建筑框架結構模實用教案

1、 1結構組成(z chn)及特點框架結構（frame structure）由梁、柱構件(gujin)通過節(jié)點連接構成，如整幢房屋均采用這種結構形式，則稱為框架結構體系或框架結構房屋。框架結構平面布置和剖面示意圖第1頁/共61頁第一頁，共62頁。按施工方法(fngf)不同，框架結構可分為現(xiàn)澆式、裝配式和裝配整體式三種。（1）框架結構的受力特點在豎向荷載和水平荷載作用下，框架結構各構件將產生(chnshng)內力和變形?？蚣芙Y構的側移一般由兩部分組成：由水平力引起的樓層剪力，使梁、柱構件產生(chnshng)彎曲變形，形成框架結構的整體剪切變形us；由水平力引起的傾覆力矩，使框架柱產生(chnsh

2、ng)軸向變形（一側柱拉伸，另一側柱壓縮），形成框架結構的整體彎曲變形ub。當框架結構房屋的層數不多時，其側移主要表現(xiàn)為整體剪切變形，整體彎曲變形的影響很小。 第2頁/共61頁第二頁，共62頁。框架結構的側移第3頁/共61頁第三頁，共62頁。（2）框架結構體系的優(yōu)缺點建筑平面布置靈活，能獲得大空間（特別適用(shyng)于商場、餐廳等），也可按需要做成小房間； 建筑立面容易處理；結構自重較輕； 計算理論比較成熟； 在一定高度范圍內造價較低。 框架結構的側向剛度較小，水平荷載作用下側移較大，有時會影響正常使用；如果框架結構房屋的高寬比較大，則水平荷載作用下的側移也較大，而且引起的傾覆作用也較嚴重

3、。 因此，設計時應控制房屋的高度和高寬比。第4頁/共61頁第四頁，共62頁。2結構(jigu)布置（structural configuration） 框架結構布置主要是確定柱在平面上的排列方式（柱網布置）和選擇(xunz)結構承重方案，這些均必須滿足建筑平面及使用要求，同時也須使結構受力合理，施工簡單。民用建筑柱網布置第5頁/共61頁第五頁，共62頁?？蚣芙Y構的承重方案 1）橫向框架承重。 主梁沿房屋橫向布置，板和連系(lin x)梁沿房屋縱向布置。 2）縱向框架承重。 主梁沿房屋縱向布置，板和連系(lin x)梁沿房屋橫向布置。 3）縱、橫向框架承重。 房屋的縱、橫向都布置承重框架 ，樓蓋

4、常采用現(xiàn)澆雙向板或井字梁樓 蓋。第6頁/共61頁第六頁，共62頁?？蚣芙Y構的承重(chngzhng)方案第7頁/共61頁第七頁，共62頁。梁端水平(shupng)加腋處平面圖在框架結構布置中，梁、柱軸線宜重合，如梁須偏心放置時，梁、柱中心線之間的偏心距不宜(by)大于柱截面在該方面寬度的1/4。如偏心距大于該方向柱寬的1/4時，可增設梁的水平加腋。試驗表明，此法能明顯改善梁柱節(jié)承受反復荷載的性能。 bx / lx 1/2 ， bx / bb 2/3 ， bb + bx + x bc/2梁水平加腋厚度可取梁截面高度，其水平尺寸宜滿足下列要求：第8頁/共61頁第八頁，共62頁。 梁水平加腋后，改善

5、了梁柱節(jié)點的受力性能，故節(jié)點有效寬度bj宜按下列規(guī)定取值： 當x = 0時，bj按下式計算： 當x0時，bj取下列二式計算的較大值： 且應滿足bj bb + 0.5hc，其中(qzhng)hc為柱截面高度。bj bb + bxbj bb + bx + x bj bb + 2x第9頁/共61頁第九頁，共62頁。1 框架結構的計算(j sun)簡圖及荷載 梁、柱截面(jimin)尺寸框架梁、柱截面尺寸應根據承載力、剛度及延性等要求確定。初步設計時，通常由經驗或估算先選定截面尺寸，以后進行承載力、變形等驗算，檢查所選尺寸是否合適。 梁截面尺寸確定 框架結構中框架梁的截面高度hb可根據梁的計算跨度lb

6、、活荷載大等，按hb = (1/181/10)lb確定。為了防止梁發(fā)生剪切脆性破壞，hb不宜大于1/4凈跨。主梁截面寬度可取bb = (1/31/2)hb，且不宜小于200mm。為了保證梁的側向穩(wěn)定性，梁截面的高寬比（hb/bb）不宜大于4。 第10頁/共61頁第十頁，共62頁。為了降低樓層高度，可將梁設計(shj)成寬度較大而高度較小的扁梁，扁梁的截面高度可按 (1/181/15)lb估算。扁梁的截面寬度b（肋寬）與其高度h的比值b/h不宜超過3。加腋梁梁截面(jimin)慣性矩第11頁/共61頁第十一頁，共62頁。 柱截面尺寸 柱截面尺寸可直接憑經驗確定，也可先根據其所受軸力按軸心受壓構件

7、估算，再乘以適當的放大系數以考慮彎矩的影響。即式中 Ac為柱截面面積；N為柱所承受的軸向壓力設計值；Nv為根據柱支承的樓面面積計算(j sun)由重力荷載產生的軸向力值；1.25為重力荷載的荷載分項系數平均值；重力荷載標準值可根據實際荷載取值，也可近似按（1214）kN/m2計算(j sun)；fc為混凝土軸心抗壓強度設計值。 Ac (1.11.2)N / fc N = 1.25Nv第12頁/共61頁第十二頁，共62頁?？蚣苤慕孛?jimin)寬度和高度均不宜小于300mm，圓柱截面(jimin)直經不宜小于350mm，柱截面(jimin)高寬比不宜大于3。為避免柱產生剪切破壞，柱凈高與截面

8、(jimin)長邊之比宜大于4，或柱的剪跨比宜大于2。梁截面慣性矩 在結構內力與位移計算中，與梁一起現(xiàn)澆的樓板可作為框架梁的翼緣，每一側翼(cy)緣的有效寬度可取至板厚的6倍；裝配整體式樓面視其整體性可取等于或小于6倍；無現(xiàn)澆面層的裝配式樓面，樓板的作用不予考慮。 設計中，為簡化計算，也可按下式近似確定梁截面慣性矩I：0II第13頁/共61頁第十三頁，共62頁。2框架結構的計算(j sun)簡圖計算(j sun)單元 框架結構的計算單元及計算模型第14頁/共61頁第十四頁，共62頁?？蚣芙Y構房屋是空間結構體系，一般應按三維空間結構進行分析。但對于平面布置較規(guī)則的框架結構房屋，為了簡化計算，通常

9、將實際的空間結構簡化為若干個橫向或縱向平面框架進行分析，每榀平面框架為一計算單元。 就承受豎向荷載而言，當橫向（縱向）框架承重，且在截取橫向（縱向）框架計算時，全部豎向荷載由橫向（縱向）框架承擔，不考慮縱向（橫向）框架的作用。當縱、橫向框架混合承重時，應根據結構的不同特點(tdin)進行分析，并對豎向荷載按樓蓋的實際支承情況進行傳遞，這時豎向荷載通常由縱、橫向框架共用承擔。第15頁/共61頁第十五頁，共62頁?？蚣芙Y構計算(j sun)簡圖第16頁/共61頁第十六頁，共62頁。在框架結構的計算簡圖中，梁、柱用其軸線表示，梁與柱之間的連接用節(jié)點（beam-column joints）表示，梁或柱

10、的長度(chngd)用節(jié)點間的距離表示，由圖可見，框架柱軸線之間的距離即為框架梁的計算跨度；框架柱的計算高度應為各橫梁形心軸線間的距離，當各層梁截面尺寸相同時，除底層外，柱的計算高度即為各層層高。對于梁、柱、板均為現(xiàn)澆的情況，梁截面的形心線可近似取至板底。對于底層柱的下端，一般取至基礎頂面；當設有整體剛度很大的地下室；且地下室結構的樓層側向剛度不小于相鄰上部結構樓層側向剛度的2倍時，可取至地下室結構的頂板處。第17頁/共61頁第十七頁，共62頁。在實際工程中，框架柱的截面尺寸通常沿房屋高度變化。當上層柱截面尺寸減小但其形心軸仍與下層(xicng)柱的形心軸重合時，其計算簡圖與各層柱截面不變時的

11、相同。當上、下層(xicng)柱截面尺寸不同且形心軸也不重合時，一般采取近似方法，即將頂層柱的形心線作為整個柱子的軸線，但是必須注意，在框架結構的內力和變形分析中，各層梁的計算跨度及線剛度仍應按實際情況??；另外，尚應考慮上、下層(xicng)柱軸線不重合，由上層柱傳來的軸力在變截面處所產生的力矩。此力矩應視為外荷載，與其他豎向荷載一起進行框架內力分析。 第18頁/共61頁第十八頁，共62頁。變截面(jimin)柱框架結構的計算簡圖第19頁/共61頁第十九頁，共62頁。裝配式框架(kun ji)的鉸節(jié)點框架柱與基礎(jch)的連接第20頁/共61頁第二十頁，共62頁?？蚣芙Y構上的荷載(hzi)

12、作用在多、高層建筑結構(jigu)上的荷載有豎向荷載和水平荷載。豎向荷載包括恒載和樓（屋）面活荷載，水平荷載包括風荷載和水平地震作用。樓面活荷載 作用在多、高層框架結構上的樓面活荷載，可根據房屋及房間的不同用途按荷載規(guī)范取用。應該指出，荷載規(guī)范規(guī)定的樓面活荷載值，是根據大量調查資料所得到的等效均布活荷載（equivalent uniform live load）標準值，且是以樓板的等效均布活荷載作為樓面活荷載。風荷載 當計算主要承重結構時，垂直于建筑物表面的風荷載標準值仍按式（3.5.9）計算，對于多、高層框架結構房屋，式中的計算參數應按規(guī)定采用。第21頁/共61頁第二十一頁，共62頁。1豎向

13、荷載作用(zuyng)下框架結構內力的近似計算在豎向荷載（vertical load）作用下，多、高層框架結構的內力可用力法、位移法等結構力學方法計算。工程設計中，如采用手算，可采用迭代法、分層法、彎矩二次分配(fnpi)法及系數法等近似方法計算。分層法豎向荷載作用下框架結構的受力特點及內力計算假定：（1）不考慮框架結構的側移對其內力的影響；（2）每層梁上的荷載僅對本層梁及其上、下柱的內力產生影響，對其他各層梁、柱內力的影響可忽略不計。 應當指出，上述假定中所指的內力不包括柱軸力，因為某層梁上的荷載對下部各層柱的軸力均有較大影響，不能忽略。第22頁/共61頁第二十二頁，共62頁。豎向荷載作用(

14、zuyng)下分層計算示意圖第23頁/共61頁第二十三頁，共62頁。（2）除底層柱的下端外，其他(qt)各柱的柱端應為彈性約束。為便于計算，均將其處理為固定端。這樣將使柱的彎曲變形有所減小，為消除這種影響，可把除底層柱以外的其他(qt)各層柱的線剛度乘以修正系數0.9。 分層法計算要點（1）將多層框架沿高度分成若干單層無側移的敞口框架，每個敞口框架包括(boku)本層梁和與之相連的上、下層柱。梁上作用的荷載、各層柱高及梁跨度均與原結構相同。第24頁/共61頁第二十四頁，共62頁。（3）用無側移框架的計算方法（如彎矩分配法）計算各敞口框架的桿端彎矩，由此所得的梁端彎矩即為其最后的彎矩值；因每一柱

15、屬于上、下兩層，所以每一柱端的最終彎矩值需將上、下層計算所得的彎矩值相加。在上、下層柱端彎矩值相加后，將引起新的節(jié)點不平衡彎矩，如欲進一步修正，可對這些不平衡彎矩再作一次彎矩分配。 如用彎矩分配法計算各敞口框架的桿端彎矩，在計算每個節(jié)點周圍各桿件的彎矩分配系數(xsh)時，應采用修正后的柱線剛度計算；并且底層柱和各層梁的傳遞系數(xsh)均取1/2，其他各層柱的傳遞系數(xsh)改用1/3。（4）在桿端彎矩求出后，可用靜力平衡條件計算梁端剪力及梁跨中彎矩；由逐層疊加柱上的豎向荷載（包括節(jié)點集中力、柱自重等）和與之相連的梁端剪力，即得柱的軸力。第25頁/共61頁第二十五頁，共62頁。彎矩二次分配

16、(fnpi)法具體計算步驟：（1）根據各桿件的線剛度計算各節(jié)點的桿端彎矩分配系數，并計算豎向荷載作用下各跨梁的固端彎矩。 （2）計算框架各節(jié)點的不平衡彎矩，并對所有節(jié)點的不平衡彎矩同時(tngsh)進行第一次分配（其間不進行彎矩傳遞）。（3）將所有桿端的分配彎矩同時(tngsh)向其遠端傳遞（對于剛接框架，傳遞系數均取1/2）。 （4）將各節(jié)點因傳遞彎矩而產生的新的不平衡彎矩進行第二次分配，使各節(jié)點處于平衡狀態(tài)。 至此，整個彎矩分配和傳遞過程即告結束。 （5）將各桿端的固端彎矩（fixed-end moment）、分配彎矩和傳遞彎矩疊加，即得各桿端彎矩。第26頁/共61頁第二十六頁，共62頁。

17、系數(xsh)法（Approximate analysis by coefficients）采用上述(shngsh)兩種方法計算豎向荷載作用下框架結構內力時，需首先確定梁、柱截面尺寸，而且計算過程較為繁復。系數法是一種更簡單的方法，只要給出荷載、框架梁的計算跨度和支承情況，就可很方便地計算出框架梁、柱各控制截面內力。 此法是統(tǒng)一建筑規(guī)范（Uniform Building Code）中介紹的方法，在國際上被廣泛采用。第27頁/共61頁第二十七頁，共62頁。水平荷載作用下框架結構的內力和側移可用結構力學方法計算(j sun)，常用的近似算法有迭代法、反彎點法、D值法和門架法等。1水平荷載(hzi)

18、作用下框架結構的受力及變形特點2D值法（ 1）層間剪力在各柱間的分配(fnpi)該式即為層間剪力Vi在各柱間的分配公式，它適用于整個框架結構同層各柱之間的剪力分配?？梢?，每根柱分配到的剪力值與其側向剛度成比例。第28頁/共61頁第二十八頁，共62頁。框架(kun ji)第2層脫離體圖（2）框架柱的側向剛度D值：一般(ybn)規(guī)則框架中的柱2c2c12122hihiKKVDcKK2c第29頁/共61頁第二十九頁，共62頁。框架柱側向(c xin)剛度計算公式第30頁/共61頁第三十頁，共62頁。稱為柱的側向剛度修正系數，它反映了節(jié)點轉動降低了柱的側向剛度，而節(jié)點轉動的大小則取決于梁對節(jié)點轉動的約

19、束程度(chngd)。，這表明梁線剛度越大，對節(jié)點的約束能力越強，節(jié)點轉動越小，柱的側向剛度越大。 現(xiàn)討論底層柱的D值。 同理，當底層柱的下端為鉸接時，可得 KK215 . 0ccK1c第31頁/共61頁第三十一頁，共62頁。底層(d cn)柱D值計算圖式第32頁/共61頁第三十二頁，共62頁。第33頁/共61頁第三十三頁，共62頁。柱高不等及有夾層(jicng)的柱 不等高柱夾層(jicng)柱第34頁/共61頁第三十四頁，共62頁。柱的反彎點高度(god)yh框架各柱的反彎點高度比y可用下式表示： 式中：yn表示標準反彎點高度比；y1表示上、下層橫梁線剛度(n d)變化時反彎點高度比的修正

20、值；y2、y3表示上、下層層高變化時反彎點高度比的修正值。反彎點高度(god)示意圖y = yn + y1 + y2 + y3第35頁/共61頁第三十五頁，共62頁。（1）標準反彎點高度比yn。 yn是指規(guī)則(guz)框架的反彎點高度比。標準反彎點位置簡化(jinhu)求解第36頁/共61頁第三十六頁，共62頁。第37頁/共61頁第三十七頁，共62頁。梁剛度變化(binhu)時反彎點的修正第38頁/共61頁第三十八頁，共62頁。第39頁/共61頁第三十九頁，共62頁。3反彎點法 由上述分析可見，D值法考慮了柱兩端節(jié)點轉動(zhun dng)對其側向剛度和反彎點位置的影響，因此，此法是一種合理且

21、計算精度較高的近似計算方法，適用于一般多、高層框架結構在水平荷載作用下的內力和側移計算。 當梁的線剛度比柱的線剛度大很多時（例如ib/ic3），梁柱節(jié)點的轉角很小。如果忽略此轉角的影響，則水平荷載作用下框架結構內力的計算方法，尚可進一步簡化，這種忽略梁柱節(jié)點轉角影響的計算方法稱為反彎點法。在確定柱的側向剛度時，反彎點法假定各柱上、下端都不產生(chnshng)轉動，即認為梁柱線剛度比為無限大。將趨近于無限大代入D值法的公式，可得=1。因此，由式可得反彎點法的柱側向剛度，并用D0表示為： 2c012hiD ccc第40頁/共61頁第四十頁，共62頁。同樣，因柱的上、下端都不轉動，故除底層柱外，其

22、他各層柱的反彎點均在柱中點（h/2）；底層柱由于實際是下端固定，柱上端的約束剛度相對(xingdu)較小，因此反彎點向上移動，一般取離柱下端2/3柱高處為反彎點位置，即取yh=用反彎點法計算(j sun)框架結構內力的要點與D值法相同。4框架結構側移的近似計算水平荷載作用下框架結構的側移（lateral displacement）如圖所示，它可以看作由梁、柱彎曲(wnq)變形（flexural deformation）引起的側移和由柱軸向變形（axial deformation）引起的側移的疊加。前者是由水平荷載產生的層間剪力引起的，后者主要是由水平荷載產生的傾覆力矩引起的。第41頁/共61頁

23、第四十一頁，共62頁。框架(kun ji)剪切變形（1）梁、柱彎曲(wnq)變形引起的側移 第42頁/共61頁第四十二頁，共62頁。（2）柱軸向變形(bin xng)引起的側移框架彎曲(wnq)變形第43頁/共61頁第四十三頁，共62頁。5框架結構的水平(shupng)位移控制框架結構的側向(c xin)剛度過小，水平位移過大，將影響正常使用；側向(c xin)剛度過大，水平位移過小，雖滿足使用要求，但不滿足經濟性要求。因此，框架結構的側向(c xin)剛度宜合適，一般以使結構滿足層間位移限值為宜。我國高層規(guī)程規(guī)定，按彈性方法計算(j sun)的樓層層間最大位移與層高之比u/h宜小于其限值u/

24、h，即：u/h表示層間位移角限值，對框架結構取1/550；h為層高。由于變形驗算屬正常使用極限狀態(tài)的驗算，所以計算u時，各作用分項系數均應采用1.0，混凝土結構構件的截面剛度可采用彈性剛度。另外，樓層層間最大位移u以樓層最大的水平位移差計算，不扣除整體彎曲變形。u/h u/h 第44頁/共61頁第四十四頁，共62頁。1荷載(hzi)效應組合（1）控制截面及最不利(bl)內力框架柱控制截面最不利內力組合一般有以下幾種： 1）|M|max及相應的N和V； 2）|N|max及相應的M和V； 3）Nmin及相應的M和V； 4）|V|max及相應的N。 這四組內力組合的前三組用來計算柱正截面受壓承載力，

25、以確定縱向受力鋼筋數量；第四組用以計算斜截面受剪承載力，以確定箍筋數量。第45頁/共61頁第四十五頁，共62頁。梁端的控制(kngzh)截面第46頁/共61頁第四十六頁，共62頁。（2）荷載的不利(bl)布置框架(kun ji)桿件的變形曲線活荷載(hzi)最不利荷載(hzi)布置法 第47頁/共61頁第四十七頁，共62頁。對于(duy)高層框架結構，荷載效應組合的設計值應按下式確定： （3）荷載效應(xioyng)組合（load effect combination） WQ,分別為樓面活荷載組合值系數和風荷載組合值系數，當永久荷載效應起控制作用時應分別取0.7和0.0；當可變荷載效應起控制作

26、用時應分別取1.0和0.6或0.7和1.0。 第48頁/共61頁第四十八頁，共62頁。4.5 荷載效應組合和構件(gujin)設計第49頁/共61頁第四十九頁，共62頁。（1）框架(kun ji)梁2構件(gujin)設計為了避免梁支座處抵抗負彎矩的鋼筋過分擁擠，以及在抗震結構中形成梁鉸破壞機構增加結構的延性，可以考慮框架梁端塑性變形內力重分布，對豎向荷載作用下梁端負彎矩進行調幅。對現(xiàn)澆框架梁，梁端負彎矩調幅系數可取0.80.9；對于裝配整體式框架梁，由于梁柱(lin zh)節(jié)點處鋼筋焊接、錨固、接縫不密實等原因，受力后節(jié)點各桿件產生相對角變，其節(jié)點的整體性不如現(xiàn)澆框架，故其梁端負彎矩調幅系數

27、可取0.70.8。第50頁/共61頁第五十頁，共62頁。框架梁端截面(jimin)負彎矩調幅后，梁跨中截面(jimin)彎矩應按平衡條件相應增大。截面(jimin)設計時，框架梁跨中截面(jimin)正彎矩設計值不應小于豎向荷載作用下按簡支梁計算的跨中截面(jimin)彎矩設計值的50%。 應先對豎向荷載作用下的框架梁彎矩進行調幅，再與水平荷載產生的框架梁彎矩進行組合。第51頁/共61頁第五十一頁，共62頁。（2）框架(kun ji)柱柱截面最不利(bl)內力的選取框架柱的計算長度l0Hll)(15. 01u0Hl)2 . 02(min0柱的配筋計算中，需要確定柱的計算長度l0?；炷两Y構設計

28、規(guī)范規(guī)定，l0可按下列規(guī)定確定： 1）一般多層房屋中梁柱為剛接的框架結構，各層柱的計算長度l0按表4.5.1取用。 2）當水平荷載產生的彎矩設計值占總彎矩設計值的75%以上時，框架柱的計算長度l0可按下列兩個公式計算，并取其中的較小值： 第52頁/共61頁第五十二頁，共62頁。 框架結構的構造(guzo)要求（）框架(kun ji)梁1梁縱向鋼筋的構造要求梁縱向受拉鋼筋的數量除按計算確定外，還必須考慮溫度、收縮應力所需要的鋼筋數量，以防止梁發(fā)生脆性破壞和控制裂縫寬度。縱向受拉鋼筋的最小配筋百分率和最大配筋率要求。沿梁全長頂面和底面應至少各配置兩根縱向鋼筋，鋼筋的直徑不應小于12mm。框架梁的縱

29、向鋼筋不應與箍筋、拉筋及預埋件等焊接。2梁箍筋的構造要求 應沿框架梁全長設置箍筋。箍筋的直徑、間距及配筋率等要求與一般梁的相同，可參見混凝土結構設計原理12第6章中的 有關內容。第53頁/共61頁第五十三頁，共62頁。（） 框架(kun ji)柱 柱箍筋形式(xngsh)示例第54頁/共61頁第五十四頁，共62頁。（）梁柱(lin zh)節(jié)點（beam-column joints）1）現(xiàn)澆梁柱節(jié)點(ji din)梁柱節(jié)點(ji din)處于剪壓復合受力狀態(tài)，為保證節(jié)點(ji din)具有足夠的受剪承載力，防止節(jié)點(ji din)產生剪切脆性破壞，必須在節(jié)點(ji din)內配置足夠數量的水平箍筋。節(jié)點(ji din)內的箍筋除應符合上述框架柱箍筋的構造要求外，其箍筋間距不宜大于250mm；對四邊有梁與之相連的節(jié)點(ji din)，可僅沿節(jié)點(ji din)周邊設置矩形箍筋。2）裝配整體式梁柱節(jié)點(ji din)裝配整體式框架的節(jié)點(ji din)設計是這種結構設計的關鍵環(huán)節(jié)。設計時應保證節(jié)點(ji din)的整體性；應進行施工階段和使用階段的承載力計算；在保證結構整體受力性能的前