框架结构设计指导书

1、框架结构设计指导书 （土木工程专业）二一一年三月第一部分 结构设计提纲一、首先要编写结构设计提纲俗话说“纲举目张”，实践证明结构设计提纲是指导结构施工图设计的纲领性文件。结构设计提纲是为开展结构施工图设计工作而编写的因此，一切有关亊项,相关数据，甚至重大问题的决策过程都应该编写进去。内容包括：（一）工程概况1. 建设单位和工程项目的名称，或子项目工程的名称2. 建设地点，该地区的地震烈度3. 结构平面划分区段，每个区段的结构类型、层数,主要使用功能、主要生产设备。4. 相邻建筑物的情况和影响关系，施工时深基坑的围护措施和其它注意如项。（二）设计依据1本工程应遵循的主要结构设计规范的名称和代号。

2、2 察报告3各种结构设计等级的确定抗震设防烈度、设计近震和远震、建筑物抗震重要性的分类、现浇钢筋混 凝土结构的抗震等级；混凝土结构的安全等级；防火的建筑物分类和耐火等级；应用其它规范时的相应等级。4. 特殊的设计要求如耐高温、防渗漏、楼面机械派动、结构或构件的变形限制等。（三）荷载取值1. 风荷载、雪荷载、楼面荷载和特殊荷载的标准值,必要时说明其分项系数和组合系数。2. 地震荷载的调整系数例如次长周期（T1=23秒）高层建筑的地震荷载调整系数可取 1.51.8（自振周期越长、系数越大）。（四）上部结构1. 结构选型、根据所设计建筑物的情况，选择适合本建筑物的最佳形式。2. 温度伸缩缝、沉降缝和

3、防震缝的设置和做法。3. 材料（框架结构说明填充材料）。4. 主要计算参数5. 结构计算原则、方法和手段；手算时应说明其依据或出处；电算时应说明软件的编制单位名称、代号和版本。6. 主要构件的截面尺寸和控制配筋率。7. 主要构造措施和施工要求。（五）地基基础1地基处理方法,经处理后采用地基土承载力设计值。采用桩基时单桩竖向承 载力标准值或设计值。2 沉降观测的布置和要求,沉降计算方法。3 基础选型。4 基础材料。5 主要计算参数。6基础计算原则方法和手段：手算时应说明依据或出处；电算时应说明软件的编制单位名称、代号和版本。7主要构件（或部件）的截面尺寸和控制配筋率。8主要构造措施和特殊施工要求

4、。（六）其它第二部分 结构方案确定及结构计算一、结构体系的选择和结构布置（一）结构体系的选择在设计钢筋混凝土多层及高层地筑结构时可供选择的结构体系有；框架结构；框架剪力墙结构；剪力墙结构；框支剪力墙结构；筒体结构和巨型结构等目前，我国采用较多的是前5种设计中究竟采用哪种结构体系，要经过方案比较确定，这主要要看拟建筑物的高度、用途和施工条件和经济比较等如果拟建建筑物为宿舍，高度又比较高，那么自然要选择剪力墙结构。因为居住建筑要有足够的隔墙如拟建建筑物为厂房或实验室，则最好采用框架结构，因为这类建筑要求开间大，多变，布置灵活，竖向构件越少越好再如拟建建筑为高层办公楼或公寓，当 3高度不太高时，宜采

5、用框架剪力墙结构；当高度较高宜采用外框架内核芯筒结构；再高时最好采用筒中筒结构，即采用外框架筒和内核芯筒结构此类结构外框架筒可以开窗以满足采光要求，在内筒中布置楼电梯井,管道竖井及生活间等而在竖井周围布置大面积房间作为公用房，隔墙可采用轻质的或采用半隔断的，这样布设灵活、自由，（二）结构布置高层框架结构应在纵横两个方向都布置成框架，不得采用横向为框架、纵向为铰接排架的结构体系。高层建筑结构纵横两个方向都承受很大的水平力，都必须做成多次超静定的抗侧力结构。若纵向做成铰接排架结构是不适宜的。因此，高层框架柱宜采用方形截面或近似于方形截面，截面高度与宽度之比不宜大于 1.5。高层框架梁、柱轴线宜在一

6、个平面内，尽量避免梁位于柱的一侧。反之，如果梁偏置，则 内力计算中必须考虑附加的偏心弯矩，而且节点构造也要考虑偏心的不利影响。框架的填充墙宜放在框架平面内，砌体墙每隔500-600mm应用26水平拉结钢筋与柱子可靠拉结。当层高大于4m时，在半层高处宜加设一道水平钢筋带。如果建筑上必须将填充墙外贴在柱子上，则每层宜设一道圈梁，并沿柱子全高都要与填充墙用水平拉结钢筋可靠拉结。唐山地震中，北京百货大楼顶层角部外贴砖墙倒坍就是构造不当的典型例子，所 以外贴砖墙尽量不采用。在全装配框架中，柱接头比较难处理，特别是层数多、荷载大的情况下，柱的主筋直径大、根数多，焊接工作量大，操作困难；节点的后浇混凝土往往

7、不密实，出现孔洞、间隙。所以，装配式框架宜优先采用预制梁板现浇柱的方案，柱用工具式模板现场浇灌，施工时预制梁可以直接支承在柱内或支承在工具式钢模板上，到达指定强度后拆除柱的模板。预制梁宜采用叠合梁，使楼板锚固在粱的叠合部分中，以加强楼板的整体刚度。高层框架梁柱的混凝土强度不宜低于C25级(25MPa)。柱的混凝土强度一般用C30级 以上。当层数多、荷载大时，混凝土强度可用至C40级(40MPa)。节点区的混凝土强度应与柱的混凝土强度一致。因此，最好柱的施工缝留在梁上皮标高上，柱与节点区的混凝土同时浇筑。但目前许多工程的施工方法常常是将柱的施工缝留在梁下皮标高上，节点区的混凝土与框架梁一并浇筑。

8、这种情况下如果梁的混凝土强度低于柱混凝土强度太多，节点区的混凝土强度必然也会低于柱子混凝土强度太多，就会形成节点区的薄弱点，对抗震非常不利。所以，如果没有采用专门措施来浇筑节点区混凝土，有可能使节点区的混凝土强度较低，梁、柱混凝土强度相差不 4应大于5MPa。(三)框架柱的截面尺寸框架柱截面宜采用正方形或接近于正方形，在两个主轴方向上，刚度不宜相差太大，矩形柱的边长比不宜超过1:1.5。柱截面尺寸应考虑以下要求：(1) 截面高度hc不宜小于400mm；截面宽度bc不宜小于350mm；(2) 柱净高Hc0与截面高度hc之比宜大于4，在有抗震设计要求时不得小于3；(3)柱承受的水平剪力Vc应符合以

9、下要求：Vc0.25bchc0fc (无地震作用组合) (1) Vc0.2gREbchc0fc (有地震作用组合)（4）地震作用和重力荷载共同作用下产生的轴压比mc=N/bchcfc应满足表1的要求。初估柱子的轴向力 Nc=gGwSNsb1b2 (2) 式中 gG分项系数，取为125；当柱的净高与截面长边尺寸之比小于4时，轴压比限值应予减小005。类场地土的较高建筑物也应从严控制。不作抗震设计时，柱的轴压比可以放宽至不超过1.0。当轴压比不能满足要求时，首先应考虑加大柱的截面面积Ac，其次可以提高混凝土的强度fc。框架结构的重量约为1214kN/m，所以在初步设计中，估算柱子截面可按下列公式2

10、w一单位面积重量，取1214kN/m2；2 S一柱的承载楼面面积(m)；Ns截面以上楼层数；b1一级、二级抗震设计角柱为1.3，其余情况为1.0；b2由于水平力使轴力增大的系数：非抗震设计、6度及7度抗震设计：b2=1.05；8度抗震设计：b2=1.1；9度抗震设计b2=1.2。按式(1)决定柱截面是否满足抗剪要求时，初步设计阶段，其剪力可按下式估算Vc=gbv 式中 V一楼层剪力； Ac柱截面面积；AcV Ac(3)Ac楼层全部柱截面面积；g一分项系数，风荷载取为1.4；地震作用取为1.3；bv柱剪力的增大系数，按表2取值。AchV (4) Ac2为估算柱子的偏心受压承载能力，首先估算柱的弯

11、矩的大约数值 Mc=bMg式中 h层高；bM一柱弯矩增大系数，按表3取值。轴力Nc可按式(2)估算。然后计算偏心距e和混凝土受压区高度x：e=Mc+0.5hc0-0.04mNcNca1fcbc1 x=要求偏心距e满足下式条件： e式中 gREhc0 -2x+0.008fybchc0(hc0-0.04m) （5）gRE在抗震设计时取为08；非抗震设计时gRE不考虑。bc,hc0柱截面宽度、有效高度；fc 一混凝土轴心受压强度设计值；fy钢筋强度设计值。柱截面尺寸满足轴压比要求(表1)、抗剪要求(式(1)、偏心受压要求(式(5)后，大体上认为合适，待正式计算时最后确定。按国内工程实践经验，框架柱底

12、层总截面面积与楼面面积之比大约在1.5-3范围内较合适。(四)框架梁的截面尺寸(1)基本尺寸要求框架梁的最小截面尺寸为250mm400mm，一般情况下，梁高可取为跨度L的18112。梁的截面高度不宜大于宽度的4倍。由于要求框架梁柱的轴线尽量处于同一平面内，最大偏心e不应大于柱截面边长的L/4，所以当粱边与柱边相齐时，梁宽至少为柱宽的一半。此外，为保证梁有足够的刚度与柱连为整体，使节点区可靠工作，梁宽宜不小于柱宽的一半。(2)抗剪要求梁的截面尺寸应符合抗剪的要求，在估算梁的截面时，梁的剪力可按下式估算： Vb=gGVGkbEvbb （6） 式中 VGk梁由于直接的重力荷载产生的剪力的标准值；gG

13、分项系数，取为1.25；bEv由于地震作用、风力作用使剪力增大的系数，bEv取1.5-2.5；bb梁的剪力调整系数，一级抗震时取为1.3；二级取为1.05；其余情 7况下取1.0。梁的剪力Vb应满足以下条件：无地震组合： Vb0.25bbhbfc有地震组合： Vb式中,gRE取为0.85。(3)抗弯要求梁的弯矩可近似按下式估算Mb=gGMGkbEb (8) 式中 MGk由直接静力荷载产生的弯矩标准值； 1gRE(0.20bbhbfc) (7)gG分项系数，取为1.25；bEb由于地震作用和风力作用使梁端弯矩增大的系数，可取为1.5 3.0；由此可近似估算其配筋是否超筋：有地震组合 As=0.7

14、5Mb (9) 0.7hc0fy无地震组合 As=Mb 0.7hc0fyAs0.025 bbhc0 要求 rs=如不能满足最大配筋率的限制，宜加大截面高度。受压区混凝土高度x可按下式计算：x=Asfybba1fc (10)要求受压区高度x不超过0.25hb0(一级抗震设计)和0.35hb0 (其他情况)，不满足时宜加大截面尺寸，也可以提高混凝土强度等级。(五)、适宜周期和适宜地震作用力当然，上述梁、柱截面尺寸的估计方法还是比较粗略的，只用于方案阶段和初步设计阶段初估截面，以便进行详细的结构计算。进行结构分析、截面设计后，如果设计结果符合下列要求时，可以认为设计是可行的：(1)位移不超过限值；(

15、2)梁抗剪符合要求，没有超筋，受压区高度满足要求；(3)柱抗剪满足要求，没有超筋，轴压比符合要求。另一方面，框架设计是否合理也可以由它的综合指标自振周期和底部地震剪力反映出来。从国内的设计经验来看，框架的基本自振周期在下列范围内认为是较合理的：T1=(0.080.12)Ns(s)式中，Ns为框架的层数。相应地，底部剪力系数a在表4范围内较为合适。二、框架结构的计算（一）横向水平地震力计算。1. 重力荷载代表值的计算计算地震作用时，建筑物的重力荷载代表值，可按表5取用。重力荷载代表值取值 表 52. 框架在水平荷载作用下的计算在进行内力与位移计算时,现浇楼板可作为框架梁的有效翼缘，每侧翼缘的有效

16、宽度为板厚的6倍，然后按T形截面或L形截面计算梁的惯性矩。为简化计算，也允许按下式计算梁的惯性矩：边框架梁 I=1.5I0中框架梁 I=2.0I0式中，I为矩形部分的惯性矩。当采用装配式楼盖时，视装配式楼盖与梁连接的整体性，取等于或小于上述数值；当板与梁无可靠连接时，不考虑翼缘的作用，惯性矩按矩形部分计算。 D值法的基本原理D值指框架柱的抗推刚度，即柱子产生单位位移所需施加的水平力。柱子的D值越大，产生单位位移时要施加的水平力就越大。所以在同一楼层中，各柱水平位移相等时，楼层水平力就按各柱的D值分配到各柱上，从而直接求得各柱的剪力。柱剪力求得后，框架全部内力便可由平衡条件逐一求出。 用D值法进

17、行框架内力计算的步骤如下：(1)将外荷载产生的楼层剪力巧按备柱的D值比例分配，得柱剪力l。(2)求出柱的反弯点高度y，由几及y可得柱端弯矩。(3)由节点平衡条件，节点上下柱端弯矩之和应等于节点左右粱端弯矩之和，由此求得梁端弯矩。（4）将梁左右端弯矩之和除以梁跨，可得梁的剪力。（5）从上到下，逐层叠加左右梁的剪力，得柱的轴力。至此，框架全部内力即可求得。这里的关键问题是如何计算柱的抗推刚度D和如何求出柱的反弯点高度y。 柱子的抗推刚度抗推刚度D是使柱子产生单位水平位移所施加的水平力，即D=Vd （11）式中 V施加在柱上的水平力；d柱子的水平位移。由结构力学的位移法计算单柱(柱端有梁)剪力V与位

18、移d的关系，可得 D值的计算公式： D=acKc式中 h层高；Kc柱的线刚度；12 （12） 2hac与梁柱刚度比有关的系数，参见文献12计算。当同一层中有个别柱子的高度h与一般柱高不等时，特殊柱的抗推刚度D可按式（13）计算：D式中 =acKc12h2 （13）ac 按h计算的ac参数；EI Kc特殊柱的线刚度， Kc=cc h框架柱的反弯点高度框架柱的反弯点高度y按（14）式计算y=y0+y1+y2+y3 （14）式中 y0标准反弯点高度；（参见文献12）y1上、下层梁刚度不等时的修正值；（参见文献12）（参见文献12） y2,y3上、下层层高不等时的修正值；框架内力的计算1 第i层第j柱

19、的柱剪力Vij按式（15）计算：Vij=ViDjDjj （15）式中 Vi由外荷载产生的第i层层剪力；Di第j柱的抗推刚度，按式（12）计算。2 柱端弯矩M1,M2按式（16）计算：M1=V(h-y)M2=Vy （16）式中 V柱的剪力；y反弯点高度，由式（14）计算：3 梁端弯矩按式（17）计算：Mb1=(Mc1+Mc2)Kb1Kb1+Kb2Kb2Kb1+Kb2 （17） Mb2=(Mc1+Mc2)式中 Mb1,Mb2左梁及右梁的梁端弯矩；Mc1,Mc2上柱及下柱的柱端弯矩；Kb1,Kb2 一左梁及右梁的线刚度。4梁剪力可由梁左端弯矩与右端弯矩之和除以梁跨求得。5柱轴力可从上到下逐层叠加左右

20、梁的剪力求得。水平位移的计算高层框架的水平位移，可分为两部分：由于框架梁柱弯曲变形产生的位移dM和由于柱轴向变形产生的位移dNd=dM+dN （18）Vi （19） DidM可由D值法求得。框架第i层的层间位移为 di=式中 Vi 一第i层层剪力；Di第i层所有柱子D值之和：Di=框架的顶点位移为 dMD =d jniji若框架顶点作用有水平力P，边柱轴力为土N，产生水平位移dN，这时外力作功为i=11PdN，它变为边柱的变形能，由内外功相等的条件可得 211N(x)PdN=2N(x)22Ac(x)Ec(x)P2x21=2f(x)dxAc1Ec10BH式中，f（x）是表示顶层柱与底层柱刚度比的

21、函数，Ac1Ec1为底层柱的刚度。三、框架结构在竖向荷载作用下的计算在竖向荷载作用下的框架内力，作为简化计算方法可用分层法。此时，每层框架梁连同上下层框架柱作为基本计算单元，柱的远端按固定端考虑。竖向荷载产生的梁固端弯矩只在本单元内进行弯矩分配，单元之间不传递。分配完毕后梁的端弯矩可直接采用，柱的弯矩取相邻两个单元中同一柱对应弯矩之和。 梁端负弯矩求得后，可以考虑梁端由于塑性变形而产生的内力重分布，将梁端弯矩以降低，同时相应加大梁的跨中弯矩。调幅系数b对现浇框架取0.8-0.9；对装配式框架取0.70.8。将调幅后的梁端弯矩叠加简支梁弯矩即可得到梁的跨中弯矩M3。为使梁跨中钢筋不至于过少，保证梁跨中截面有足够的安全度，M3至少取简支梁弯矩的50。只有竖向荷载作用下的梁端弯矩可以调幅，水平荷载作用下的梁端弯矩是不允许调幅的，因此，必须将竖向荷载作用下产生的梁端弯矩先行调幅，然后再与水平地震作用或风力产生的弯矩叠加。如果先将它们组合在一起以后再乘上调幅系数b，则变成水平地震作用和风荷载产生弯矩予以折减，这是不正确的。由于只进行了梁端弯矩调幅，柱端弯矩未变动，所以节点弯矩之和不再为零。因此，节点的平衡校核必须在调幅之前进行；调幅后，节点的内力不再保持平衡。一般情况下，高