混凝土框架结构

1、第第4章章 混凝土框架结构混凝土框架结构4.1 多高层混凝土结构概述多高层混凝土结构概述 4.1.1 结构类型结构类型 钢筋混凝土钢筋混凝土: 承载力和刚度大、耐久性和耐火性好、可模性好。承载力和刚度大、耐久性和耐火性好、可模性好。应用广泛。应用广泛。 型钢混凝土、钢管混凝土型钢混凝土、钢管混凝土： 具有钢结构和混凝土结构的优点。具有钢结构和混凝土结构的优点。 混合结构混合结构： 由钢（或型钢混凝土、钢管混凝土）框架与钢筋由钢（或型钢混凝土、钢管混凝土）框架与钢筋混凝土筒体（或剪力墙）组成的高层建筑结构。混凝土筒体（或剪力墙）组成的高层建筑结构。上海环球金融中心上海环球金融中心上海环球金融中心

2、上海环球金融中心是位于是位于中国上海中国上海陆家嘴陆家嘴的一栋的一栋摩摩天大楼天大楼，20082008年年8 8月月2929日竣日竣工。楼高工。楼高492492米，地上米，地上101101层，是目前中国第八层，是目前中国第八高楼高楼（截至（截至20142014年年）、世界最）、世界最高的平顶式大楼。高的平顶式大楼。 上海环球金融中心建筑平面图：上海环球金融中心建筑平面图：Lower Floor Max. 12 TenantsHigher Floor Max. 14 Tenants4.1 多高层混凝土结构概述多高层混凝土结构概述 4.1.2 结构体系 框架体系 剪力墙体系 筒体体系 组合体系框架

3、结构框架结构1、什么是框架结构？、什么是框架结构？2、框架结构的优点？、框架结构的优点？3、框架结构的缺点？、框架结构的缺点？由梁柱组成的结构平面布置灵活侧向变形大，致使非结构构件破坏严重；不能建造较高的建筑。15-20层为宜。异形柱框架结构异形柱框架结构360040008000800066000300036000300066000800080004000360070000785078502300剪力墙结构剪力墙结构什么是剪力墙结构？剪力墙结构的优点？剪力墙结构的缺点？如何克服剪力墙结构的缺点，扩大其使用范围？利用混凝土墙体作为承受竖向荷载和抵抗水平荷载的结构。整体性好，刚度大，侧向变形小。布

4、置不灵活，结构自重大。底部大空间（设转换层)；跳层剪力墙。 不同形式剪力墙结构框架框架- -剪力墙结构（框架剪力墙结构（框架- -筒体结构）筒体结构）注意的问题：注意的问题：1 1、剪力墙的数量、剪力墙的数量2 2、剪力墙的布置及间距。、剪力墙的布置及间距。筒体筒体： 1. 实腹筒实腹筒 组成构件:由剪力墙围合而成的固定在基础上的悬臂箱形梁 2. 框筒框筒 组成构件:由密排柱和刚度很大的窗群梁形成的密柱深梁框架围合而成的筒体 3.桁架筒桁架筒 组成构件:由筒的四壁做成桁架,就形成桁架筒 香港中银大厦 组成构件:由实腹筒组成内部核心筒,外框筒或桁架筒组成图例：深圳国贸中心大厦 成束筒成束筒: 组

5、成构件:两个以上框筒（或其他筒体）排成一起成束状，称为成束筒. 图例：西尔斯大楼优点优点：具有很好的空间整体作用和抗风抗震性能，建筑布置灵活，能提供较大的可自由分隔的空间，适用于超高层（30层以上或100米以上）的办公楼、旅馆、综合楼等建筑。4.1 多高层混凝土结构概述多高层混凝土结构概述 4.1.3 结构总体布置结构总体布置 建筑平面力求简单、规则、对称。建筑平面力求简单、规则、对称。 竖向布置：结构的侧向刚度和承载力自下竖向布置：结构的侧向刚度和承载力自下而上逐渐减小、变化均匀、连续、不突变。而上逐渐减小、变化均匀、连续、不突变。4.1 多高层混凝土结构概述多高层混凝土结构概述 4.1.4

6、 结构分析方法结构分析方法 1.精细分析方法精细分析方法 空间杆系计算模型空间杆系计算模型 空间组合结构计算模型空间组合结构计算模型 2.简化分析方法简化分析方法 平面协同计算模型平面协同计算模型 空间协同计算模型空间协同计算模型4.1 多高层混凝土结构概述多高层混凝土结构概述 4.1.5 结构设计要求结构设计要求 承载力、刚度、延性、整体性、稳定性承载力、刚度、延性、整体性、稳定性4.2 框架结构的结构布置框架结构的结构布置 结构布置包括平面布置和竖向布置结构布置包括平面布置和竖向布置 结构平面布置主要进行柱网布置和选择结结构平面布置主要进行柱网布置和选择结构承重方案。构承重方案。4.2 框

7、架结构的结构布置框架结构的结构布置 民用建筑：小柱网：民用建筑：小柱网：3.3m、3.6m、4.0m、4.2m、4.5m 大柱网：大柱网：6.0m、 6.6m、7.2m、7.5m 跨度：跨度：4.8m、 5.4m、6.0m、6.6m、7.2m、7.5m 层高：层高： 2.8m4.8m4.2.1 柱网和层高柱网和层高4.2 框架结构的结构布置框架结构的结构布置 横向框架承重方案横向框架承重方案 纵向框架承重方案纵向框架承重方案 纵横向框架混合承重方案纵横向框架混合承重方案4.2.2 框架结构承重方案框架结构承重方案（1） 横向框架承重方案横向框架承重方案在这种布置方案中，主要承重框架沿房屋的横向

8、布置。在这种布置方案中，主要承重框架沿房屋的横向布置。沿房屋的纵向设置板和连系梁，见图沿房屋的纵向设置板和连系梁，见图4-15（a）。）。图图4-15（a）框架结构图）框架结构图 （2 2） 纵向框架承重方案纵向框架承重方案在这种布置方案中，主在这种布置方案中，主要承重框架沿房屋的纵向布置。沿房屋的横向设置板要承重框架沿房屋的纵向布置。沿房屋的横向设置板和连系梁，见图和连系梁，见图4-154-15（b b）。）。图图4-15（b）框架结构图）框架结构图 （3） 纵横向框架混合承重方案纵横向框架混合承重方案在这种布置方案中，主要承重框架沿房屋的纵、横向在这种布置方案中，主要承重框架沿房屋的纵、横

9、向布置，见图布置，见图4-15（c）。）。图图4-15（c）框架结构图）框架结构图 4.2.3 梁柱相交位置梁柱相交位置1 1、梁、柱轴线宜重合。、梁、柱轴线宜重合。2 2、偏心时，梁、柱中心线之间的偏心距不宜大于柱在该、偏心时，梁、柱中心线之间的偏心距不宜大于柱在该方面宽度的方面宽度的1/41/4。3 3、若不满足，增设梁的水平加腋。、若不满足，增设梁的水平加腋。4.2.4 结构缝的设置结构缝的设置 在初步设计阶段，确定结构方案在初步设计阶段，确定结构方案 ，进行结构平面布，进行结构平面布置时，除了要考虑梁、柱、墙等结构构件的布置外，还置时，除了要考虑梁、柱、墙等结构构件的布置外，还要考虑是

10、否要设置变形缝。用变形缝将房屋分成若干独要考虑是否要设置变形缝。用变形缝将房屋分成若干独立的部分，可以消除结构不规则、收缩和温度应力、不立的部分，可以消除结构不规则、收缩和温度应力、不均匀沉降对结构的有害影响。均匀沉降对结构的有害影响。 变形缝有变形缝有沉降缝、伸缩缝、防震缝沉降缝、伸缩缝、防震缝、构造缝、防连、构造缝、防连续倒塌的分隔缝等。续倒塌的分隔缝等。 为防止地基不均匀或房屋层数和高度相差很大引起房为防止地基不均匀或房屋层数和高度相差很大引起房屋开裂而设的缝称为屋开裂而设的缝称为沉降缝沉降缝。 沉降缝不但上部结构要断开，基础也要断开。沉降缝不但上部结构要断开，基础也要断开。 抗震设防的

11、结构，沉降缝的宽度应符合防震缝最小宽抗震设防的结构，沉降缝的宽度应符合防震缝最小宽度的要求。度的要求。 1.1.沉降缝沉降缝 在建筑物的下列部位宜设置沉降缝：在建筑物的下列部位宜设置沉降缝： 土层变化较土层变化较大处；大处； 地基基础处理方法不同处；地基基础处理方法不同处； 房屋在高度、重房屋在高度、重量、刚度有较大变化处；量、刚度有较大变化处； 建筑平面的转折处；建筑平面的转折处； 新建新建部分与原有建筑的交界处。部分与原有建筑的交界处。沉降缝由于是从基础断开，缝两侧相邻框架的距离可沉降缝由于是从基础断开，缝两侧相邻框架的距离可能较大，给使用带来不便，此时可利用挑梁或搁置预制梁、能较大，给使

12、用带来不便，此时可利用挑梁或搁置预制梁、板的方法进行建筑上的闭合处理。板的方法进行建筑上的闭合处理。(a) 设挑梁（板）；设挑梁（板）；(b) 设预制板（梁）设预制板（梁） 沉降缝的处理：沉降缝的处理： 设置沉降缝后，上部结构应在缝的两侧分别布置抗侧力设置沉降缝后，上部结构应在缝的两侧分别布置抗侧力结构，形成所谓双梁、双柱和双墙的现象。但将导致其他问结构，形成所谓双梁、双柱和双墙的现象。但将导致其他问题，如建筑立面处理困难、地下室渗漏不容易解决等。一般题，如建筑立面处理困难、地下室渗漏不容易解决等。一般地，建筑物各部分不均匀沉降差大体上有三种方法来处理：地，建筑物各部分不均匀沉降差大体上有三种

13、方法来处理：放放设沉降缝，让各部分自由沉降，互不影响，避免出设沉降缝，让各部分自由沉降，互不影响，避免出现由于不均匀沉降时产生的内力。现由于不均匀沉降时产生的内力。 采用采用“放放”的方法在结构设计时比较方便，但将导致建的方法在结构设计时比较方便，但将导致建筑、设备、施工各方面的困难。筑、设备、施工各方面的困难。 抗抗采用端承桩或利用刚度很大的基础。前者由坚硬采用端承桩或利用刚度很大的基础。前者由坚硬的基岩或砂卵石层来尽可能避免显著的沉降差；后者则用基的基岩或砂卵石层来尽可能避免显著的沉降差；后者则用基础本身的刚度来抵抗沉降差。础本身的刚度来抵抗沉降差。 采用采用“抗抗”的方法不设缝，基础材料

14、用量多，不经济。的方法不设缝，基础材料用量多，不经济。调调在设计与施工中采取措施，调整各部分沉降，在设计与施工中采取措施，调整各部分沉降，减少其差异，降低由沉降差产生的内力。减少其差异，降低由沉降差产生的内力。 采用采用“调调”的方法，采用介于两者之间的办法，调的方法，采用介于两者之间的办法，调整各部分沉降差，在施工过程中留出后浇带作为临时沉整各部分沉降差，在施工过程中留出后浇带作为临时沉降缝，等到各部分结构沉降基本稳定后再连为整体。降缝，等到各部分结构沉降基本稳定后再连为整体。通常有以下通常有以下“调调”的方法不设永久性沉降缝：的方法不设永久性沉降缝： 调整地基上压力调整地基上压力: :主楼

15、和裙房采用不同的基础形式主楼和裙房采用不同的基础形式, ,使各使各部分沉降基本均匀一致，减少沉降差；部分沉降基本均匀一致，减少沉降差； 调整施工顺序调整施工顺序: :施工先主楼，后裙房；主楼工期较长、施工先主楼，后裙房；主楼工期较长、沉降大，待主楼基本建成，沉降基本稳定后，再施工裙房，使沉降大，待主楼基本建成，沉降基本稳定后，再施工裙房，使后期沉降基本相近。后期沉降基本相近。 预留沉降差预留沉降差:地基承载力较高、有较多的沉降观测资料、地基承载力较高、有较多的沉降观测资料、沉降值计算较为可靠时，主楼标高定得稍高，裙房标高定得稍沉降值计算较为可靠时，主楼标高定得稍高，裙房标高定得稍低，预留两者沉

16、降差，使最后两者实际标高一致。低，预留两者沉降差，使最后两者实际标高一致。 混凝土收缩和温度应力常常会使混凝土结构产生裂缝。混凝土收缩和温度应力常常会使混凝土结构产生裂缝。为了避免收缩裂缝和温度裂缝，房屋建筑可以设置为了避免收缩裂缝和温度裂缝，房屋建筑可以设置伸缩缝伸缩缝。 在建筑中，顶层和底层温度应力问题比较严重，容易出在建筑中，顶层和底层温度应力问题比较严重，容易出现裂缝。现裂缝。 伸缩缝只设在上部结构，基础可不设伸缩缝。伸缩缝只设在上部结构，基础可不设伸缩缝。钢筋混凝钢筋混凝土框架结构的伸缩缝最大间距见下表。土框架结构的伸缩缝最大间距见下表。2.2.伸缩缝伸缩缝环境条件环境条件框架类别框

17、架类别室内或土中（室内或土中（m）露天（露天（m）装配式装配式7550现浇式现浇式5535 当建筑物平面复杂或房屋各部分刚度、高度和重量当建筑物平面复杂或房屋各部分刚度、高度和重量相差悬殊时，在地震作用下薄弱部位容易造成震害。相差悬殊时，在地震作用下薄弱部位容易造成震害。 处理的措施一种是加强各部分的连接，使整个结构处理的措施一种是加强各部分的连接，使整个结构整体性很强。另一种是设置防震缝，将房屋划分成简单整体性很强。另一种是设置防震缝，将房屋划分成简单规则的形态，使每部分成为独立的抗震单元。故在抗震规则的形态，使每部分成为独立的抗震单元。故在抗震设计时，建筑物各部分之间的关系应明确：如分开，

18、则设计时，建筑物各部分之间的关系应明确：如分开，则彻底分开；如相连，连接牢固。彻底分开；如相连，连接牢固。3.3.防震缝防震缝4.3.1框架梁、柱截面尺寸框架梁、柱截面尺寸 框架主梁，其截面形式在全现浇的整体式框架中以框架主梁，其截面形式在全现浇的整体式框架中以T形为多；在装配式框架中可做成矩形、形为多；在装配式框架中可做成矩形、T形、梯形和花篮形、梯形和花篮形等。形等。 框架柱的截面形式一般为矩形或正方形。框架柱的截面形式一般为矩形或正方形。1.1.梁、柱截面的形状梁、柱截面的形状4.3cbhfN /框架横梁截面形式框架横梁截面形式 2.2.梁、柱截面尺寸梁、柱截面尺寸 （1 1）框架梁）框

19、架梁 梁截面尺寸可参考受弯构件来初步确定。梁高梁截面尺寸可参考受弯构件来初步确定。梁高h hb b一般可取一般可取(1/8-1/12)l(1/8-1/12)lb b(l(lb b为梁的计算跨度），梁净跨与截面高度之比为梁的计算跨度），梁净跨与截面高度之比不宜小于不宜小于4 4。梁的宽度。梁的宽度b bb b=(1/2-1/3)h=(1/2-1/3)hb b，一般不宜小于，一般不宜小于200mm200mm。 选择梁截面尺寸还应符合规定的模数要求。选择梁截面尺寸还应符合规定的模数要求。 梁、柱截面尺寸应根据承载力、刚度及延性要求确定。梁、柱截面尺寸应根据承载力、刚度及延性要求确定。初步设计时需事先

20、估算。初步设计时需事先估算。(2) (2) 框架柱截面尺寸估算框架柱截面尺寸估算 框架柱截面常常采用正方形或矩形，有时也采用正多框架柱截面常常采用正方形或矩形，有时也采用正多边形、圆形和工字形。边形、圆形和工字形。 柱截面尺寸应考虑以下要求：柱截面尺寸应考虑以下要求：A A、截面高度、截面高度h h不宜小于不宜小于250mm250mm，圆柱截面直径不宜小于，圆柱截面直径不宜小于350mm;350mm;B B、柱净高与截面高度、柱净高与截面高度h h之比宜大于之比宜大于4 4，在有抗震设计要求，在有抗震设计要求时不得小于时不得小于3 3；C C、矩形柱的截面高度与宽度之比不宜大于、矩形柱的截面高

21、度与宽度之比不宜大于3 3；D D、柱截面的宽度一般取为、柱截面的宽度一般取为(1(115151 110)10)层高，高度一层高，高度一般取为般取为(1(12)2)柱的宽度柱的宽度; ;由于柱承受的轴压力较大，还必须满足轴压比限制的由于柱承受的轴压力较大，还必须满足轴压比限制的要求，实验表明变形能力随轴压比增大而急剧降低。要求，实验表明变形能力随轴压比增大而急剧降低。 轴压比：柱组合的轴压力设计值与柱的全截面面积轴压比：柱组合的轴压力设计值与柱的全截面面积和混凝土抗压强度设计值乘积之比，即和混凝土抗压强度设计值乘积之比，即 ccfnNAn式中：式中：N N为组合轴压力设计值；为组合轴压力设计值

22、； b b、h h为截面的短长边；为截面的短长边； fcfc为混凝土抗压强度设计值。为混凝土抗压强度设计值。 轴压比限值，它是控制偏心受拉轴压比限值，它是控制偏心受拉边钢筋先到抗拉强度，还是受压区混边钢筋先到抗拉强度，还是受压区混凝土先达到其极限压应变的主要指标。凝土先达到其极限压应变的主要指标。ccfNA2 . 1 1 . 1 非抗震设计：非抗震设计：ccfNA65.0ccfNA75. 0ccfNA85. 0nCFqN 抗震设计：抗震设计：一级抗震设防一级抗震设防：二级抗震设防：二级抗震设防：三级抗震设防：三级抗震设防：q q为折算在建筑面积上均为折算在建筑面积上均布竖向荷载（结构自布竖向荷

23、载（结构自重和活荷载）及填充重和活荷载）及填充墙重量。墙重量。n n为结构层数为结构层数C C为柱轴压力放大系数：为柱轴压力放大系数：等跨内柱取等跨内柱取1.21.2，不等，不等跨内柱取跨内柱取1.251.25，边柱，边柱取取1.3.1.3.F F为柱承受荷载的从属面为柱承受荷载的从属面积。积。 3. 3.梁截面的惯性矩梁截面的惯性矩 框架结构内力和位移计算中，需要计算梁的抗弯刚度，在框架结构内力和位移计算中，需要计算梁的抗弯刚度，在初步确定梁的截面尺寸后，可按材料力学方法计算梁截面惯性初步确定梁的截面尺寸后，可按材料力学方法计算梁截面惯性矩。由于楼板作为框架梁的翼缘参与工作，使得梁的刚度有所

24、矩。由于楼板作为框架梁的翼缘参与工作，使得梁的刚度有所提高，为了简化计算，作如下规定：提高，为了简化计算，作如下规定：框架结构的刚度取值框架结构的刚度取值 （1） 对现浇楼面的整体框架，中部框架梁对现浇楼面的整体框架，中部框架梁I=2I0；边框架；边框架梁梁I=1.5I0。其中。其中I0为矩形截面梁的惯性矩（图为矩形截面梁的惯性矩（图3.8(a)。4.3.2 框架结构计算简图框架结构计算简图 框架结构是由横向框架和纵向框架组成的空间结构。框架结构是由横向框架和纵向框架组成的空间结构。 为了简化计算，通常忽略它们之间的空间联系，而将空间为了简化计算，通常忽略它们之间的空间联系，而将空间结构体系简

25、化为横向和纵向平面框架计算，并取出单独的一榀结构体系简化为横向和纵向平面框架计算，并取出单独的一榀框架作为计算单元，该单元承受的荷载如图框架作为计算单元，该单元承受的荷载如图4-194-19中阴影部分所中阴影部分所示。示。图图4-19框架的计算单元框架的计算单元 框架结构的计算简图框架结构的计算简图4.3.3 框架结构上的荷载框架结构上的荷载注意：楼面活荷载注意：楼面活荷载设计楼板时直接取用设计楼板时直接取用计算梁、柱、墙时乘以折减系数计算梁、柱、墙时乘以折减系数4.4 竖向荷载作用下框架结构内力的近似计算竖向荷载作用下框架结构内力的近似计算4.4.1 分层法分层法4.4.2 弯矩二次分配法弯

26、矩二次分配法4.4.3 系数法系数法4.5 水平荷载作用下框架结构内力和侧移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4.5.1 受力及变形特点受力及变形特点4.5.2 D值法值法4.5.3 反弯点法反弯点法4.5.4 门架法门架法4.6 框架在求出内力以后，要通过内力组合求出梁、柱控框架在求出内力以后，要通过内力组合求出梁、柱控制截面的最不利内力，然后进行截面配筋计算及构造设计。制截面的最不利内力，然后进行截面配筋计算及构造设计。框架梁按照受弯构件设计，框架柱按照压弯构件设计。框架梁按照受弯构件设计，框架柱按照压弯构件设计。 4.61、控制截面及最不利内力、控制截面及最不利内力 对于框架横梁，其控制截面通常是两个支座截面及跨中对于框架横梁，其控制截面通常是两个支座截面及跨中截面。梁支座截面是最大负弯矩及最大剪力作用的截面，在截面。梁支座截面是最大负弯矩及最大剪力作用的截面，在水平荷载作用下可能出现正弯矩；而跨中控制截面常常是最水平荷载作用下可能出现正弯矩；而跨中控制截面常常是最大正弯矩作用的截面。大正弯矩作用的截面。 在组合前应经过换算求得柱边截面的弯矩和剪力。在组合前应经过换算求得柱边截面的弯矩和剪力。 柱的控制截面为柱的上、下两个端截面。柱的控制截面为柱的上、下两个端截面。柱的最不利内力可归纳为以下四种类型：柱的最