多層及高層建筑結(jié)構(gòu)設計.ppt

多層及高層砼建筑結(jié)構(gòu)設計,第四章 框架結(jié)構(gòu)設計,目錄,緒論 第一章 高層建筑結(jié)構(gòu)體系及布置 第二章 高層建筑結(jié)構(gòu)上的作用 第三章 計算原則及一般規(guī)定 第四章 框架結(jié)構(gòu)設計 第五章 剪力墻結(jié)構(gòu)設計 第六章 框架-剪力墻結(jié)構(gòu),第四章 框架結(jié)構(gòu)設計,4.1 框架結(jié)構(gòu)的布置 4.2 梁、柱截面尺寸的確定 4.3 豎向荷載作用下框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力的近似計算-分層法 4.4 水平荷載作用下框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力的近似計算-反彎點法 4.5 水平荷載作用下框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力的近似計算-D值法 4.6 框架結(jié)構(gòu)的側(cè)移近似計算 4.7 梁柱截面設計及構(gòu)造,4.1 框架結(jié)構(gòu)的布置,1應沿建筑的兩個主軸方向都應設置框架。 2抗震設計的框架結(jié)構(gòu)不宜采用單跨框架。 3.抗震的鋼筋混凝土框架柱網(wǎng)一般不宜超過68m。 過大的柱網(wǎng)將給實現(xiàn)強柱弱梁及延性框架增加一定困難。 4. 框架梁、柱中心線宜重合。 6-8度抗震設計時不宜大于柱截面在該方向柱寬的1/4，否則可采取設梁的水平加腋等措施,5. 框架結(jié)構(gòu)按抗震設計時，不得采用部分由砌體墻承重之混合形式。（高規(guī)此條為強制性條文） 框架結(jié)構(gòu)中的樓、電梯及局部突出屋頂?shù)碾娞輽C房、樓梯間、水箱間等，應采用框架承重，不應采用砌體墻承重。框架結(jié)構(gòu)中有填充墻時，填充墻在平面和豎向的布置，宜均勻?qū)ΨQ，一、二級抗震的框架，宜采用輕質(zhì)填充墻，或與框架柔性連接的墻板，粘土磚填充墻應符合下列要求： 避免形成上、下層剛度變化過大； 避免形成短柱 減少因抗側(cè)剛度偏心所造成的扭轉(zhuǎn)。 抗震設計時，填充墻及隔墻應注意與框架及樓板拉結(jié)，并注意填充墻及隔墻自身的穩(wěn)定性；,小柱：支撐樓梯休息平臺梁,短柱,當柱高小于4倍柱截面高度（H/b4)時形成短柱。,短柱剛度大，易產(chǎn)生剪切破壞。,角柱,由于雙向受彎、受剪,加上扭轉(zhuǎn)作用，震害比內(nèi)柱重。,6. 抗震設計的框架結(jié)構(gòu)中，當樓、電梯間采用鋼筋混凝土墻時，結(jié)構(gòu)分析計算中，應考慮該剪力墻與框架的協(xié)同工作。 如果在框架結(jié)構(gòu)中布置了少量剪力墻(例如樓梯間)，而剪力墻的抵抗彎矩少于總傾覆力矩的50%時，則規(guī)范要求該結(jié)構(gòu)按框架結(jié)構(gòu)確定構(gòu)件的抗震等級，但是內(nèi)力及位移分析仍應按框架-剪力墻結(jié)構(gòu)進行，否則對剪力墻不利。如因樓、電梯間位置較偏等原因，不宜作為剪力墻考慮時，可采取將此種剪力墻減薄、開豎縫、開結(jié)構(gòu)洞、配置少量單排鋼筋等方法，以減少墻的作用，此時與墻相連的柱子，配筋宜適當增加。,7. 框架沿高度方向各層平面柱網(wǎng)尺寸宜相同。柱子截面變化時，盡可能使軸線不變，或上下僅有較小的偏心。 當某樓層高度不等形成錯層時，或上部樓層某些框架柱取消形成不規(guī)則框架時，應視不規(guī)則程度采取措施加強樓層，如加厚樓板、增加邊梁配筋。,back,可能形成 短柱,應力集中、樓板受到削弱,4.2 梁柱截面尺寸的確定及梁剛度取值,1.框架梁截面尺寸 框架梁截面尺寸應根據(jù)承受豎向荷載的大小、跨度、抗震設防烈度、混凝土強度等諸多因素綜合考慮確定。 框架梁截面高度： 梁截面寬度 為了降低樓層高度，或便于通風管道等通行，必要時可設計成寬度較大的扁梁。此時應根據(jù)荷載及跨度情況，滿足梁的撓度限值，扁梁截面高度可取(1/151/18)梁跨度。,2.框架梁截面慣性矩 在進行框架的內(nèi)力和位移計算時，現(xiàn)澆樓板、上有現(xiàn)澆疊合層的預制樓板和樓板雖無現(xiàn)澆疊合層但為拉開預制板板縫且有配筋的裝配整體疊合梁，均可考慮梁的翼緣作用。增大梁的慣性矩。此時框架梁的慣性矩可按下表取值。,3.對框架梁的截面尺寸要求 框架梁應具有足夠的抗剪承載力。矩形、T形和工字形截面梁其截面能組合的剪力設計值應符合下列條件：,(1) 無地震作用組合時：,(2) 有地震作用組合時： 跨高比大于2.5的梁,跨高比不大于2.5的梁,式中 框架梁的剪力設計值； 混凝土軸心抗壓強度設計值； 梁截面寬度和有效高度； 承載力抗震調(diào)整系數(shù)為0.85； 混凝土強度影響系數(shù)，當混凝土強度等級不大于 C50時取1.0；當混凝土強度等級為C80時取0.8，其間按線性內(nèi)插取用。,(3) 為了使框架梁具有較好的變形能力，梁端的受壓高度應滿足以下要求：,式中 相對界限受壓區(qū)高度,抗震等級：結(jié)構(gòu)體系、 房屋高度、設防烈度,如果梁的受壓區(qū)x不滿足上式要求時，應增大梁的截面尺寸。 在確定梁端混凝土受壓區(qū)高度時，可考慮梁的受壓鋼筋計算在內(nèi)。 式中 受拉鋼筋的強度設計值； 鋼筋的彈性模量； 梁的截面有效高度； 混凝土受壓區(qū)高度； 混凝土強度影響系數(shù)。,4 柱截面尺寸的確定,框架柱截面尺寸，可根據(jù)柱支承的樓層面積計算由豎向荷載產(chǎn)生的軸力設計值Nv，(荷載分項系數(shù)可取1.25)，按下列公式估算柱截面積 ，然后再確定柱邊長。,(2)有水平地震作用組合時,為增大系數(shù)，框架結(jié)構(gòu)外柱取1.3,不等跨內(nèi)柱取1.25，等跨內(nèi)柱取1.2；框剪結(jié)構(gòu)外柱取1.11.2，內(nèi)柱取1.0。,(1)僅有風荷載作用或無地震作用組合時,（3）有地震作用組合時柱所需截面面積為：,其中 為混凝土軸心抗壓強度設計值， 為柱軸壓比限值見表。 當不能滿足公式時，應增大柱截面或提高混凝土強度等級。,結(jié)構(gòu)類型 抗震等級 一級 二級 三級 框架結(jié)構(gòu) 0.70 0.8 0.9 框架-剪力墻 0.75 0.85 0.95,柱軸壓比限值,5.柱截面尺寸要求,非抗震設計時，不宜小于250mm,抗震設計時不宜小于300mm;圓柱截面直徑不宜小于350mm;柱剪跨比宜大于2；柱截面高寬比不宜大于3。 剪跨比是反映柱截面所承受的彎矩與剪力相對大小的一個參數(shù)，表示為： =M/(Vhb),框架柱剪跨比可按下式計算：,式中 框架柱的剪跨比。反彎點位于柱高中部的框架柱，可取柱凈高與2倍柱截面有效高度之比值； M柱端截面組合的彎矩計算值，可取上、下端的較大值； V柱端截面與組合彎矩計算值對應的組合剪力計算值； 計算方向上截面有效高度。,柱的剪跨比宜大于2，以避免產(chǎn)生剪切破壞，在設計中，樓梯間、設備層等部位難以避免短柱時，除應驗算柱的受剪承載力以外，還應采取措施提高其延性和抗剪能力。 框架柱截面尺寸應滿足抗震要求，矩形截面柱應符合下列要求： 無地震組合時,有地震組合時,剪跨比大于2的柱,式中 框架柱的剪力設計值； 混凝土軸心抗壓強度設計值； 柱截面寬度和截面有效高度； 承載力抗震調(diào)整系數(shù)為0.85； 當C50時， 取1.0，C80時， 取0.8； C50C80時取其內(nèi)插值。,如果不滿足公式時，應增大柱截面或提高混凝土強度等級。,剪跨比不大于2的柱,back,4.3 豎向荷載作用下框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力的近似計算-分層法,在豎向荷載作用下多層框架 （1）側(cè)移小可用彎矩分配法； （2）當荷載作用在某一層時，只有受荷的梁及與它相連的上下層柱彎矩較大，其他各層梁柱承受的彎矩小。 分層計算,1.分層法計算的基本假定 （1）忽略側(cè)移； （2）每層只承受該層豎向荷載，不考慮其他各層荷載對他的影響。,分層法的計算原理,平面框架豎向荷載作用下的內(nèi)力分析方法-分層法,back,梁固端彎矩,節(jié)點分配,彎矩傳遞,彎矩疊加,節(jié)點平衡,構(gòu)件平衡,梁柱剪力,節(jié)點平衡柱軸力,2. 計算的修正 （1）除底層柱外，其他各層柱的線剛度乘以0.9的折減系數(shù)； （2）彎矩傳遞系數(shù)取1/3，遠端為嵌固時取1/2。 修正的原因：計算簡圖與實際的有誤差。 實 際：梁柱節(jié)點為彈性，柱端有轉(zhuǎn)角； 計算簡圖：梁柱節(jié)點為嵌固，柱端轉(zhuǎn)角為零。 過高估計了柱的剛度。,柱線剛度的修正 彎矩傳遞系數(shù)的修正,3.其他說明,（1）高層建筑框架結(jié)構(gòu)，在豎向荷載作用下采用手算進行內(nèi)力分析時，可不考慮框架的側(cè)移影響，可采用力矩分配法或迭代法。 （2）根據(jù)高層建筑層數(shù)多、上部各層豎向荷載多數(shù)相同或出入不大、各層層高多數(shù)相同和梁柱截面變化較小等特點，豎向荷載作用下可采用分層法進行簡化計算內(nèi)力。 （3）框架梁端的彎矩調(diào)幅只在豎向荷載作用下進行，水平力作用下梁端彎矩不允許調(diào)幅。因此，必須先對豎向荷載作用下梁端彎矩按調(diào)幅計算后的各桿彎矩再與水平力作用下的各桿彎矩進行組合，而不應采用豎向荷載作用下與水平力作用下計算所得彎矩組合后再對梁端彎矩進行調(diào)幅。,（4） 框架梁在豎向荷載作用下，梁端負彎矩允許考慮塑性變形內(nèi)力重分布予以適當降低，可采用調(diào)幅系數(shù),對于現(xiàn)澆框架,對于裝配整體式框架,為計算方便，在求梁固端彎矩值時先可乘以調(diào)幅系數(shù) 值，然后再進行框架彎矩分配計算。,（5）高層建筑在豎向荷載作用下，活荷載一般按均布考慮，不進行不利分布的計算。但是，當活荷載值較大（大于4kN/m2）時，應考慮其不利分布對梁跨中彎矩的影響。 （6）豎向荷載作用下，框架梁跨中計算所得的彎矩值小于按簡支梁計算的跨中彎矩的50%時，則至少按簡支梁計算的跨中彎矩的50%進行截面配筋。,back,作業(yè)：如圖為兩層兩跨框架，各層橫梁上作用均布線荷載。圖中括號內(nèi)的數(shù)值表示桿件的相對線剛度值；梁跨度值與柱高度值均以mm為單位。試用分層法計算各桿件的彎矩，并繪出彎矩圖。,4.4 水平荷載作用下框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力的近似計算-反彎點法,1、水平荷載作用下框架結(jié)構(gòu)的受力及變形特點,（1）層間相對水平位移引起的柱子變形特點 反彎點在柱的中點 （2）節(jié)點轉(zhuǎn)角引起的柱子變形特點,2、計算假定 （1）橫梁為無限剛性，即各柱端無轉(zhuǎn)角； （2）底層柱反彎點位于柱下端2/3處，其他各層柱反彎點在柱高中點處。 3、反彎點法的計算步驟 （1）各柱承擔的剪力 由結(jié)構(gòu)力學知：兩端固定柱的側(cè)向剛度為 則,（2）各柱柱端彎矩 同理可求出其他柱柱端彎矩 （3）梁端彎矩 邊節(jié)點 中間節(jié)點,4、反彎點法的計算要點 （1）確定反彎點的高度；假定柱上下端轉(zhuǎn)角相等 （2）確定各柱的剪力分配系數(shù)（抗側(cè)移剛度） 假定梁柱節(jié)點轉(zhuǎn)角為零 隨著層數(shù)的增加，柱子的截面尺寸加大，梁柱線剛度比值減少，節(jié)點轉(zhuǎn)角不能忽略，反彎點法的計算誤差增大，須修正。,back,思考題： 結(jié)合反彎點法的計算假定，說明反彎點法計算框架結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下內(nèi)力的適用范圍。,4.5 水平荷載作用下框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力的近似計算-D值法,4.5.1 柱的側(cè)向剛度 1.假定 （1）所分析柱的上下兩端轉(zhuǎn)角以及與該柱相連的所有各桿遠端的節(jié)點轉(zhuǎn)角相等； （2）所分析柱的線剛度與之相鄰的上下柱的線剛度均相等； （3）所分析柱及與之相鄰上下層柱的弦轉(zhuǎn)角均相等。,2. 轉(zhuǎn)角位移方程 3. 求 與 的關系 由節(jié)點力矩平衡條件 將兩式相加，得,式中： 梁柱線剛度比值； 4. 求柱的側(cè)向剛度 柱AB受到的剪力 柱側(cè)向剛度 梁柱線剛度比值對柱側(cè)向剛度的影響系數(shù)，,4.5.2 柱的反彎點高度 假定：同層各節(jié)點轉(zhuǎn)角相等。即各層橫梁的反彎點在跨中，且該點無豎向位移。,標準反彎點高度比y0 規(guī)則框架：各層梁、柱的線剛度及層高均相等。 可求出在均布荷載、倒三角荷載、頂點集中荷載作用下規(guī)則框架的 標準反彎點高度比。 2. 上、下橫梁線剛度比變化時反彎點高度比的修正值y1 3. 上、下層高變化反彎點時高度比的修正值y2 、y3 4. 反彎點高度,4.5.3 D值法的計算步驟,采用D值法進行計算時，其步驟為： 利用平衡條件，求出各樓層剪力 。 將樓層剪力 按該層各柱的D值比例分配到各柱，得到柱剪力 求出柱的反彎點y，由剪力 及反彎點高度y計算出柱上下端彎 矩。 根據(jù)梁柱節(jié)點平衡條件，梁柱節(jié)點的上下柱端彎矩之和應等于 節(jié)點左右邊梁端彎矩之和，從而求得梁端彎矩值。 將框架梁左右端彎矩之和除以梁的跨度，則可得到梁端剪力。 從上到下逐層疊加梁柱節(jié)點左右邊梁端剪力值，可得到各層柱 在水平力作用下的軸力值。,D值法與反彎點法的區(qū)別 1. 在確定柱的側(cè)向剛度時，D值法考慮了節(jié)點有轉(zhuǎn)角；而反彎點法認為節(jié)點轉(zhuǎn)角為零； 2. 在確定反彎點高度時，D值法考慮了上下節(jié)點轉(zhuǎn)角的差別；而反彎點法認為反彎點在柱高1/2處。,小結(jié),back,作業(yè)：試采用D值法求圖示框架的彎矩，并繪出彎矩圖。圖中括號內(nèi)的數(shù)字表示桿件的相對線剛度值。,4.6 框架結(jié)構(gòu)側(cè)移的近似計算,1、高層建筑框架結(jié)構(gòu)的水平位移=梁柱彎曲變形產(chǎn)生的側(cè)移+ 柱子軸向變形產(chǎn)生的側(cè)移,總體剪切變形,總體彎曲變形,式中 第i層的樓層剪力； 第i層所有柱抗推剛度之和， 框架的頂點由于梁柱彎曲變形產(chǎn)生的變形為：,2、梁柱彎曲變形產(chǎn)生的側(cè)移,3、柱子軸向變形產(chǎn)生的側(cè)移 當房屋高度較大（H50m）或高寬比較大（H/B4）時考慮.,式中 底部剪力； B框架的寬度，即邊柱間距； 框架底層柱的混凝土彈性模量； 框架底層邊柱截面面積； 位移系數(shù)，取決于水平力形式、頂層柱與底層柱的軸向剛度比，由表查得。表中 為頂層邊柱與底層邊柱的軸向剛度比； H框架總高度。,back,4.7 梁柱截面設計及構(gòu)造 4.7.1 構(gòu)件設計中的一些重要規(guī)定,1、框架結(jié)構(gòu)的簡化手算方法分析內(nèi)力和位移，應分別在豎向荷載、風荷載或地震作用下單獨進行計算，然后按非抗震設計時荷載效應的組合或抗震設計時荷載效應與地震作用效應的組合。 2、組合后的框架側(cè)向位移應校核是否滿足位移限制值的要求。如果已滿足，則按組合后的內(nèi)力進行構(gòu)件截面設計，不滿足時，則應修改構(gòu)件截面大小或提高混凝土強度等級，然后再進行內(nèi)力和位移計算，直至側(cè)向位移滿足限制值。,3、風荷載及水平地震作用時，應按兩個主軸方向作用分別進行內(nèi)力和位移計算，每個方向水平力必須考慮正、反兩個方向作用。 4、在有斜交布置抗側(cè)力框架結(jié)構(gòu)中，當沿斜交方向作用的水平力可能使斜交抗側(cè)力框架的內(nèi)力比主軸方向水平力產(chǎn)生的內(nèi)力更大時，則應計算這斜向水平力作用下的內(nèi)力。 5、內(nèi)力組合后的取用值，梁端控制截面在柱邊，柱端控制截面在梁底及梁頂。按軸線計算簡圖得到的彎矩和剪力值宜換算到設計控制截面處的相應值。為了簡便設計，也可采用軸線處的內(nèi)力值，但是這將增大配筋量和結(jié)構(gòu)的承載力。,6、框架梁、柱構(gòu)件截面應分別按正截面承載力計算和斜截面承載力計算，并應按有關規(guī)定要求進行構(gòu)造配筋。 7、有抗震設防的框架角柱，應按雙向偏心受壓構(gòu)件計算。抗震等級為一、二、三、級時，角柱的內(nèi)力設計值宜乘以增大系數(shù)。 8、地震區(qū)的高層建筑框架結(jié)構(gòu)，要求強柱弱梁、強剪弱彎、強底層柱根，抗震等級為一、二、三級時，梁、柱內(nèi)力設計值均應乘以提高系數(shù)。 9、框架梁、柱節(jié)點，應設計成強節(jié)點，使節(jié)點區(qū)在地震作用下能基本處于彈性狀態(tài)，避免出現(xiàn)脆性破壞?？拐鸬燃墳橐?、二級時，節(jié)點應進行受剪承載力的驗算。 框架梁、柱節(jié)點區(qū)，必須配置箍筋，并保證梁的縱向鋼筋錨固。,4.7.2 框架梁柱構(gòu)造要求,1、抗震框架梁縱向鋼筋構(gòu)造,2、抗震框架梁箍筋構(gòu)造,（1）梁端箍筋加密區(qū)的構(gòu)造要求,(2)、第一個箍筋應設置在距構(gòu)件節(jié)點邊緣不大于50mm處； (3)、梁箍筋加密區(qū)長度內(nèi)的箍筋肢距；一級抗震等級不宜大于200mm及20倍箍筋直徑的較大值；二、三級抗震等級不宜大于250mm及20倍箍筋直徑較大值，四級抗震等級不宜大于300mm;,兩種破壞形式,弱柱型（柱鉸機制）,弱梁型（梁鉸機制