混凝土结构中册课件第13-1章框架结构

1、第第13-1章章 多层框架结构多层框架结构第一节第一节 概述概述一、建筑结构类型 结构按其采用的主要材料划分为下列类型：木结构钢结构 混凝土结构( (RC、PC) ) 砌体结构 组合结构(两种不同材料组成)二、混凝土结构体系(按主要构件的组成方式分) 框架结构 55m 剪力墙结构 120m 框架剪力墙结构 120m 筒体结构 高层建筑混凝土结构技术规程高层建筑混凝土结构技术规程（高规）（高规）JGJ3-2002、J186-2002规定规定10层及层及10层以上或高度超过层以上或高度超过28m的建筑，称的建筑，称为为高层建筑高层建筑. 多层及高层建筑的大致范围：多层及高层建筑的大致范围：多层建筑

2、：多层建筑：2-8（10）层；层；高层建筑：高层建筑：8（10）层；习惯上，对其中层；习惯上，对其中8（10）-18层层的建筑又称为的建筑又称为小髙层建筑小髙层建筑，18-40层的建筑称为层的建筑称为高层建筑高层建筑，40层的建筑称为层的建筑称为超高层建筑超高层建筑。 多层及高层建筑常用的结构体系：多层及高层建筑常用的结构体系：框架结构、剪力墙结构、框架结构、剪力墙结构、框架框架-剪力墙结构、筒体结构、框架剪力墙结构、筒体结构、框架-筒体结构筒体结构 框架结构的框架结构的特点特点：建筑平面布置灵活，立面处理容易，可：建筑平面布置灵活，立面处理容易，可适应不同房屋造型；但侧移刚度相对较小，房屋高

3、度不宜适应不同房屋造型；但侧移刚度相对较小，房屋高度不宜过高。过高。世界世界400米以上米以上9大高楼大高楼1、迪拜哈利法塔：阿联酋的哈利法塔已于、迪拜哈利法塔：阿联酋的哈利法塔已于 2010年年1月月4日竣工，它的日竣工，它的高度达到高度达到828米。米。2、台北、台北101大厦：总高度大厦：总高度508米，中国第一高楼米，中国第一高楼3、上海环球金融中心：设计建筑高度、上海环球金融中心：设计建筑高度492米，已于米，已于08年竣工。年竣工。4、吉隆坡双塔大楼（、吉隆坡双塔大楼（2栋）：马来西亚国家石油公司双塔大楼位于吉栋）：马来西亚国家石油公司双塔大楼位于吉隆坡市中心美芝律，高隆坡市中心美

4、芝律，高451.9米，共米，共88层。层。5、南京绿地广场、南京绿地广场-紫峰大厦：高紫峰大厦：高450米，米，89层层6、芝加哥西尔斯大厦：位于美国、芝加哥西尔斯大厦：位于美国 芝加哥，主体高芝加哥，主体高442米，米，108层。层。7、上海金茂大厦：上海标志性建筑之一，高、上海金茂大厦：上海标志性建筑之一，高420.5米，米，88层。层。8、香港国际金融中心大厦：位于香港、香港国际金融中心大厦：位于香港 中环，高中环，高420米，共米，共88层，为香层，为香港最高建筑物。港最高建筑物。9、广州珠江新城双塔之西塔：设计高度为、广州珠江新城双塔之西塔：设计高度为432米，预计米，预计2009年

5、竣工。年竣工。高度：高度：美国美国KVLY 电视塔高电视塔高628.8 米，加拿大国家电视塔米，加拿大国家电视塔 553.3 米）米） 层数：层数：西尔斯大楼西尔斯大楼110层、纽约世贸中心层、纽约世贸中心110层）层） 混凝土结构：混凝土结构：台北台北101屋顶屋顶 - 449.2 米）米） ， 162层层砼结构：砼结构： 601.0 米米建筑师：建筑师： 阿德里安阿德里安史密斯史密斯 承包商：南通六建建设集团承包商：南通六建建设集团 三星工程三星工程 / BESIX Arabtec 动土动土 ：2004年年9月月21日日 竣工：竣工： 2010年年1月月4日日比较比较 三、多层建筑的结构选

6、型三、多层建筑的结构选型（包括材料和体系的选型） 混凝土框架结构 砌体结构(8层，24m) 钢框架结构第二节第二节 多层框架结构的组成与布置多层框架结构的组成与布置一、一、定义及特点定义及特点 定义:框架结构就是由梁柱梁柱以刚接刚接相连接成的结构体系。 优点：建筑平面灵活，形成较大空间。 缺点：侧向刚度较小，水平位移较大，建筑高度受限制; (不考虑填充墙的作用不考虑填充墙的作用) 功能：作为主要承重体系, 承受竖向、水平荷载。二、框架结构的分类及组成二、框架结构的分类及组成 1、按施工方式分类、按施工方式分类1）全现浇：梁、柱、楼板均为现浇；）全现浇：梁、柱、楼板均为现浇；（2）半现浇：梁、柱

7、现浇，楼板预制；）半现浇：梁、柱现浇，楼板预制；（3）装配式：梁、柱、楼板均为预制，梁柱钢板焊接拼）装配式：梁、柱、楼板均为预制，梁柱钢板焊接拼 装而成；装而成；（4）装配整体式：梁、柱、楼板均为预制，但梁柱节点）装配整体式：梁、柱、楼板均为预制，但梁柱节点 区焊接或绑扎钢筋，浇筑节点区混凝土；区焊接或绑扎钢筋，浇筑节点区混凝土；（5）预应力框架：大跨度）预应力框架：大跨度1230m 注：半现浇、装配式及装配整体式抗震性能差，在许多地注：半现浇、装配式及装配整体式抗震性能差，在许多地 区已经禁用。目前大多采用现浇式混凝土框架。区已经禁用。目前大多采用现浇式混凝土框架。2、按几何形式分类、按几何

8、形式分类：规则、非规则 框架梁宜拉通、对直；框架柱宜纵横对齐、上下对 中；梁柱轴线宜在同一个竖向平面内。3、楼盖体系、楼盖体系（1）现浇RC楼盖（单向板、 双向板、井字梁、）（2）装配式RC楼盖（慎用）（3）现浇PC楼盖抽梁抽梁抽柱抽柱内收内收(退台退台)外挑外挑斜梁斜梁 4、墙体、墙体（填充墙、围护墙、非承重墙）（1）禁用粘土实心砖，提倡采用轻质墙体，如空心砖、多孔砖、轻质 砌块（2）与梁、柱连接：墙与柱之间通过钢筋柔性连接，形成有侧移框 架；为了保证墙体自身的刚度与稳定，超过一定长度/高度设置 圈梁、构造柱。三、框架结构布置三、框架结构布置 1、柱网布置、柱网布置 柱网：轴线 / 网格 /

9、 交点 / 柱 / 框架梁 (非框架梁) 布置原则：（1）宜规则(对称、整齐)（2）应满足生产工艺和建筑平面布置的要求布置的形式有： 旅馆、办公楼满足建筑平面布置要求的常用两种柱网布置方案：40004000750075002000500050007000纵向KL横向KL次梁(非框架梁)(a)(b)旅馆横向柱列布置旅馆横向柱列布置(a)办公楼横向柱列布置办公楼横向柱列布置400060005000200040004000600070004000(b)(3) 柱网布置要使结构受力合理 柱网布置时，应使结构在竖向荷载作用下内力分布均匀合理，各 构件材料强度均能充分利 用。(4)柱网布置应方便施工. 2

10、、承重框架的布置、承重框架的布置（1）框架结构中的梁系 框架梁(即两端均与柱相连接,框架方向的梁): 有横向、纵向框架梁 非框架梁：次梁、井式梁 悬挑梁（2）承重框架的布置方案 横向框架承重 纵向框架承重 纵横向框架承重（3）变形缝： 伸缩缝 沉降缝 防震缝预制板单向板600060006000600060006000600030006000井式梁横向框架承重纵向框架承重纵横向框架承重纵横向框架承重双向板框架梁变形缝:伸缩缝伸缩缝: 防止长度过大的建筑物，在温度应力作用下引起开裂等。l/ 2l/ 2 结构形式室内或土中露天框架结构装配式7550现浇式5535伸缩缝最大间距(m)-对于高度较小/屋

11、面隔热差/干热 高温/滑模施工的SW.应减小;-对于采用后浇带/采用预加应力可适当增加。沉降缝沉降缝: 当上部荷载及地质条件不均匀时,应设置以防止不均匀 沉降对结构产生的不利影响。伸缩缝和沉降缝的宽度50mm(并满足抗震缝要求）。防震缝防震缝: 当结构的平面、高度、刚度、质量分布不 同时，应设置防震缝。地震区的变形缝均需符合防震缝的要求，70mm3、 框架梁柱截面尺寸框架梁柱截面尺寸（1） 梁截面形状梁截面形状（2）梁柱截面尺寸）梁柱截面尺寸 梁截面尺寸 一般尺寸: h=(1/8-1/12)L, L为梁的跨度； 悬臂梁： h=(1/6-1/8)L. h不宜大于净跨的四分之一； 截面宽度：b=(

12、1/2-1/3)h, 且不宜小于0.5柱宽, 且不应小于 250mm 当采用扁梁时，h=(1/15-1/18)L 当采用迭合梁时，后浇部分截面高度不宜小于120毫米； 柱截面尺寸 柱截面高度h=(1/15-1/20)H, H为层高； 柱截面宽度b=(1-2/3)h; h=(1/8-1/12)L 应注意的问题：应注意的问题： 柱的截面高度不宜小于400mm，宽度不宜小于350mm; 柱轴压比限值柱轴压比限值轴压比的概念： -柱的轴压比； -混凝土轴心抗压强度设计值。 N -柱轴压力； A -柱的全截面面积；柱的截面高度不宜小于400mm，宽度不宜小于350mm;cAfNcf类别抗震等级一二三框架

13、柱0.650.750.85四0.95第三节第三节 框架结构的近似计算方法框架结构的近似计算方法一一、概述、概述 1、内力计算方法、内力计算方法 精确法：位移法、力法、力矩分配法、迭代法 近似法：分层法、反弯点法、D值法（2）电算：基于结构力学位移法的基本原理编制电算程序，由计算机 直接求出结构的变形、内力，以至各截面的配筋（PK-PM 系列、TBSA系列）空间结构分析法 2、手算与电算的关系、手算与电算的关系简化成平面结构分析（1）手算（1）从自然规律看：工程电算不能全部取代手算，电脑不能取代人 脑，机器人不能取代自然人；（2）从学习规律看：“三大力学”是土木工程学科的基本分析手段；（3）从电

14、算程序看：偏重于显示输入与输出，即建模和配筋等结果， 中间过程是“暗箱操作”, 必须由经过人工校核。3、多层框架结构近似计算的基本假定多层框架结构近似计算的基本假定（1）平面结构假定平面结构假定：即忽略框架之间的空间联系，从纵向和横向选取 若干榀典型的平面框架计算，竖向荷载和风荷载按受荷面积分 配，适用于多层、非抗震计算，不宜用于抗震；（2）楼层结构平面内绝对刚性楼层结构平面内绝对刚性假定假定：即忽略楼层结构的轴向变形；（3）忽略结构扭转忽略结构扭转。 由以上可知：在水平荷载作用下，各榀框架作刚体平动，楼 层标高处水平位移相等。二、框架结构的计算简图（一）计算单元（一）计算单元： 从纵、横向选

15、取若干榀典型的平面框架,框架结构的空间形式 平面形式, 如图2、节点的简化、节点的简化（如图所示） 刚接节点：如现浇式框架结构、装配整体式框架结构； 铰接节点：如装配式框架结构。刚接节点刚接节点(a)(b)(a)两块钢板对焊钢板灌缝(b)铰接节点铰接节点(二二)计算模型计算模型 1、支座的简化、支座的简化 当为现浇钢筋混凝土柱时，柱底与基础简化为刚接，即固定支座。 3、杆件的简化、杆件的简化 杆件按其轴线简化为直线，轴线取决于平面柱网。 注意注意：(1)轴线不一定与柱截面形心线重合； (2)上下柱截面尺寸变化时，柱一般以最小截面的形心线来表示； (3)上下柱截面尺寸变化时，会产生偏心。e4、跨

16、度与层高的确定、跨度与层高的确定（1）框架梁的跨度取柱的轴线距离L；（2）框架结构的层高（即结构层高） 底层：基础顶面至二层框架梁顶的高度H1 中间层：相邻层框架梁顶的距离H2H1H2L5、框架梁的截面惯性矩近似值、框架梁的截面惯性矩近似值I1.5I0I0边框架I2.0I0I0中框架现浇式楼盖现浇式楼盖装配式楼盖装配式楼盖I1.0I0I0预制板1全现浇全现浇1 建筑标高2 结构标高3 建筑层高4 结构层高2(现浇板)3 4（三）计算荷载（三）计算荷载 1、按作用性质分类、按作用性质分类 恒载（结构自重、建筑构造自重） 活载（屋面、楼面） 吊车荷载 风荷载 水平地震荷载 2、按作用方向分类、按作

17、用方向分类：竖向荷载和水平荷载竖向荷载竖向荷载(重力荷载)：一般为分布荷载，也有集中荷载。水平荷载水平荷载：一般均简化为作用于框架节点的水平集中力。6、其它简化、其它简化 跨度相差不超过10%时,按等跨计算内力; 屋面斜梁坡度不超过1/8时,按水平梁计算三、竖向荷载作用下的分层法 1、基本假定基本假定 （1）忽略竖向荷载作用下框架结构的侧向位移，即近似按 无侧移框架进行分析； （2）忽略本层竖向荷载对其它层的影响，即只计算竖向荷 载在本层梁及与之相连的柱中产生的弯矩和剪力。 2、计算简图及简化、计算简图及简化 依据：分层根据假定(2), 分别分析后迭加。近似固定近似固定四个开口刚架四个开口刚架

18、3 3、计算方法和分析步骤、计算方法和分析步骤（1）把框架分层分层,根据假定(1),各层开口框架用力矩分配法力矩分配法计算内力; 由于实际结构各柱柱端有转角 (分析中为固端),进行修正进行修正: : 除底层柱外，其它各层柱：除底层柱外，其它各层柱：柱的线刚度0.9， 柱的弯矩传递系数为1/3。 （2）各层梁的弯矩按计算结果取（3）各柱的柱端弯矩为本层两次计算结果之和。（4）迭和为整个框架弯矩图,若节点不平衡弯矩较大，可作二次分配。若节点不平衡弯矩较大，可作二次分配。（5）由弯矩图，根据杆件平衡计算剪力图;（6）由轴力图，根据节点平衡计算轴力图。计算梁的固端弯矩；计算梁柱的线刚度(注意修正)和各

19、杆件的刚度分配系数；对各节点逐个进行以下分析； * *放松节点不平衡弯矩， * *分配于各杆件近端； * *向杆件远端传递（传递系数传递系数-1/2-1/2、-1/3-1/3）分层法作业分层法作业: :某两层三跨框架：i边梁=15.010-4Eci中梁=13.610-4Eci柱=13.610-4EcMab=Mba=Mcd=Mdc=+70.92kN.mMbc=Mcb=+5.94kN.m试求出该两层框架的梁柱弯矩。ABCD附：附： 竖向荷载下的弯矩二次分配法竖向荷载下的弯矩二次分配法 是一种计算竖向荷载作用下框架结构内力的一种近似方法; 假定节点的不平衡弯矩值对于该节点相交的各杆件的远端有影响,对

20、其余各杆件的影响忽略不计; 先对各节点的不平衡弯矩进行第一次分配,并向远端传递(传递系数为1/2); 在将传递弯矩产生的新的不平衡弯矩进行第二次分配, 整个弯矩分配和传递结束.四、水平荷载作用下的反弯点法和D值法 风或地震风或地震对框架结构的水平作用，简化为作用于框架节点的水平集中力水平集中力。 水平荷载作用下框架弯矩和变形的特点水平荷载作用下框架弯矩和变形的特点: （1）各层梁柱的弯矩图均呈斜直线，均有一个反弯点(即M0的点)；（2）同一楼层的各柱具有相同的层间侧移u，各节点均有转角(依 据：多层框架结构近似计算的基本假定(2),(3)；（3）柱中任一截面的剪力均相同为V (V反弯点高度h

21、柱端弯矩 节点平衡 梁端弯矩)。h1h2h3h4反弯点反弯点反弯点反弯点弯矩图弯矩图反弯点反弯点变形图变形图F1F2F3F4反弯点反弯点h1h2hVVVM=0M2=Vh2M1=Vh1（一）反弯点法（一）反弯点法 使用条件使用条件: 结构比较均匀,层数不多,竖向荷载较大，且ib/ic3的 框架结构。1、基本假定、基本假定 (1)在剪力分配时, 认为梁柱线刚度之比ib/ic，即梁对柱的 约束为刚性约束，柱上下两端无转角; (2)假定除底层外其余各层柱上下两端的转角相同，近似认为底 层柱的反弯点在2h/3处，其它各层柱的反弯点在h/2处。 (3) 不考虑梁的轴向变形，同一层各节点的水平位移相等。2、

22、 同层柱的剪力分配同层柱的剪力分配柱的侧移刚度: （定义？）（定义？）第i层的总剪力: 212hidcikmkiikVV1iikikdVimkikiVd11imkikikikVddV1h1c212ihicAB4、框架梁柱内力计算、框架梁柱内力计算 柱的内力根据柱间剪力和反弯点的位置确定, 梁端弯矩 由平衡条件求出. (1)柱端弯矩: (2)梁端弯矩yhVMikdikhyVMikuik)1 ( hhy下rblblbdcuclbiiiMMM)(rblbrbdcucrbiiiMMM)(3) 梁端剪力 根据梁的平衡条件求出.lMMVVrblbrvlb)(4) 柱的轴力 结点左右梁端剪力之和求出:nir

23、iblibikVVN)(5、反弯点法的计算带来的、反弯点法的计算带来的误差误差： a、在高层或抗震设计中，ib可能小于ic，即梁对柱的约束应 为弹性约束，所以柱的抗侧刚度不能由 求得； b、柱的反弯点高度与许多因素有关。c212ih（二）改进反弯点法（二）改进反弯点法（D值法）值法） 对反弯点法进行两点改进: 柱的侧移刚度和柱反弯点的位置;1、D值法的柱抗侧刚度值法的柱抗侧刚度D D值法的假定： a、上下相邻柱的线刚度均为ic； b、上下相邻柱的层间侧移均为u； c、上下左右相邻节点的转角均为。 由节点弯矩平衡条件得到： 式中：K按上下左右梁柱的线刚度查表计算。uVAB(a)icMAMBVVy

24、hh(b)2KK212hiDcc2、D值法的柱反弯点高度值法的柱反弯点高度yh y-反弯点高度系数，取决于结构总层数、本层位、梁柱线刚 度、层高及水平荷载形式等。 yy0y1y2y3 式中：y0标准反弯点高度比，取决于结构总层数、该柱所在 的层次、梁柱线刚度之比、水平荷载的形式(均布、 倒三角形) y1取决于上下层横梁线刚度之比，查教材附表 y2，y3取决于上下层的层高变化，查教材附表。 故反弯点高度MAVyhVVyhhVMBV(1y)hhyyyyyh)(32103、D值法的计算程序值法的计算程序 计算各柱的抗侧刚度Djk(第j层第k柱的抗侧刚度)； 计算各柱的剪力Vjk： 式中： 第j层共m

25、个柱的抗侧刚度之和 Vjk第j层第k柱所承受的剪力 Vj水平作用力在第j层产生的层间总剪力， VjFnFn-1Fj F作用在各楼层的水平力 计算柱反弯点高度yh； 计算柱端弯矩； 由节点弯矩平衡条件计算梁端弯矩； 取梁脱离体计算梁端剪力；再由梁端剪力计算柱内轴力。kkk1jjjmjkDVVDk1mjkDFnFn1Fn2FjVj1VjkVjm1m沿同层各柱的反弯点处切开，代以剪力Vjk和轴力Njk。Nj1NjkNjmlMAMBVVV=(MAMB)/lAB4、框架结构侧移近似计算、框架结构侧移近似计算框架结构在水平荷载作用下的变形由总体剪切变形总体剪切变形和总体弯曲变形总体弯曲变形两部分组成。总体

26、剪切变形总体剪切变形总体弯曲变形总体弯曲变形 总体剪切变形总体剪切变形是由梁柱弯曲变形引弯曲变形引起的框架变形；由于它的侧移曲线和悬臂梁的剪切变形曲线曲线相似，称为剪切变形。 总体弯曲变形总体弯曲变形是由框架两侧柱的轴向变形轴向变形导致的框架变形，它的侧移曲线与悬臂梁的弯曲变形相似，称为弯曲变形。 对于层数不多的框架结构，只考虑剪切变形对于层数不多的框架结构，只考虑剪切变形；对于较高的框架（H50米）或较柔的框架(H/B4),考虑框架的弯曲变形.（1）由梁柱弯曲变形引起的侧移ikiiDV第i层的层间相对侧移: 框架顶点位移：miiv1（2） 由柱轴向变形引起的侧移轴力是使柱产生轴向变形, 两边受力较大, 中柱受力较小,可以忽略不计. 边柱产生的轴力为框架顶点的最大水平位移为:BzM