高层建筑结构框架结构

高层建筑结构框架结构第一页，共七十二页，编辑于2023年，星期六主要内容1.框架体系的结构布置。2.框架结构计算单元的选取和计算简图的确定以及计算单元上所作用的各种荷载的计算。3.框架在竖向和水平荷载作用下的内力计算及梁、柱各控制截面的最不利内力组合。4.框架结构梁、柱的配筋设计与构造。第二页，共七十二页，编辑于2023年，星期六12.1概述框架结构是由梁和柱连接而成的。梁柱连接处为刚节点，柱底支座一般为固定约束。1多层框架结构的组成

第三页，共七十二页，编辑于2023年，星期六2钢筋混凝土框架结构的分类

按施工方法的不同，可分为整体式、装配式和装配整体式。整体式——梁、柱、楼板均为现浇混凝土。施工时每层的柱与其上的梁板同时支模、扎筋，并一次性浇注混凝土。该形式整体性好，利于抗震。装配式——梁、柱均为预制，二者通过焊接拼装连接成整体。此种方式施工速度快，但整体性较差，不宜在地震区应用。装配整体式——梁、柱、楼板均为预制，在吊装就位后，再浇注部分混凝土而将梁、柱、板连接成整体。该形式既具有较好的整体性和抗震性能，又可采用预制构件,但节点区现场浇注施工复杂。第四页，共七十二页，编辑于2023年，星期六12.2结构布置框架的结构布置包含三方面的内容：柱网布置、承重体系的确定、变形缝的设置。第五页，共七十二页，编辑于2023年，星期六1.柱网布置柱网——框架柱在平面上纵横两个方向的排列。柱网布置的任务——确定柱子的排列形式与柱距。布置的依据——满足建筑使用要求，同时考虑结构的合理性与施工的可行性。

第六页，共七十二页，编辑于2023年，星期六（1）柱网的形式：对工业厂房，常采用内廊式、等跨式与不等跨式。第七页，共七十二页，编辑于2023年，星期六对宾馆、办公楼等民用建筑，柱网布置应与建筑分隔墙布置相协调，一般将柱子设在纵横墙交叉点上。柱网的尺寸还受到梁跨度的限制，一般梁跨度在6~9m之间。

第八页，共七十二页，编辑于2023年，星期六（2）柱网布置要使结构受力合理第九页，共七十二页，编辑于2023年，星期六2.承重体系的确定实际的框架结构是一个空间受力体系。但为计算简便起见，可把实际框架分成纵横两个方向的平面框架即横向框架和纵向框架。横向框架--由建筑物短方向的梁柱组成。

纵向框架--由建筑物长方向的梁柱构成。两向框架分别承受各自方向的水平荷载。对于楼面竖向荷载，可由横向框架承受，也可由纵向框架承受或纵、横向共同承受。根据楼面竖向荷载的传递路线，可将框架的承重体系分为三种：横向框架承重体系，纵向框架承重体系，纵横框架混合承重体系。第十页，共七十二页，编辑于2023年，星期六（1）横向框架承重体系楼面荷载全部传至横向框架梁，如图(a)所示。此时在横向布置框架承重梁，而在纵向布置连系梁。此方案的优点在于主梁沿横向布置有利于提高建筑物的横向刚度（横向跨数少），纵向设较小的连系梁也有利于立面开洞。第十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期六（2）纵向框架承重体系如预制板沿横向布置，楼面荷载将传到纵向框架梁，如图(b)所示，此时纵梁为承重梁，而横向为连系梁。由于横梁高度较小，可获得较高的室内净高，也利于管线的穿行。该方案的缺点是横向抗侧刚度较差，进深尺寸受预制板长度的限制。第十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期六（3）纵横向框架混合承重体系两个方向的框架梁均承受楼面荷载，如图(c)中的预制板布置以及如图(d)中的现浇井字板均是将板面荷载向纵横向框架梁上传递。混合承重方案具有较好的整体工作性能，当楼面作用荷载较大时，常采用此种方案。第十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期六3.变形缝的设置变形缝有三种：伸缩缝、沉降缝、防震缝。（1）伸缩缝

“钢筋混凝土结构伸缩缝最大间距”见[表3-1-1]。伸缩缝宽度不小于50mm。（2）沉降缝

如上部荷载差异较大，或地基土的物理力学指标相差较大，则应设沉降缝。沉降缝可利用挑梁或搭置预制板、预制梁等方式作成。沉降缝宽不小于50mm。（3）防震缝

当建筑平面形状不规则，竖向高度、刚度、质量差异较大时，应设防震缝，缝宽不小于70mm。第十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期六注：上述三缝在进行布置时，应综合考虑，多缝合一，尽量减少缝数，以方便施工、降低造价、增加整体性。伸缩缝和防震缝只需将基础以上的房屋分开，而沉降缝必须将基础也分开。第十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期六12.3框架梁、柱截面尺寸及计算简图

1.框架梁

框架梁的横截面一般为矩形。对于承受主要竖向荷载的框架梁，其截面有以下几种形式。

对整体式框架，与梁相连的楼板是梁的翼缘，梁截面为T形或倒L形（图(a)）；当采用预制板楼盖时，框架梁为矩形或T形(图(b))；有时为减小楼盖结构高度，增加室内净高，框架梁截面常做成花篮形或十字形；(图(c))；

对装配整体式框架，其框架梁为部分预制、部分现浇，称为迭合梁，其截面形式如图(d)所示。

框架梁截面高度h可取L/8~L/12，截面宽度b一般为h/2~h/3。第十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期六2.连系梁

连系梁通常是承受填充墙荷载，其截面一般采用图所示的矩形、T形和倒L形。连系梁的翼缘通常是用来填补预制板排列所余宽度。第十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期六3.框架柱

一般为方形或矩形。

柱的长边尺寸h

可近似取底层柱高的1/15~1/20。短边尺寸b按(1~2/3)b选用.

第十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期六4.框架梁截面的惯性距I按矩形截面（图中阴影部分）计算出惯性矩I0，再根据楼板的形式进行修正求得I。（1）当采用现浇楼板时（图(a)、(b)），中框架梁的惯性矩I=2I0，边框架梁的I=1.5I0。（2）当采用装配式楼板时（图(c)），I=I0。

（3）如为装配整体式楼板（图(d)、(e)），中框架梁的I=1.5I0，边框架梁的I=1.2I0。所有柱的截面惯性矩按实际尺寸计算。第十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期六12.3.2框架结构的计算简图

1.计算单元的确定

框架结构是一个空间受力体系，如图(a)所示。为方便起见，常是将一个较规则的空间框架分解为一组横向平面框架和一组纵向平面框架，如图(b)所示，框架即为一个计算单元，一般以柱距中线来划分，如图(a)所示阴影范围。该平面框架承受计算单元内的水平荷载,是否有竖向荷载作用，取决于楼盖结构的布置方式。第二十页，共七十二页，编辑于2023年，星期六2.跨度与层高的确定在计算简图中，杆件用其轴线来表示；

框架梁的跨度取柱子的轴线之间的距离，当上下层柱截面尺寸变化时，一般以最小截面的形心线来确定。

框架的层高即框架柱的计算高度应为各横梁形心线之距，当各层梁截面尺寸相同时也可取相应的建筑层高，但底层的层高取基础顶面至二层楼板顶面之间的距离。

第二十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期六3.节点的简化

对现浇式框架和装配整体式框架，梁与柱的连接点可处理为刚结点第二十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期六4.荷载计算

作用于框架结构上的荷载有竖向荷载和水平荷载两种。

竖向荷载包括结构自重、楼面荷载、雪载等。竖向荷载一般为分布荷载，次梁传来的为集中力。

水平荷载包括风荷载和水平地震作用。水平荷载均简化为作用于框架节点上集中力（计算方法）。第二十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期六第二十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期六计算公式:将沿框架柱的分布风载简化为作用于框架节点的水平集中风荷载Fi，其值为：

第二十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期六12.4内力分析及侧移验算1.受力特点：

框架结构在竖向荷载作用下有如下特点：

（1）框架所产生的侧移一般很小，可以忽略；（2）当某层框架梁上作用荷载时，在该层梁及相邻的柱子中产生较大内力，其它各层梁柱的内力较小，其影响可以忽略。12.4.1竖向荷载作用下内力的计算方法——分层法第二十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期六2.基本假定根据上述受力特点，采用下面基本假定：（1）竖向荷载作用下不计侧移影响；

（2）每层梁上的荷载仅影响本层梁及与该层梁相连的柱。

第二十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期六3.计算方法根据上述假定，可将每层框架连同与之相连的上下层柱作为独立的计算单元分别进行计算。

第二十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期六1.根据叠加原理，多层框架在竖向荷载作用下的内力，可看成是各层竖向荷载单独作用下内力的叠加（图(a)）。2.根据上述假定，各层梁上单独作用竖向荷载时，仅在图(b)所示结构的实线部分产生内力，虚线部分中所产生的内力可忽略不计。3.框架结构可分解为如图(c)所示的独立刚架单元，柱的远端简化为固定支承。用弯矩分配法进行计算，节点的不平衡弯矩只在本单元内进行分配传递。第二十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期六在进行内力计算时应注意两个问题：

（1）在计算单元中，取柱远端为固定，这与实际结构有差异，为消除此影响，规定除底层外，其它各层柱的线刚度均乘0.9，并取相应的传递系数为1/3（底层柱仍为1/2）。

（2）由于每根柱都在上、下两个单元中用了一次，因此，各柱端弯矩应为上下两层单元柱端弯矩之和。

分层法适宜于结构刚度与荷载沿高度分布比较均匀的多层框架的内力计算。

第三十页，共七十二页，编辑于2023年，星期六4.解题步骤分层法计算竖向荷载作用下框架内力的步骤是：

（1）画出结构计算简图，并标明轴线尺寸，荷载的大小和分布状态。

（2）按规定计算梁柱的线刚度和相对线刚度，并注意除底层柱外，其它各层柱的线刚度乘以0.9的折减系数。

（3）用弯矩分配法自上而下分层计算各单元的杆端弯矩。

（4）叠加柱端弯矩，得出所有杆件的最后杆端弯矩。如节点不平衡弯矩偏大，可在该节点重新分配一次但不再传递。

（5）根据静力平衡条件，求出框架梁在梁端弯矩及竖向荷载作用下的跨中弯矩、梁端剪力及柱的剪力和轴向力。

（6）绘出框架的弯矩图、剪力图、轴力图。第三十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期六例题：1图1所示一两层两跨钢筋混凝土框架，其梁柱的线刚度标于图中括号内，梁上荷载如图所示。试用分层法作出框架的弯矩图。第三十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期六答案：1.计算梁柱线刚度。除一层柱外，二层柱的线刚度乘以0.9的修正系数。2.用力矩分配法分别计算各单元的杆端弯矩：（1）节点处弯矩分配系数第三十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期六（2）梁的固端弯矩（3）弯矩分配与传递

按分配系数将节点不平衡弯矩分给各杆端，一般先从不平衡弯矩值较大的节点开始，每个节点分配两次即可。注意上层各柱的弯矩传递系数取1/3，对于一层柱其弯矩传递系数为1/2。第三十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期六第三十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期六第三十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期六第三十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期六12.4.2框架在水平荷载作用下内力的近似计算——反弯点法和D值法1、反弯点法（1）受力特点

风荷载或水平地震对框架结构的作用，一般可简化为作用于框架节点上的水平集中力，在此荷载的作用下，框架结构上的弯矩特征如图所示。各杆的弯矩为直线分布，且每个杆均有一个零弯矩点即反弯点。第三十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期六（2）、解题思路

鉴于框架结构在水平荷载作用下具有上述受力变形特点，如能求出各柱的反弯点位置及反弯点处的剪力，就可以利用静力平衡条件求出各杆件的内力。因此解题的关键(任务)是确定各柱反弯点的位置及反弯点处的剪力。

第三十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期六（3）、基本假定

由受力特点可知，框架受力后节点会产生转角和侧移，但根据分析，当梁与柱的线刚度之比大于3时，节点转角很小，对内力影响不大，故可忽略即转角θ=0（如图所示），实际上这等于是把框架梁简化为一刚性梁。

基本假定如下：

（1）在求各柱子的剪力时，假定梁与柱的线刚度比为无穷大，即各节点转角为零；

（2）在确定柱的反弯点位置时，假定除底层以外的其余各柱，受力后上下两端转角相同；

（3）梁端弯矩可按梁的线刚度进行分配。第四十页，共七十二页，编辑于2023年，星期六（4）.柱的反弯点高度ỹ

ỹ——反弯点高度，指反弯点至柱下端的距离。各柱反弯点的高度为：

底层柱：ỹ

1=2hi/3

其余各柱：ỹ=hi/2

第四十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期六（5）、各柱反弯点处的剪力运用剪力分配法的方法求解各柱反弯点处剪力。第四十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期六第j层第k根柱的剪力为：可知，水平荷载作用下同层各柱的剪力是根据各自的抗侧刚度的大小来进行分配的。当同层各柱的高度相同时，有，即此时各柱的剪力可按柱子的线刚度的大小进行分配。式中ic——柱子的线刚度；第四十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期六对于上部各层柱，有：（6）、柱端弯矩及梁端弯矩的计算

1、柱端弯矩

根据柱的反弯点位置及反弯点处的剪力，即可求出柱端弯矩。对于底层柱，有：

上式中上标t、b分别表示柱的顶端与底端。第四十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期六2、梁端弯矩

求出各柱端弯矩后，利用节点弯矩平衡条件即可求得梁端弯矩。对边柱节点（图(a)），有：对于中柱节点（图(b)），先求出梁端总弯矩：再根据节点两侧梁线刚度的大小，将总弯矩（）分配到各梁上去，即：

因此，可以确定整个框架的弯矩图。作业第四十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期六2、D值法D值法又称为修正反弯点法。它是在反弯点法的基础上，进行了某些改进而形成的。（1）反弯点法的不足反弯点法假定梁与柱的线刚度比为无穷大，框架柱的抗侧刚度只与各柱的线刚度及柱高h有关，这种假定与实际结构有差异。当梁柱线刚度比较为接近时，柱的抗侧刚度不仅与柱的线刚度及层高有关，还与节点梁柱线刚度比有关。在反弯点法中，柱反弯点的高度取为定值，而实际上，柱反弯点的位置是随梁柱线刚度比、该柱所在楼层的位置、与柱相邻的上下层梁的线刚度以及上下层层高等因素的不同而变化的。

D值法是在综合考虑了各种影响因素后，对上述两个参数进行了一定的修正，使得计算结果更接近了框架的实际受力状况。

第四十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期六（2）修正后的柱抗侧刚度D

柱的抗侧刚度是当柱上下端产生单位相对侧移时，柱所承受的剪力，在考虑柱上下端节点的转动对γ的影响后，柱的抗侧刚度D值为:式中：α——节点转动影响系数，α反映了由于节点转动而使柱抗侧刚度降低的程度。不同条件下α的表达式列于[表3-2-2]中。第四十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期六（3）修正后柱的反弯点高度

影响柱反弯点高度的主要因素是该柱上下端的约束条件。

修正后柱反弯点高度的具体求法：在D值法中，一般是通过力学分析首先求出标准情况下的反弯点高度y0，然后再根据上下层横梁的线刚度比及上下层层高的变化，对其进行调整以求出最终的反弯点高度。

1、结构总层数2、该层所在位置3、梁柱线刚度比4、上下两层梁的线刚度比5、上下层层高的变化第四十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期六1、反弯点高度ỹ：式中：ỹ——反弯点到下柱的距离；

y0——标准反弯点高度比；

y1——上下层横梁刚度变化时反弯点高度比的修正值；

y2、y3——上下层层高变化时反弯点高度比的修正值。第四十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期六2、y0的确定

标准反弯点高度比y0主要反映梁柱线刚度比、结构总层数和本楼层位置对柱反弯点高度的影响。可以查表。第五十页，共七十二页，编辑于2023年，星期六3、上下层横梁线刚度不同时的修正值y1

当与柱相连的上下层横梁的线刚度不相等时，柱上下端的转角不相同，这将使反弯点的位置向刚度较小的一端移动，这种变化用y1来反映，其修正值为y1h，这一值有正有负，如图所示。

柱上端刚度小，反弯点上移，故y1为正值。柱上端刚度大，反弯点下移，故y1为负值。对于底层柱，y1=0。

第五十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期六4、上下层层高变化时对反弯点的影响上层层高h2与本层层高h不同，用y2来修正。当α2>1时，反弯点上移，y2为正值，否则取负值。对顶层柱取y2=0。第五十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期六下层层高h3与本层层高h不同，用y3来修正。当α3>1时，反弯点下移，y3为负值，否则取正值。对底层柱取y3=0。第五十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期六（4）求框架柱和梁的内力求出修正后的柱抗侧刚度D及反弯点高度yh后，其余求解内力的过程就与反弯点法完全相同了。例题第五十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期六例题2：某三层两跨（不等跨）钢筋混凝土框架如题图所示，试用反弯点法计算该框架的内力，并绘出弯矩图。各杆件的线刚度比值标于图中括号内。第五十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期六例题3：试用D值法计算例题2所示框架的弯矩，并绘出弯矩图。

第五十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期六12.5内力组合及截面设计框架结构构件设计框架梁的设计框架柱的设计主要内容确定内力控制截面进行最不利内力组合配筋计算第五十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期六确定内力控制截面：

控制截面指最危险内力发生的截面。1.对于框架梁，最大正弯矩一般作用在跨中，而最大负弯矩及最大剪力作用在支座处，所以取跨中和支座作为控制截面。2.对于框架柱，最大弯矩发生在柱子的上下端，故取柱子的顶面和底面作为控制截面。

确定控制截面的目的是为内力组合提供对象。第五十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期六12.5.1荷载效应组合

框架荷载恒载楼面活荷载风荷载一般各控制截面的最不利内力应根据下列三种可能的荷载组合来确定：1.恒载效应＋活荷载效应

2.恒载效应＋风荷载效应

3.恒载效应＋0.9（活荷载效应＋风荷载效应）

第五十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期六竖向活荷载最不利布置逐跨布置法分跨施荷法满布荷载法第六十页，共七十二页，编辑于2023年，星期六12.5.2最不利内力组合同单层厂房。对于框架梁，一般只组合支座截面的-Mmax