高层建筑结构框架结构设计

高层建筑结构框架结构设计第1页，共69页，2023年，2月20日，星期四1框架结构的受力特点一般情况下，框架底部柱M、N、V最大，往上逐渐减小，底部柱多属于小偏心受压构件，顶部几层可能为大偏心受压构件。当荷载条件大致相同时，各层框架梁M、V较为接近，变化不大。框架结构的水平侧移由两部分组成：剪切变形：这是由框架整体受剪，梁柱杆件发生弯曲变形而产生的水平位移，一般底层层间变形最大，向上逐渐减小。弯曲变形：这是由框架在抵抗倾覆弯矩时发生的整体弯曲，由柱子的拉伸和压缩而产生的水平位移。当框架结构高宽比不大于4时，框架水平侧移中弯曲变形部分所占比例很小，位移曲线一般呈剪切型。第2页，共69页，2023年，2月20日，星期四2框架结构设计应注意的几个问题框架结构的适用范围单跨框架的规定框架结构砌体填充墙混合承重框架结构与框架-剪力墙结构的选择第3页，共69页，2023年，2月20日，星期四框架结构的适用范围非抗震设计时的多层及高层建筑抗震设计时的多层及小高层建筑（7度区以下）高烈度区不宜采用纯框架结构一般8度区高度超过20m采用框架结构不经济，因此6层以上的建筑结构宜采用框架-剪力墙结构或壁式框架第4页，共69页，2023年，2月20日，星期四单跨框架的规定抗震设计的框架结构不宜采用单跨框架。因为单跨框架的耗能能力较弱，超静定次数少，一旦柱子出现塑性铰（在强震时不可避免），出现连续倒塌的可能性很大。第5页，共69页，2023年，2月20日，星期四框架结构砌体填充墙《高层规程》规定，框架结构的填充墙及隔墙宜选用轻质墙体。抗震设计时，框架结构如采用砌体填充墙，其布置应符合下列要求：1避免形成上下层刚度变化过大2避免形成短柱3减少因抗侧刚度偏心所造成的扭转。第6页，共69页，2023年，2月20日，星期四混合承重《高层规程》规定，框架结构按抗震设计时，不应部分采用由砌体墙承重的混合形式。框架结构中的楼、电梯间及局部突出屋顶的倒塌机房、楼梯间、水箱间等，应采用框架承重，不应采用砌体墙承重。第7页，共69页，2023年，2月20日，星期四框架结构与框架-剪力墙结构的选择《高层规程》规定，抗震设计的框架结构中，当仅布置少量钢筋混凝土剪力墙时，结构分析计算时应考虑剪力墙与框架的协同工作。如楼、电梯间位置较偏而产生较大的刚度偏心时，宜将此种剪力墙减薄、开竖缝、开结构洞、配置少量单排钢筋等措施，减小剪力墙的作用，并宜增加与剪力墙相连的柱子配筋。第8页，共69页，2023年，2月20日，星期四3框架结构计算简图的确定计算单元的选取计算单元选取第9页，共69页，2023年，2月20日，星期四计算简图实际结构l01l02计算简图第10页，共69页，2023年，2月20日，星期四4框架结构的内力计算竖向荷载作用下的框架结构内力计算分层法弯矩二次分配法水平荷载作用下的框架结构内力计算反弯点法D值法第11页，共69页，2023年，2月20日，星期四1竖向荷载作用下的框架结构内力计算分层法基本假定忽略垂直荷载作用下框架结构的侧移；每层梁上的荷载只在本层梁及与其相连的上、下层柱产生内力，不在其他层梁和其他层柱上产生内力。第12页，共69页，2023年，2月20日，星期四

根据以上假定，多、高层框架可分层作为若干个彼此互不关连的且柱端为完全固定的简单刚架近似计算。简单刚架可用弯矩分配法计算，一般循环2次。分层法计算示意图第13页，共69页，2023年，2月20日，星期四注意事项：由于除底层外上层各柱的柱端实际为弹性固定，计算简图中假定为完全嵌固，为减少计算误差，除底层柱外，上层各柱的线刚度乘以0.9的修正系数。线刚度修正第14页，共69页，2023年，2月20日，星期四考虑除支座外，框架各节点为弹性固定，因此底层柱的弯矩传递系数取1/2，其他各层柱的弯矩传递系数取1/3；传递系数修正第15页，共69页，2023年，2月20日，星期四分层法计算的各梁弯矩为最终弯矩，各柱的最终弯矩为与各柱相连的两层计算弯矩叠加；在内力与位移计算中，所有构件均可采用弹性刚度。…3-9第16页，共69页，2023年，2月20日，星期四基本步骤：将框架分层将除底层柱之外的所有层柱的线刚度均乘以0.9;分层后的简单框架可用弯矩分配法计算。用不来将，每一节点经过二次分配就足够了；采用弯矩分配法的计算过程中，柱传递系数取1/3，但对底层仍取1/2；梁的弯矩为最后弯矩，柱的弯矩为上下层取代数和；若节点处不平衡弯矩较大，在分配一次。第17页，共69页，2023年，2月20日，星期四弯矩二次分配法首先计算框架各构件的刚度和分配系数；计算框架各层梁端在竖向荷载作用下的固端弯矩；计算框架各节点的不平衡弯矩，并将每一节点的不平衡弯矩同时进行分配并向远端传递，传递系数仍为1/2；进行两次分配后结束（仅传递一次，但分配两次）；第18页，共69页，2023年，2月20日，星期四水平荷载作用下的框架结构内力计算反弯点法适用于梁柱线刚度比不小于3的框架结构；常用于在初步设计中估算梁和柱在水平荷载作用下的弯矩值。第19页，共69页，2023年，2月20日，星期四（1）反弯点位置弯矩为零的点（反弯点）的位置按下图取值（以EI梁=∞为前题）。反弯点位置图第20页，共69页，2023年，2月20日，星期四（2）反弯点处的剪力计算

柱的剪力按同层柱的抗侧移刚度之比分配。柱的抗侧移刚度为：EIci——第i根柱的刚度；hi——第i根柱的柱高。…3-16Di第21页，共69页，2023年，2月20日，星期四以三层框架为例，用反弯点法计算水平荷载作用下框架的内力。顶层因此各柱的剪力为：…3-17…3-18第22页，共69页，2023年，2月20日，星期四第二层各柱的剪力为：…3-19第23页，共69页，2023年，2月20日，星期四

第一层各柱的剪力为：…3-20第24页，共69页，2023年，2月20日，星期四（3）弯矩图绘制柱端弯矩：已知反弯点处的剪力值便可以求出每一根柱各截面的弯矩。梁端弯矩：分边柱节点和中间柱节点两种情况处理。边节点：第25页，共69页，2023年，2月20日，星期四中节点：第26页，共69页，2023年，2月20日，星期四D值法（1）反弯点法的问题柱的抗侧刚度只考虑了柱的线刚度和柱高，未考虑节点梁柱线刚度比的影响；认为反弯点的位置是固定不变的，实际上它与梁柱线刚度之比、柱的位置、上下层梁的线刚度大小、上下层层高、框架的总层数等因素有关。第27页，共69页，2023年，2月20日，星期四（2）D值法的基本思想与反弯点法相比：相同之处先确定反弯点位置不同之处考虑了上述因素的影响，对柱的抗侧刚度和柱的反弯点位置进行了修正。因此，D值法又称为修正的反弯点法，适用于梁柱线刚度比小于3的情况。第28页，共69页，2023年，2月20日，星期四（3）柱的抗侧刚度式中，αc——柱抗侧移刚度修正系数，按下表的公式计算。柱的部位及固定情况一般层底层，下面固支底层，下端铰支αci1i2ici3i4i1i2ici1i2ic…3-21第29页，共69页，2023年，2月20日，星期四（4）修正的反弯点高度式中y0——标准反弯点高度比；y1——因上、下层梁刚度比变化的修值；

y2——因上层层高变化的修正值；

y3——因下层层高变化的修正值。柱端弯矩ViVi…3-22第30页，共69页，2023年，2月20日，星期四5框架结构的最不利内力及内力组合控制截面框架梁柱最不利内力组合梁端弯矩调幅第31页，共69页，2023年，2月20日，星期四控制截面控制截面梁：跨中、支座截面柱：柱顶、柱底截面梁控制截面柱控制截面第32页，共69页，2023年，2月20日，星期四框架梁柱最不利内力组合梁跨中截面：+Mmax及相应的V（正截面设计）梁支座截面：--Mmax及相应的V（正截面设计）Vmax及相应的M（

斜截面设计）柱截面：+Mmax及相应的N、V--Mmax及相应的N、VNmax及相应的M、VNmin及相应的M、VVmax及相应的M、N第33页，共69页，2023年，2月20日，星期四梁端弯矩调幅竖向荷载下框架梁端弯矩的调幅在竖向荷载作用下，可以考虑梁端塑性变形内力重分布，减小梁端负弯矩，相应增大梁跨中弯矩。调幅后的支座弯矩为：=βM式中——梁支座截面调幅后的弯矩；

M——梁支座调幅前按弹性方法计算的弯矩；

β

——调幅系数，现浇框架：0.8~0.9装配式框架：0.7~0.8。

第34页，共69页，2023年，2月20日，星期四截面设计时，梁跨中正弯矩至少应取按简支梁计算的跨中弯矩之半。如为均布荷载，则

竖向荷载产生的梁的弯矩应先调幅，再与风荷载和水平地震作用产生的弯矩进行组合。调幅后的跨中弯矩为：MMLMRΔM第35页，共69页，2023年，2月20日，星期四6框架梁设计框架梁承载力计算框架梁的构造要求第36页，共69页，2023年，2月20日，星期四框架梁承载力计算自学第37页，共69页，2023年，2月20日，星期四框架梁的构造要求 框架结构的主梁截面高度hb可按（1/10～1/18）lb确定，lb为主梁计算跨度；梁净跨与截面高度之比不宜小于4。梁的截面宽度不宜小于200mm，梁截面的高宽比不宜大于4。梁的截面高度第38页，共69页，2023年，2月20日，星期四梁的纵向钢筋要求沿梁全长顶面和底面应至少各配置两根纵向配筋，一、二级抗震设计时钢筋直径不应小于14mm，且分别不应小于梁两端顶面和底面纵向配筋中较大截面面积的1/4；三、四级抗震设计和非抗震设计时钢筋直径不应小于12mm；一、二级抗震等级的框架梁内贯通中柱的每根纵向钢筋的直径，对矩形截面柱，不宜大于柱在该方向截面尺寸的1/20；对圆形截面柱，不宜大于纵向钢筋所在位置柱截面弦长的1/20。纵向受拉钢筋的最小配筋百分率ρmin（%），非抗震设计时，不应小于0.2和45ft/fy二者的较大值；抗震设计时，不应小于表6.3.2-1规定的数值；第39页，共69页，2023年，2月20日，星期四框架梁箍筋构造规定（非抗震设计）应沿梁全长设置箍筋；截面高度大于800mm的梁，其箍筋直径不宜小于8mm；其余截面高度的梁不应小于6mm。在受力钢筋搭接长度范围内，箍筋直径不应小于搭接钢筋最大直径的0.25倍。箍筋间距不应大于表6.3.5的规定；在纵向受拉钢筋的搭接长度范围内，箍筋间距尚不应大于搭接钢筋较小直径的5倍，且不应大于100mm；在纵向受压钢筋的搭接长度范围内，箍筋间距尚不应大于搭接钢筋较小直径的10倍，且不应大于200mm；第40页，共69页，2023年，2月20日，星期四当梁的剪力设计值大于0.7ftbh0时，其箍筋面积配筋率应符合下式要求：第41页，共69页，2023年，2月20日，星期四当梁中配有计算需要的纵向受压钢筋时，其箍筋配置尚应符合下列要求：

1）箍筋直径不应小于纵向受压钢筋最大直径的0.25倍；

2）箍筋应做成封闭式；

3）箍筋间距不应大于15d且不应大于400mm；当一层内的受压钢筋多于5根且直径大于18mm时，箍筋间距不应大于10d（d为纵向受压钢筋的最小直径）；

4）当梁截面宽度大于400mm且一层内的纵向受压钢筋多于3根时，或当梁截面宽度不大于400mm但一层内的纵向受压钢筋多于4根时，应设置复合箍筋。第42页，共69页，2023年，2月20日，星期四框架梁箍筋构造规定（抗震设计）延性要求抗震设计时，计入受压钢筋作用的梁端截面混凝土受压区高度与有效高度之比值，一级不应大于0.25，二、三级不应大于0.35；抗震设计时，梁端纵向受拉钢筋的配筋率不应大于2.5%；框架梁沿梁全长箍筋的面积配筋率应符合下列要求：第43页，共69页，2023年，2月20日，星期四抗震设计时，梁端箍筋的加密区长度、箍筋最大间距和最小直径应符合表6.3.2-2的要求；当梁端纵向钢筋配筋率大于2%时，表中箍筋最小直径应增大2mm。第一个箍筋应设置在距支座边缘50mm处；在箍筋加密区范围内的箍筋肢距：一级不宜大于200mm和20倍箍筋直径的较大值，二、三级不宜大于250mm和20倍箍筋直径的较大值，四级不宜大于300mm；

第44页，共69页，2023年，2月20日，星期四箍筋应有135°弯钩，弯钩端头直段长度不应小于10倍的箍筋直径和75mm的较大值；在纵向钢筋搭接长度范围内的箍筋间距，钢筋受拉时不应大于搭接钢筋较小直径的5倍，且不应大于100mm；钢筋受压时不应大于搭接钢筋较小直径的10倍，且不应大于200mm；框架梁非加密区箍筋最大间距不宜大于加密区箍筋间距的2倍。第45页，共69页，2023年，2月20日，星期四梁的纵向受力钢筋要求纵向受拉钢筋的最小配筋百分率ρmin（%），非抗震设计时，不应小于0.2和45ft/fy二者的较大值；抗震设计时，不应小于表6.3.2-1规定的数值；抗震设计时，梁端截面的底面和顶面纵向钢筋截面面积的比值，除按计算确定外，一级不应小于0.5，二、三级不应小于0.3；第46页，共69页，2023年，2月20日，星期四框架梁、柱，其受剪截面应符合下列要求强剪弱弯第47页，共69页，2023年，2月20日，星期四7框架柱设计第48页，共69页，2023年，2月20日，星期四框架柱承载力计算自学第49页，共69页，2023年，2月20日，星期四框架柱构造要求一般要求柱截面尺寸矩形截面柱的边长，非抗震设计时不宜小于250mm，抗震设计时不宜小于300mm；圆柱截面直径不宜小于350mm；柱剪跨比宜大于2；柱截面高宽比不宜大于3。框架柱的截面尺寸宜满足轴压比要求第50页，共69页，2023年，2月20日，星期四第51页，共69页，2023年，2月20日，星期四第52页，共69页，2023年，2月20日，星期四框架梁、柱，其受剪截面应符合下列要求：第53页，共69页，2023年，2月20日，星期四第54页，共69页，2023年，2月20日，星期四柱纵向钢筋要求抗震设计时，宜采用对称配筋；抗震设计时，截面尺寸大于400mm的柱，其纵向钢筋间距不宜大于200mm；非抗震设计时，柱纵向钢筋间距不应大于350mm；柱纵向钢筋净距均不应小于50mm；全部纵向钢筋的配筋率，非抗震设计时不宜大于5%、不应大于6%，抗震设计时不应大于5%；一级且剪跨比不大于2的柱，其单侧纵向受拉钢筋的配筋率不宜大于1.2%；边柱、角柱及剪力墙端柱考虑地震作用组合产生小偏心受拉时，柱内纵筋总截面面积应比计算值增加25%。第55页，共69页，2023年，2月20日，星期四柱中箍筋规定（非抗震设计）周边箍筋应为封闭式；箍筋间距不应大于400mm，且不应大于构件截面的短边尺寸和最小纵向受力钢筋直径的15倍；箍筋直径不应小于最大纵向钢筋直径的1/4，且不应小于6mm；当柱中全部纵向受力钢筋的配筋率超过3%时，箍筋直径不应小于8mm，箍筋间距不应大于最小纵向钢筋直径的10倍，且不应大于200mm；箍筋末端应做成135°弯钩且弯钩末端平直段长度不应小于10倍箍筋直径；当柱每边纵筋多于3根时，应设置复合箍筋（可采用拉筋）；柱内纵向钢筋采用搭接做法时，搭接长度范围内箍筋直径不应小于搭接钢筋较大直径的0.25倍；在纵向受拉钢筋的搭接长度范围内的箍筋间距不应大于搭接钢筋较小直径的5倍，且不应大于100mm；在纵向受压钢筋的搭接长度范围内的箍筋间距不应大于搭接钢筋较小直径的10倍，且不应大于200mm。当受压钢筋直径大于25mm时，尚应在搭接接头端面外100mm的范围内各设置两道箍筋。第56页，共69页，2023年，2月20日，星期四抗震设计延性要求轴压比要求：为了使柱在包括地震作用等多种荷载作用下处于大偏心受压状态，具有较大的屈服后变形能力和耗能能力，具有较好的延性和抗震性能，规范规定了混凝土柱的轴压比限值。对于四类场地土且高于40m的框架结构或高于60m的其他结构体系的混凝土房屋建筑，其轴压比限值应减小0.05.抗震设计时，柱箍筋加密区的范围应符合下列要求：

1、底层柱的上端和其他各层柱的两端，应取矩形截面柱之长边尺寸（或圆形截面柱之直径）、柱净高之1/6和500mm三者之最大值范围；

2、底层柱刚性地面上、下各500mm的范围；

第57页，共69页，2023年，2月20日，星期四3、底层柱柱根以上1/3柱净高的范围；

4、剪跨比不大于2的柱和因填充墙等形成的柱净高与截面高度之比不大于4的柱全高范围；

5、一级及二级框架角柱的全高范围；

6、需要提高变形能力的柱的全高范围。抗震设计时，柱箍筋在规定的范围内应加密，加密区的箍筋间距和直径，应符合下列要求：第58页，共69页，2023年，2月20日，星期四二级框架柱箍筋直径不小于10mm、肢距不大于200mm时，除柱根外最大间距应允许采用150mm；三级框架柱的截面尺寸不大于400mm时，箍筋最小直径应允许采用6mm；四级框架柱的剪跨比不大于2或柱中全部纵向钢筋的配筋率大于3%时，箍筋直径不应小于8mm。

剪跨比不大于2的柱，箍筋间距不应大于100mm，一级时尚不应大于6倍的纵向钢筋直径。箍筋应为封闭式，其末端应做成135°弯钩且弯钩末端平直段长度不应小于10倍的箍筋直径，且不应小于75mm；

第59页，共69页，2023年，2月20日，星期四箍筋加密区的箍筋肢距，一级不宜大于200mm，二、三级不宜大于250mm和20倍箍筋直径的较大值，四级不宜大于300mm。每隔一根纵向钢筋宜在两个方向有箍筋约束；采用拉筋组合箍时，拉筋宜紧靠纵向钢筋并勾住封闭箍。柱非加密区的箍筋，其