fngw)的主要结构形式，也是高层建筑的基本结构单元。第30页/共94页第三十一页，共94页。框架结构房屋是空间结构体系，一般应按三维空间结构进行分析。但对于平面(pngmin)布置较规则的框架结构房屋，为了简化计算，通常将实际的空间结构简化为若干个横向或纵向平面(pngmi

13、n)框架进行分析，每榀平面(pngmin)框架为一计算单元。 第31页/共94页第三十二页，共94页。 就承受竖向荷载而言，当横向（纵向）框架承重，且在截取横向（纵向）框架计算时，全部竖向荷载由横向（纵向）框架承担，不考虑纵向（横向）框架的作用。 当纵、横向框架混合承重时，应根据结构的不同特点(tdin)进行分析，并对竖向荷载按楼盖的实际支承情况进行传递，这时竖向荷载通常由纵、横向框架共用承担。第32页/共94页第三十三页，共94页。框架结构计算(j sun)简图第33页/共94页第三十四页，共94页。在框架结构的计算简图中，梁、柱用其形心线表示，梁与柱之间的连接用节点表示，梁或柱的长度用节点

14、间的距离(jl)表示。 由前图可见，框架柱轴线之间的距离(jl)即为框架梁的计算跨度；框架柱的计算高度应为各横梁形心轴线间的距离(jl)，当各层梁截面尺寸相同时，除底层外，柱的计算高度即为各层层高。第34页/共94页第三十五页，共94页。对于梁、柱、板均为现浇的情况(qngkung)，梁截面的形心线可近似取至板底。对于底层柱的下端，一般取至基础顶面； 当设有整体刚度很大的地下室；且地下室结构的楼层侧向刚度不小于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍时，可取至地下室结构的顶板处。第35页/共94页第三十六页，共94页。在实际工程中，框架柱的截面尺寸(ch cun)通常沿房屋高度变化。 当上层柱截面尺寸(

15、ch cun)减小但其形心轴仍与下层柱的形心轴重合时，其计算简图与各层柱截面不变时的相同。第36页/共94页第三十七页，共94页。当上、下层柱截面尺寸不同且形心轴也不重合时，一般采取近似方法，即将顶层柱的形心线作为整个柱子的轴线。 但是必须注意，在框架结构的内力和变形分析(fnx)中，各层梁的计算跨度及线刚度仍应按实际情况取；第37页/共94页第三十八页，共94页。另外，尚应考虑上、下层柱轴线不重合，由上层柱传来的轴力在变截面处所产生(chnshng)的力矩。此力矩应视为外荷载，与其他竖向荷载一起进行框架内力分析。 第38页/共94页第三十九页，共94页。变截面(jimin)柱框架结构的计算简

16、图第39页/共94页第四十页，共94页。框架结构上的荷载(hzi) 作用在多、高层建筑结构上的荷载有竖向荷载和水平荷载。 竖向荷载包括恒载和楼（屋）面活荷载。 水平荷载包括风荷载和水平地震作用。第40页/共94页第四十一页，共94页。混凝土结构设计原理(yunl)第3章主 页目 录上一章(y zhn)帮 助框架(kun ji)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。0zszkww风载另讲第41页/共94页第四十二页，共94页。 楼面活荷载(hzi) 作用在多、高层框架结构上的楼面活荷载(hzi)，可根据

17、房屋及房间的不同用途按荷载(hzi)规范取用。 应该指出，荷载(hzi)规范规定的楼面活荷载(hzi)值，是根据大量调查资料所得到的等效均布活荷载(hzi)标准值，且是以楼板的等效均布活荷载(hzi)作为楼面活荷载(hzi)。第42页/共94页第四十三页，共94页。框架结构上的水平(shupng)荷载风荷载: 当计算主要承重结构时，垂直于建筑物表面的风荷载标准值按下式计算，对于多、高层框架结构房屋，式中的计算参数应按规定采用。第43页/共94页第四十四页，共94页。风荷载(hzi) 框架结构上的水平荷载第44页/共94页第四十五页，共94页。竖向荷载作用(zuyng)下框架结构内力的近似计算在

18、竖向荷载作用下，多、高层框架结构的内力可用力法、位移法等结构力学方法计算。工程设计中，如采用手算，可采用分层法、弯矩二次分配法等近似方法计算。第45页/共94页第四十六页，共94页。分层法 竖向荷载作用下框架结构的受力特点及内力计算(j sun)假定：（1）不考虑框架结构的侧移对其内力的影响；（2）每层梁上的荷载仅对本层梁及其上、下柱的内力产生影响，对其他各层梁、柱内力的影响可忽略不计。 第46页/共94页第四十七页，共94页。分层法 应当指出，上述假定中所指的内力(nil)不包括柱轴力，因为某层梁上的荷载对下部各层柱的轴力均有较大影响，不能忽略。第47页/共94页第四十八页，共94页。竖向荷

19、载(hzi)作用下分层计算示意图第48页/共94页第四十九页，共94页。分层法计算要点（1）将多层框架沿高度分成若干单层无侧移的敞口框架，每个敞口框架包括本层梁和与之相连的上、下层柱。梁上作用的荷载、各层柱高及梁跨度(kud)均与原结构相同。第49页/共94页第五十页，共94页。（2）除底层柱的下端外，其他各柱的柱端应为弹性约束(yush)。为便于计算，均将其处理为固定端。 这样将使柱的弯曲变形有所减小，为消除这种影响，可把除底层柱以外的其他各层柱的线刚度乘以修正系数0.9。 分层法计算要点第50页/共94页第五十一页，共94页。（3）用无侧移框架的计算(j sun)方法（如弯矩分配法）计算(

20、j sun)各敞口框架的杆端弯矩，由此所得的梁端弯矩即为其最后的弯矩值； 因每一柱属于上、下两层，所以每一柱端的最终弯矩值需将上、下层计算(j sun)所得的弯矩值相加。 在上、下层柱端弯矩值相加后，将引起新的节点不平衡弯矩，如欲进一步修正，可对这些不平衡弯矩再作一次弯矩分配。第51页/共94页第五十二页，共94页。 如用弯矩分配法计算各敞口框架的杆端弯矩，在计算每个节点周围(zhuwi)各杆件的弯矩分配系数时，应采用修正后的柱线刚度计算； 底层柱和各层梁的传递系数均取1/2，其他各层柱的传递系数改用1/3。第52页/共94页第五十三页，共94页。（4）在杆端弯矩求出后，可用静力平衡条件计算梁

21、端剪力及梁跨中弯矩。 由逐层叠加柱上的竖向荷载（包括节点(ji din)集中力、柱自重等）和与之相连的梁端剪力，即得柱的轴力。第53页/共94页第五十四页，共94页。弯矩二次分配(fnpi)法具体计算步骤：（1）根据各杆件的线刚度(n d)计算各节点的杆端弯矩分配系数，并计算竖向荷载作用下各跨梁的固端弯矩。第54页/共94页第五十五页，共94页。（2）计算框架各节点的不平衡弯矩，并对所有节点的不平衡弯矩同时进行第一次分配(fnpi)（其间不进行弯矩传递）。弯矩二次分配法第55页/共94页第五十六页，共94页。（3）将所有杆端的(dund)分配弯矩同时向其远端传递（对于刚接框架，传递系数均取1/

22、2）。 第56页/共94页第五十七页，共94页。（4）将各节点因传递弯矩而产生的新的不平衡弯矩进行第二次分配(fnpi)，使各节点处于平衡状态。 至此，整个弯矩分配(fnpi)和传递过程即告结束。 第57页/共94页第五十八页，共94页。（5）将各杆端的(dund)固端弯矩、分配弯矩和传递弯矩叠加，即得各杆端弯矩。第58页/共94页第五十九页，共94页。水平荷载作用下框架结构的内力(nil)和侧移可用结构力学方法计算，常用的近似算法有反弯点法、D值法等。 水平荷载(hzi)作用下框架结构的受力及变形特点第59页/共94页第六十页，共94页。 D 值 法（ 1）求层剪力框架(kun ji)第2层

23、脱离体图第60页/共94页第六十一页，共94页。 框架(kun ji)层剪力（Vi）按右式分配给各柱第61页/共94页第六十二页，共94页。（2）框架柱的侧向(c xin)刚度D值：一般规则框架中的柱2c2c12122hihiKKVDcKK2c第62页/共94页第六十三页，共94页。称为柱的侧向刚度(n d)修正系数，它反映了节点转动降低了柱的侧向刚度(n d)，而节点转动的大小则取决于梁对节点转动的约束程度。，这表明梁线刚度(n d)越大，对节点的约束能力越强，节点转动越小，柱的侧向刚度(n d)越大。 现讨论底层柱的D值。 cK1c第63页/共94页第六十四页，共94页。 同理，当底层柱的

24、下端(xi dun)为铰接时，可得 KK215 . 0c第64页/共94页第六十五页，共94页。第65页/共94页第六十六页，共94页。（ 3）层剪力在各柱间的分配(fnpi)该式即为层间剪力Vi在各柱间的分配公式，它适用于整个框架结构同层各柱之间的剪力分配。可见，每根柱分配到的剪力值与其(yq)侧向刚度成比例。第66页/共94页第六十七页，共94页。（ 4）柱的反弯点高度(god)比y框架(kun ji)各柱的反弯点高度比y可用下式表示： 反弯点高度示意图 y = yn + y1 + y2 + y3第67页/共94页第六十八页，共94页。柱的反弯点高度(god)比y式中：yn表示标准(bio

25、zhn)反弯点高度比，可 由附表19.1或19.2查得；y1表示上、下层横梁线刚度变 化时反弯点高度比的修正值；y2、y3表示上、下层层高变化 时反弯点高度比的修正值。第68页/共94页第六十九页，共94页。第69页/共94页第七十页，共94页。第70页/共94页第七十一页，共94页。梁刚度(n d)变化时反弯点的修正第71页/共94页第七十二页，共94页。第72页/共94页第七十三页，共94页。第73页/共94页第七十四页，共94页。 框架结构侧移的近似计算水平(shupng)荷载作用下框架结构的侧移如图所示，它可以看作由梁、柱弯曲变形引起的侧移和由柱轴向变形引起的侧移的叠加。前者是由水平(

26、shupng)荷载产生的层间剪力引起的，后者主要是由水平荷载产生的倾覆力矩引起的。第74页/共94页第七十五页，共94页。框架(kun ji)剪切变形（1）梁、柱弯曲(wnq)变形引起的侧移 第75页/共94页第七十六页，共94页。（2）柱轴向变形(bin xng)引起的侧移框架弯曲(wnq)变形第76页/共94页第七十七页，共94页。5框架结构的水平(shupng)位移控制框架结构的侧向刚度过小，水平位移过大，将影响正常使用；侧向刚度过大，水平位移过小，虽满足(mnz)使用要求，但不满足(mnz)经济性要求。因此，框架结构的侧向刚度宜合适，一般以使结构满足(mnz)层间位移限值为宜。我国高层

27、规程规定，按弹性方法计算的楼层层间最大位移与层高之比u/h宜小于其限值u/h，即：u/h表示层间位移角限值，对框架结构取1/550；h为层高。u/h u/h 第77页/共94页第七十八页，共94页。5框架结构的水平(shupng)位移控制由于变形验算属正常使用极限状态的验算，所以计算u时，各作用分项系数(xsh)均应采用1.0，混凝土结构构件的截面刚度可采用弹性刚度。另外，楼层层间最大位移u以楼层最大的水平位移差计算，不扣除整体弯曲变形。第78页/共94页第七十九页，共94页。1荷载(hzi)效应组合（1）控制截面及最不利内力框架柱控制截面最不利内力组合一般有以下几种： 1）|M|max及相应

28、的N和V； 2）|N|max及相应的M和V； 3）Nmin及相应的M和V； 4）|V|max及相应的N。 这四组内力组合的前三组用来计算柱正截面受压承载力，以确定纵向受力钢筋数量；第四组用以计算斜截面受剪承载力，以确定箍筋数量。第79页/共94页第八十页，共94页。梁端的控制(kngzh)截面第80页/共94页第八十一页，共94页。（2）荷载的不利(bl)布置框架杆件的变形(bin xng)曲线活荷载最不利荷载布置法 A 逐层逐跨计算组合法第81页/共94页第八十二页，共94页。第82页/共94页第八十三页，共94页。对于高层框架结构，荷载(hzi)效应组合的设计值应按下式确定： （3）荷载(

29、hzi)效应组合WQ,分别为楼面活荷载组合值系数和风荷载组合值系数，当永久荷载效应起控制作用时应分别取0.7和0.0；当可变荷载效应起控制作用时应分别取1.0和0.6或0.7和1.0。 第83页/共94页第八十四页，共94页。（1）框架(kun ji)梁2构件(gujin)设计为了避免梁支座处抵抗负弯矩的钢筋过分拥挤，以及在抗震结构中形成梁铰破坏机构增加结构的延性，可以考虑框架梁端塑性变形内力重分布，对竖向荷载作用下梁端负弯矩进行调幅。对现浇框架梁，梁端负弯矩调幅系数可取0.80.9；对于装配整体式框架梁，由于梁柱节点处钢筋焊接、锚固、接缝不密实等原因，受力后节点各杆件产生相对角变，其节点的整

30、体性不如现浇框架，故其梁端负弯矩调幅系数可取0.70.8。第84页/共94页第八十五页，共94页。框架梁端截面负弯矩调幅后，梁跨中截面弯矩应按平衡条件相应(xingyng)增大。截面设计时，框架梁跨中截面正弯矩设计值不应小于竖向荷载作用下按简支梁计算的跨中截面弯矩设计值的50%。 应先对竖向荷载作用下的框架梁弯矩进行调幅，再与水平荷载产生的框架梁弯矩进行组合。第85页/共94页第八十六页，共94页。（2）框架(kun ji)柱柱截面最不利内力的选取框架柱的计算长度l0Hll)(15. 01u0Hl)2 . 02(min0柱的配筋计算中，需要确定柱的计算长度l0。混凝土结构设计规范规定，l0可按

31、下列规定确定： 1）一般多层房屋中梁柱为刚接的框架结构，各层柱的计算长度l0按表取用。 2）当水平荷载产生的弯矩设计值占总弯矩设计值的75%以上时，框架柱的计算长度l0可按下列两个公式计算，并取其中的较小值： 第86页/共94页第八十七页，共94页。 框架结构的构造(guzo)要求（）框架梁1梁纵向钢筋的构造要求梁纵向受拉钢筋的数量除按计算确定外，还必须考虑温度、收缩应力所需要的钢筋数量，以防止梁发生脆性破坏和控制裂缝宽度。纵向受拉钢筋的最小配筋百分率和最大配筋率要求。沿梁全长顶面和底面应至少各配置两根纵向钢筋，钢筋的直径不应小于12mm。框架梁的纵向钢筋不应与箍筋、拉筋及预埋件等焊接。2梁箍筋的构造要求 应沿框架梁全长设置箍筋。箍筋的直径、间距及配筋率等要求与一般梁的