高层建筑结构05

1、高层建筑混凝土结构设计,第5章 框架结构设计,2,柱距较大,柱距较小,5.1 框架结构布置,由于高层建筑纵横两个方向都承受较大水平力，因此，在纵横两个方向都应按框架设计。 框架梁柱构件的轴线宜重合，如果二者有偏心，其偏心距不宜大于柱截面在该方向边长的1/4，当必须大于时，可采用水平加腋来解决，但9度区不应大于1/4h。,3,楼盖竖向荷载的传力路线与一般楼盖完全相同，即对普通现浇梁板结构来说可分为单向板或双向板，当l1/l22 时为单向板，荷载向短跨方向传递；当l1/l22 时为双向板，荷载向两个方向传递。,双向框架承重方案,横向框架承重方案,纵向框架承重方案,4,横向框架承重方案。由于横向框架

2、梁截面高度较大，使该方向的抗侧移刚度增大，有利于抵抗该方向的水平荷载，但由于梁高加大，使房屋的净高减小，不利于纵向管道布置。 纵向框架承重方案。由于横向框架梁高度减小，有利于纵向管道布置，但横向框架刚度减小，对结构抗侧移不利。 目前，预制板用得极少，绝大多数框架结构均为双向框架承重方案。,5.2 框架梁柱截面尺寸估算及材料强度等级选择 一、框架梁截面尺寸估算 框架梁的截面尺寸应由刚度条件初步确定。框架结构的主梁截面高度可按 确定，且截面高度不宜大于1/4净跨;截面宽度不宜小于1/4hb，且不宜小于200mm。 为增加房屋的净空，有时要设计宽度较大的扁梁，这时除要进行承载力计算之外，尚应验算梁的

3、挠度和裂缝是否满足要求。,5,二、框架柱截面尺寸估算 框架柱宜采用正方形或接近正方形的矩形，两个主轴方向的刚度相差不宜过多，矩形截面长短边之比不宜超过3，框架柱的截面边长。,矩形柱,非抗震250mm 抗震300mm（四级） 400 mm（一、二、三级）,园形直径350mm（非抗震和四级） 450mm（一、二、三级）,柱净高与截面长边之比宜大于4。,高规要求,6,在初步设计时，柱截面尺寸可按轴压比确定。,0.65 （一级） 0.75 （二级） 0.85 （三级） 1.0（四级或非抗震）,轴压比为,（一三级）,（四级或非抗震）, 框架在竖向荷载作用下的轴力估算值。,柱支撑的楼板面积楼层数（1114

4、）1.25,7,三、混凝土强度等级 当按一级抗震等级设计时，混凝土强度等级不宜低于C30，按二四级和非抗震设计时，混凝土强度等级应C20。 梁柱混凝土强度等级差别不宜过大。 当柱混凝土强度等级较高时，若梁柱混凝土强度相同浪费水泥；若梁比柱混凝土强度低太多节点承载力不易满足。 为保证框架结构的延性，柱在9度区混凝土宜C60；8度区宜C70 。 为节省梁（包括板）中的水泥用量，梁混凝土强度等级宜C40。 抗震设计时，一、二、三级框架应验算节点核心区的承载力（节点核心区的验算可按现行国家标准混凝土结构设计规 范GB50010的有关规定执行）。,8,5.3 计算单元及计算简图 一、计算单元 框架结构为

5、空间结构，应取整体结构为计算单元，按空间框架进行内力及位移的计算，但对平面布置比较规则，柱距及跨度相差不多的框架结构，计算中可将空间框架简化为平面框架，在各榀框架中，选出一榀或几榀有代表性的平面框架作为计算单元，每榀框架按其负荷面积 承担荷载。,9,框架结构计算简图示意,恒荷载,竖向活荷载,风荷载,地震作用,二、计算简图 计算简图是由计算模型及其作用在其中的荷载共同构成的。框架结构的计算模型是由梁柱的截面几何轴线确定的，框架柱在其顶面按固结考虑。,10,梁、柱的截面惯性矩： 柱按实际截面计算； 梁应考虑楼板的作用，当采用现浇楼盖时楼板可作为框架的翼缘，按T形截面计算其惯性矩。翼缘有效宽度为梁每

6、侧6倍板厚，然后按T型或倒L型计算惯性矩。工程中为简化计算，可按下式计算梁的惯性矩： 一边有楼板 I=1.5I0 两边有楼板 I=2.0I0 I0为梁矩形部分的惯性矩。,当框架梁为有加腋的变截面梁时，如Iend/Imid4，可不考虑加腋的影响。,11,5.4 框架结构的内力及侧移计算 一、框架在竖向荷载作用下的近似计算方法分层法,假定：1.框架在竖向荷载作用下，结点侧移忽略不计； 2.每层梁上的荷载对其他各层梁内力的影响忽略不计。,开口框架的支座设为固定端与实际不符。为消除由此带来的误差，除底层外，其它各层柱的线刚度均乘以 0.9，并取柱的弯矩传递系数为1/3。,12,分层后，各开口框架的内力

7、可由弯矩分配法计算。 最终弯矩取法为： 框架梁的最终弯矩即为各开口框架算得的弯矩； 框架柱的弯矩，由上下两相邻开口框架同一柱的弯矩叠加而得。 最后算得的各梁柱弯矩在节点处一般不平衡，但误差不大。如有需要，可将 节点不平衡弯矩再分配一次。,13,例题：用分层法计算下图所示框架的弯矩图，括号内的数字表示每根杆件的线刚度 i=EI/l,14,分层后的开口框架：,15,16,弯矩分配法的计算步骤：,1、分配系数,当远端为铰接时，采用折算线刚度,当远端为滑动铰支座时，采用折算线刚度,2、固端弯矩：根据建筑结构静力计算手册表2-4、表2-5或根据结构力学教材查用，弯矩方向：对节点逆时针旋转为正（可任意，但

8、要统一）。 3、分配节点不平衡弯矩（不平衡弯矩为节点弯矩的代数和M）：首先分配有较大不平衡弯矩的节点（用M计算各杆分配弯矩，并在其下划一横线，以示暂告平衡，此弯矩不再参与分配了），同时向杆的远端传递弯矩（梁和底层柱，传递系数为1/2，其他各层柱为1/3）作为远端的不平衡弯矩（此弯矩参与分配），依次分配其他各节点的不平衡弯矩并传递，待各杆不平衡弯矩小到可以忽略不计时，即可停止进行。 4、各杆端的最终弯矩：即为各杆端的固端弯矩、分配弯矩及传递弯矩的代数和。,17,分配系数：,18,弯矩分配法的计算步骤：,1、分配系数,当远端为铰接时，采用折算线刚度,当远端为滑动铰支座时，采用折算线刚度,2、固端弯

9、矩：根据建筑结构静力计算手册表2-4、表2-5或根据结构力学教材查用，弯矩方向：对节点逆时针旋转为正（可任意，但要统一）。,19,固端弯矩：,分配系数：,20,-13.13,13.13,-7.32,7.32,21,弯矩分配法的计算步骤：,1、分配系数,当远端为铰接时，采用折算线刚度,当远端为滑动铰支座时，采用折算线刚度,2、固端弯矩：根据建筑结构静力计算手册表2-4、表2-5或根据结构力学教材查用，弯矩方向：对节点逆时针旋转为正（可任意，但要统一）。 3、分配节点不平衡弯矩（不平衡弯矩为节点弯矩的代数和M）：首先分配有较大不平衡弯矩的节点（用M计算各杆分配弯矩，并在其下划一横线，以示暂告平衡，

10、此弯矩不再参与分配了），同时向杆的远端传递弯矩（梁和底层柱，传递系数为1/2，其他各层柱为1/3）作为远端的不平衡弯矩（此弯矩参与分配），依次分配其他各节点的不平衡弯矩并传递，待各杆不平衡弯矩小到可以忽略不计时，即可停止进行。 4、各杆端的最终弯矩：即为各杆端的固端弯矩、分配弯矩及传递弯矩的代数和。,22,-13.13,8.77,4.38,13.13,-7.32,7.32,-6.32,-3.16,-2.48,-3.32,-1.23,-1.24,-1.66,0.83,4.36,-1.0,0.41,0.42,1.43,0.23,0.72,-0.40,-0.54,-0.20,-4.77,15.05,

11、-13.62,0.77,4.77,-0.77,1.59,-0.26,-1.43,-0.48,23,24,(单位：kN-m),25,二、框架在水平荷载作用下的内力近似计算反弯点法,1.反弯点法的基本假定：（对于层数不多，柱截面较小，梁柱线刚度比3的 框架，为简化计算，可作如下假定。） 1）在确定各柱剪力时，假定框架梁刚度无限大，即各杆端无转角，且同一 层具有相同的水平位移； 2）底层柱的反弯点在距柱底2/3h处，其它各层柱的反弯点在1/2h处。,26,2. 柱剪力与位移的关系：,27,3. 各柱剪力值的确定：,28,4.计算步骤： 1）按上面公式（4）求出框架中各柱的剪力； 2）取底层柱的反弯点

12、在距柱底2/3h处，其它各层柱的反弯点在1/2h处。 3）求柱端弯矩： 底层柱上端,底层柱下端,其余各层柱上下端,（4）求梁端弯矩： 边跨外边缘处的梁端弯矩,中间支座处的梁端弯矩,29,三、框架在水平荷载作用下的内力近似计算方法D值法 D值法又称改进反弯点法。当柱截面较大，梁柱线刚度比较小时，若采用反弯点法误差较大。 D值法主要针对柱的抗侧移刚度及反弯点位置进行改进，以求得较准确的内力解。 1.改进后的柱抗侧移刚度D：,式中,柱侧移刚度修正系数（又称节点转动影响系数）；,柱的线刚度；,层高。,与反弯点法的抗侧移刚度,相比，可知D值法在计算柱的侧移刚度,时考虑了节点转动带来的影响（即 ），因此提

13、高了计算精度。,30,31,2.柱的反弯点高度 框架柱的反弯点高度 可由下式计算：,反弯点高度比；,标准反弯点高度比，按教材表5.2或表5.3查用；,考虑上下层梁刚度不同时，对反弯点高度比的修正值， 按教材表5.4查用；,分别为考虑上下层层高变化时反弯点高度比的修正值， 按教材表5.5查用。,32,33,34,35,36,底层,37,顶层,底层,38,3. D值法计算步骤 当按上述1、2中的方法求出各柱的D值及反弯点高度yh之后，框架的内 力计算步骤为： 1）各柱的剪力,2）内力计算步骤同反弯点法。,第i根柱的D值;,第i根柱所在楼层所有柱的D值之和;,第i根柱所在楼层以上所有水平力之和。,式

14、中,39,例题：用D值法求图示框架内力（M、V、N图）。,40,41,求柱剪力：,42,43,求柱剪力：,44,求反弯点高度比y：,45,46,求反弯点高度比y：,47,底层,48,求反弯点高度比y：,49,顶层,底层,50,求反弯点高度比y：,51,求柱端弯矩：,（弯矩单位：KN-m）,52,（弯矩单位：KN-m）,弯矩图：,53,四、框架结构水平位移计算 框架结构的水平位移是由梁柱弯曲变形uM产生的侧移和柱轴向变形产生的侧移uN之和。,uM可由值D法求得，即,式中,54,式中： V0框架柱底部总剪力； H 框架总高度； E 边柱砼弹性模量； B 边柱轴线间距离； 底层一侧边柱的横截面面积。

15、 Fn侧移系数。,55,同理可得均布荷载及倒三角形荷载作用下的Fn算式，此处从略。,分别为底层、顶层边柱的横截面积。,Hj第j层框架的高度。,为方便计算，将上式制成图表，供设计时查用。,56,57,式中： V0框架柱底部总剪力； H 框架总高度； E 边柱砼弹性模量； B 边柱轴线间距离； 底层一侧边柱的横截面面积。 Fn侧移系数。,柱轴向变性引起的第j层的层间相对侧移为：,柱轴向变性引起的侧移相对较小，所以仅在H50或H/B4的框架中考虑。,58,梁,柱,1,2,3,上,下,5.5 框架结构的内力组合及调幅,一、控制截面及最不利内力,1、3截面负弯矩及剪力大； 2截面正弯矩大。,上下两端截面

16、 柱弯矩大。,支座处弯矩取值,1. 控制截面,59,在针对控制截面进行内力组合时，应有目的的找出最不利 内力，各控制截面的最不利内力如下：,梁跨中,柱端,2.最不利内力,梁端,60,二、梁端内力调幅 调幅目的：一是由于支座弯矩较大，经调幅后，可使其配筋不致过多、便于 施工；二是由于梁端不是绝对刚性，尤其是装配整体式框架，会有相对角变。,调幅系数可取0.80.9，装配整体式框架可取0.70.8。 支座弯矩调幅后，跨中弯矩相应增大，应按平衡条件计算调幅后的跨中弯矩，且要求跨中弯矩不小于按简支梁计算的跨中弯矩的1/2。 应当仅对竖向荷载引起的梁端弯矩进行调幅，水平荷载引起的梁端弯矩不应进行调幅。 另

17、外，由于没考虑活荷不利布置，应将梁跨中弯矩乘以1.11.3的放大系数。梁内力调幅及弯矩放大均应在内力组合之前进行。,61,1.7（一级），,1.5（二级），,1.3（三级）,一、框架柱截面设计要点及构造 1.内力设计值调整（非抗震设计不需调整） 1)框架柱的弯矩设计值调整 抗震设计时, 为避免框架底层柱根部在地震作用下过早出现塑性铰，导致结构倒塌，要求底层下端柱截面的弯矩设计值乘以增大系数：,为体现强柱弱梁的设计概念，要求对柱端弯矩设计值进行调整。 例如，对二、三级框架，要求：,当不满足上式时，柱的弯矩设计值应按上式右端的数值，按弹性分析的 弯矩比例进行分配。,5.6 截面、节点设计要点及构造

18、要求,柱端弯矩增大系数。对框架结构，二、三级分别取1.5 和1.3。,节点左、右梁端截面逆时针或顺时针方向组合弯矩设计值之和；,节点上、下柱端截面顺时针或逆时针方向组合弯矩设计值之和；,一级框架结构要求更加严格（略）。,62,2）框架柱的剪力设计值调整 根据强剪弱弯的设计概念，要求对抗震设计的框架柱端部截面的剪力设计值进行调整。 例如，对二、三级框架，要求：,式中 分别为柱上、下端顺时针或逆时针方向截面 组合的弯矩设计值，应符合第1）条“框架柱的弯矩 设计值调整”的规定；,柱的净高； 柱端剪力增大系数，对框架结构二、三级分别取 13、12。,3）框架角柱的内力设计值调整 抗震设计时，一、二、三

19、级框架角柱经上述方法调整后的弯矩、剪力设计值应乘以不小于1.1的增大系数（注：框架角柱应按双向偏心受力构件进行正截面承载力设计）。,一级框架结构要求更加严格（略）。,63,2.截面尺寸校核 1)柱轴压比校核：根据柱的轴力设计值，重新验算轴压比。 2)柱截面尺寸限制条件：,持久设计状况、短暂设计状况,地震设计状况,64,式中 框架柱的剪跨比。反弯点位于柱高中部的框架柱，可取柱净高与计算方向2倍柱截面有效高度之比值； 柱端截面未经上述第（1）、（3）条调整的组合弯矩计算值，可取柱上、下端的较大值； 柱端截面与组合弯矩计算值对应的组合剪力计算值； 柱截面计算方向有效高度。,框架柱的剪跨比可按下式计算

20、：,65,1）柱的配筋计算 柱的配筋计算包括偏压（拉）构件的正截面及斜截面计算。 若无地震作用，配筋计算方法与钢筋混凝土结构基本构件中的计算方法相同； 若有地震作用，则偏压柱斜截面承载力计算公式为,3柱的配筋计算与构造,式中 框架柱的剪跨比。当3时，取=3； N考虑风荷载或地震作用组合的框架柱轴向压力设计值，当N 大于 时，取N等于 。,偏压构件正截面承载力基本公式无变化，仅在有地震作用组合时需考虑RE进行调整。,对比无地震作用，即持久、短暂设计状况,66,2）柱的纵向钢筋构造要求 框架柱抗震设计时，宜采用对称配筋。 非抗震设计时：全部纵向钢筋的配筋率，不应大于6（注：不宜大于5）、不应小于0

21、.5。 抗震设计时：全部纵向钢筋的配筋率不应大于5、不应小于下表所列的最小配筋百分率。,柱纵向受力钢筋最小配筋百分率（%）,注：1 当混凝土强度等级大于C60时，表中的数值应增加0.1； 2 采用335MPa 级、400MPa 级纵向受力钢筋时，应分别按表中数值增加0.1和 0.05 采用。,对于抗震等级为一级且剪跨比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。,抗震设计及非抗震设计，都要求柱截面每一侧纵向钢筋配筋率不应小于 0.2；,67,柱端箍筋加密的目的是从构造上提高框架柱塑性铰区的延性、对混凝土提

22、供约束，防止纵向钢筋压屈和保证受剪承载力。,3）柱端箍筋加密的要求,非抗震设计时，柱纵向钢筋间距不宜大于300mm； 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。 柱纵向钢筋净距均不应小于50mm。,68,柱端箍筋加密区范围：,柱长边尺寸 柱净高1/6 500,取较大值；,2)底层柱根以上1/3柱净高的范围； 3)剪跨比 不大于2的全高范围。 4)一、二级框架角柱的全高范围； 5)需要提高变形能力的柱的全高范围； 6）底层柱刚性地面上、下各500mm 的范围。,1)一般部位为,柱端箍筋加密区的构造要求,柱加密区范围内箍筋除应满足上述要求外，尚应满足体积配箍率的要求

23、， 具体规定详见高规。,69,柱箍筋形式示例,70,二、框架梁截面设计要点及构造,1.内力设计值调整 根据强剪弱弯的设计概念，要求对抗震设计的框架梁端截面的剪力设计值进行调整。例如，抗震设计时，框架梁端部截面组合的剪力设计值，对二、三级应按下式计算：,式中 分别为梁左、右端逆时针或顺时针方向截面组合的弯矩 设计值；,梁剪力增大系数，二、三级分别取1.2和1.1；,梁的净跨；,梁在重力荷载代表值作用下，按简支梁分析的梁端截面剪力 设计值。,2.梁截面尺寸限制条件 持久、短暂设计状况,一级框架结构及9 度时的框架结构要求更加严格（略）。,71,跨高比大于2.5的梁,跨高比不大于2.5的梁,式中 V

24、梁计算截面的剪力设计值。,3.受压区高度限值 为保证梁出现塑性铰时具有足够的转动能力，计入受压钢筋作用的梁端截面混凝土受压区高度，,一级,二、三级,其他情况，梁端截面混凝土受压区高度限值同普通混凝土受弯构件。,此外，对一、二、三级抗震等级框架中的纵向受力钢筋，要求： 1）钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.25； 2）钢筋屈服强度实测值与屈服强度标准值的比值不应大于1.3； 3）钢筋最大拉力下的总伸长率不应小于9 %。,地震设计状况,72,正截面抗弯基本公式无变化，仅在有地震作用组合时需考虑RE进行调整。,1）梁的配筋计算 梁的配筋计算包括受弯构件的正截面抗弯、斜截面抗剪计算

25、。 若无地震作用，配筋计算方法与钢筋混凝土结构基本构件中的计算方法完全相同； 若有地震作用，则梁斜截面承载力计算公式,4梁的配筋计算与构造,对比无地震作用，即持久、短暂设计状况,地震设计状况，一般框架梁为,73,纵向钢筋最小贯通用量应符合下列要求： （1）沿梁全长顶面和底面应至少各配置两根纵向钢筋，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14；三、四级抗震设计和非抗震设计时钢筋直径不应小于12mm； （2）一、二、三级抗震等级的框架梁内贯通中柱的每根纵向钢筋的直径不宜过大。对矩形截面柱，不宜大于柱在该方向截面尺寸的120；对圆形截面柱，

26、不宜大于纵向钢筋所在位置柱截面弦长的120。,2）梁纵向钢筋构造要求,梁纵向受拉钢筋配筋率 ()限值,74,梁端箍筋加密的目的是从构造上对框架 梁塑性铰区的受压混凝土提供约束，并约束 纵向受压钢筋，防止它在保护层混凝土剥落 后过早压屈，以保证梁端具有足够的塑性转 动能力。,图中（虚线）所示次梁，因不受水平地震作用的影响，所以不需做箍筋加密处理。,3）梁端箍筋加密的要求,75,抗震设计时，框架梁端箍筋应按下表的要求进行加密。,梁端箍筋加密区的长度、箍筋最大间距和最小直径,注：1.d为纵向钢筋直径，hb为梁截面高度。 2.一、二级抗震等级框架梁，当箍筋直径大于12mm 、肢数不少于于4 肢且肢距不

27、 大于150时，箍筋加密区最大间距应允许适当放松，但不应大于150mm。,此外，关于框架梁其他构造要求，此处从略。,76,三、框架梁柱节点核心区抗震验算,节点核心区开裂形态及受力简图,抗震设计时，一、二、三级框架的节点核心区应进行抗震验算；四级框架节点可不进行抗震验算。节点核心区的验算应符合现行国家标准混凝土结构设计规范GB50010-2010的有关规定。,77,节点核心区箍筋做法,四、钢筋的连接和锚固,1. 钢筋的连接 现浇钢筋混凝土框架梁、柱纵向受力钢筋的连接可采用机械连接、 绑 扎搭接或焊接，具体要求详见高规JGJ3-2010中的有关规定。,2. 钢筋的搭接和锚固长度 非抗震设计时，受拉

28、钢筋绑扎搭接的搭接长度应按下式计算，且不应小于300mm。,式中 受拉钢筋的搭接长度（mm）； 受拉钢筋的锚固长度（mm），应按现行国家标准混凝土结构设计规范GB50010-2010的有关规定采用； 受拉钢筋搭接长度修正系数，应按下页表采用。,78,纵向受拉钢筋搭接长度修正系数,注：同一连接区段内搭接钢筋面积百分率取在同一连接区段内有搭接接头的受力钢筋与全部受力钢筋面积之比。,抗震设计时，纵向受力钢筋的锚固和搭接长度应符合下列要求： 1） 纵向受拉钢筋的最小锚固长度应按下列各式采用：,一、二级抗震等级,三级抗震等级,四级抗震等级,式中 抗震设计时受拉钢筋的锚固长度。,2）当采用绑扎搭接接头时，其搭接长度不应小于下式的计算值：,式中 抗震设计时受拉钢筋的搭接长度。,现浇钢筋混凝土框架梁、柱纵向受力钢筋的连接和锚固构造要求，见下面各页的图示