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1、混凝土房屋结构设计,第 13 章 多层框架结构,授课教师:宗金辉,第13章 框架结构,第13章 内容要点,结构组成和结构布置,框架结构的计算简图及荷载,竖向荷载作用下框架结构内力的近似计算,水平荷载作用下框架结构内力和侧移的近似计算,荷载效应组合和构件设计,框架结构的构造要求,主要内容:,重点:,结构组成和结构布置,框架结构的计算简图及荷载,反弯点法,值法,第13章 框架结构,房屋按高度和层数分类,低层,12层 310层 10层或28m(24m),多层,高层,13.1结构组成和结构布置,第13章 框架结构,1 结构组成及特点,13.1结构组成和结构布置,第13章 框架结构,框架结构(frame
2、 structure)由梁、柱构件通过节点连接构成。如整幢房屋均采用这种结构形式,则称为框架结构体系或框架结构房屋。,主体结构除个别部位外,不应采用铰接,柱底应为固定支座。框架梁宜拉通对直,框架柱宜对齐、上下对中,梁柱轴线宜在同一竖向平面内。,框架结构,13.1结构组成和结构布置,第13章 框架结构,13.1结构组成和结构布置,第13章 框架结构,13.1结构组成和结构布置,第13章 框架结构,1 结构组成及特点,框架是承受竖向荷载,并同时承受水平荷载的结构形式。一般墙体不承重,内、外墙只起分隔和围护作用,不考虑其对框架抗侧的作用。,13.1结构组成和结构布置,第13章 框架结构,按施工方法不
3、同,框架结构可分为现浇式(常用)、装配式和装配整体式三种。,(1)框架结构的受力特点 在竖向荷载和水平荷载作用下,框架结构各构件将产生内力和变形。框架结构的侧移一般由两部分组成:由水平力引起的楼层剪力,使梁、柱构件产生弯曲变形,形成框架结构的整体剪切变形us;由水平力引起的倾覆力矩,使框架柱产生轴向变形(一侧柱拉伸,另一侧柱压缩),形成框架结构的整体弯曲变形ub。 当框架结构房屋的层数不多时,其侧移主要表现为整体剪切变形,整体弯曲变形的影响很小。,1 结构组成及特点,13.1结构组成和结构布置,第13章 框架结构,框架结构的侧移,13.1结构组成和结构布置,第13章 框架结构,(2)框架结构体
4、系的优缺点 建筑平面布置灵活,能获得大空间(特别适用于商场、餐厅等),也 可按需要做成小房间; 建筑立面容易处理;结构自重较轻; 施工方便;计算理论比较成熟; 在一定高度范围内造价较低,较为经济。 框架结构的侧向刚度较小,水平荷载作用下 侧移较大,有时会影响正常使用;如果框架结构 房屋的高宽比较大,则水平荷载作用下的侧移也 较大,而且引起的倾覆作用也较严重。 因此,设计时应控制房屋的高度和高宽比。,框架结构受力变形动画,13.1结构组成和结构布置,第13章 框架结构,2 结构布置(structural configuration),框架结构布置主要是确定柱在平面上的排列方式(柱网布置)和选择结
5、构承重方案,这些均必须满足建筑平面及使用要求,同时也须使结构受力合理,施工简单。,结构布置的一般原则,满足使用要求,并尽可能与建筑的平、立剖面划分相一致; 满足人防、消防要求,使水、暖、电各专业的布置能有效地进行; 结构尽可能简单、规则、均匀、对称,构件类型少;,13.1结构组成和结构布置,第13章 框架结构,框架结构平面布置和剖面示意图,13.1结构组成和结构布置,第13章 框架结构,2 结构布置(structural configuration),考虑因素:生产工艺使用要求,建筑、结构及施工条件等;采用预制构件,符合模数制;柱网尺寸应力求简单规则,受力合理及有利于施工工业化。,民用建筑柱网
6、布置,柱网布置,13.1结构组成和结构布置,第13章 框架结构,13.1结构组成和结构布置,第13章 框架结构,13.1结构组成和结构布置,第13章 框架结构,2 结构布置(structural configuration),柱网布置,好,与分隔墙协调,柱通常设在纵横墙交叉点上,以减小对建筑功能的影响。,6-9m,柱距一般在6-9m之间。,13.1结构组成和结构布置,6-9m,而且要考虑结构在荷载作用下受力合理,各构件材料强度能充分发挥。,第13章 框架结构,13.1结构组成和结构布置,第13章 框架结构,框架结构的承重方案(按楼面荷载传递线路不同) 1)横向框架承重。 主梁沿房屋横向布置,板
7、和连系梁沿 房屋纵向布置。 2)纵向框架承重。 主梁沿房屋纵向布置,板和连系梁沿 房屋横向布置。 3)纵、横向框架承重。 房屋的纵、横向都布置承重框架 ,楼盖 常采用现浇双向板或井字梁楼盖。,13.1结构组成和结构布置,第13章 框架结构,13.1结构组成和结构布置,第13章 框架结构,横向布置,特点 房屋横向刚度大,侧移小; 横梁高度大,室内有效净空小; 纵向布置较小的连系梁,有利于采光通风,13.1结构组成和结构布置,第13章 框架结构,纵向布置,特点: 连系梁截面较小,框架梁截面尺寸大,室内有效净空高; 对纵向地基不均匀沉降较有利; 房屋横向刚度小,侧移大。进深受板长的限制。,13.1结
8、构组成和结构布置,第13章 框架结构,双向布置 (混合承重方案),特点: 整体性好,受力好,对抗震有利; 适用于整体性要求 较高和楼面荷载较 大的情况。,13.1结构组成和结构布置,第13章 框架结构,13.1结构组成和结构布置,框架体系的布置,(a) 横向布置;(b) 纵向布置;(c) 纵横双向布置,第13章 框架结构,变形缝的设置 变形缝是伸缩缝、沉降缝、抗震缝的统称。 在多高层建筑结构中,尽量少设或不设变形缝,可以简化构造方便施工,而且可增强结构整体性或空间刚度。 措施:在建筑设计时,调整平面形状、尺寸、体型等;结构设计时,选择节点连接方式、配置构造钢筋、设置刚性层等;施工时,分段施工、
9、设置后浇带、做好保温隔热层等措施防止收缩、不均匀沉降等因素引起的损坏。 但当建筑平面狭长或体型复杂、不对称,部分刚度、高度、重量相差悬殊,且上述措施无法解决时,应设置变形缝。 (1)、伸缩缝 仅将基础顶面以上的结构分开,宽度一般为2040mm。 作用:避免由于温度变化和混凝上收缩而使房屋产生裂缝。 设置:伸缩缝的设置主要与施工方法和房屋长度有关。,13.1结构组成和结构布置,第13章 框架结构,13.1结构组成和结构布置,第13章 框架结构,变形缝的设置 (2)、沉降缝 沉降缝将基础至屋顶全部分开。 作用:避免因房屋产生过大的不均匀沉降而导致基础、地面、墙体、楼面、屋面拉裂。 设置沉降缝: 1
10、)地质条件变化较大处; 2)地基基础处理方法不同处; 3)房屋平面形状变化的凹角处; 4)房屋高度、重量、刚度有较大变化处: 5)新建部分与原有建筑的结合处。,13.1结构组成和结构布置,第13章 框架结构,变形缝的设置 (2)、沉降缝 处理地基不均匀沉降的方法有三种: 第一种是“放”,设沉降缝让建筑物各部分自由沉降互不影响; 第二种是“抗”,采用刚度较大的基础,利用本身的刚度来抵抗沉降差,不需设沉降缝; 第三种是“调”,施工过程中,沉降缝位置的基础到楼(屋)盖结构的梁板不断开,钢筋连续,设约800mm宽的后浇段,待沉降基本完成后再连成整体,不设永久性的沉降缝。 需同时设伸缩缝和沉降缝时,应二
11、缝合一,以使整个房屋的缝数减少,缝宽度不小于50mm,当房屋高度超过10m时,缝宽应不小于70mm。,13.1结构组成和结构布置,第13章 框架结构,变形缝的设置 (2)、沉降缝,沉降缝设置方法:挑梁或搁置预制板、预制梁,13.1结构组成和结构布置,第13章 框架结构,(2)、沉降缝,13.1结构组成和结构布置,第13章 框架结构,变形缝的设置,(3)、抗震缝 震害表明,建筑物造型复杂,质量和刚度分布差异显著,地质条件变化较大时,在地震作用下,由于结构各部位产生的变形不协调,导致结构一些部位破坏。在这种情况下,设置抗震缝,将基础顶面以上的结构断开,把房屋分成若干个独立的单元体,使其在地震作用下
12、互不影响,地震作用明确。 规范要求下列情况宜设抗震缝: 1)平面形状复杂而无加强措施; 2)房屋有较大错层; 3)各部分结构的刚度或荷载相差悬殊。 当需要同时设置伸缩缠、沉降续和抗震缝时,应三缝合一。 宽度:详见建筑设计规范。,13.1结构组成和结构布置,第13章 框架结构,13.2 框架结构的计算简图及荷载,框架结构房屋是空间结构体系,一般应按三维空间结构进行分析。但对于平面布置较规则的框架结构房屋,为了简化计算,通常将实际的空间结构简化为若干个横向或纵向平面框架进行分析,同时忽略各构件的抗扭作用。每榀平面框架为一计算单元。 就承受竖向荷载而言,当横向(纵向)框架承重,且在截取横 向(纵向)
13、框架计算时,全部竖向荷载由横向(纵向)框架承担,不 考虑纵向(横向)框架的作用。当纵、横向框架混合承重时,应根据 结构的不同特点进行分析,并对竖向荷载按楼盖的实际支承情况进行 传递,这时竖向荷载通常由纵、横向框架共用承担。,1 框架结构的计算方法,结构体系的简化 空间 平面 ? 杆件的简化 以杆件的轴线代表杆件:直杆和曲杆,第13章 框架结构,在水平荷载作用下,各方向的水平力全部由与该方向的框架承担,与该方向垂直的框架不参与工作,即横向水平力由横向框架承担,纵向水平力由纵向框架承担。当水平力为风荷载时,每榀框架只承担计算单元范围内的风荷载值。当水平力为地震作用时,每榀框架承担的水平力按各榀框架
14、的抗侧刚度比例分配。,1 框架结构的计算方法,13.2 框架结构的计算简图及荷载,第13章 框架结构,2 框架结构的计算简图,计算单元,框架结构的计算单元及计算模型,13.2 框架结构的计算简图及荷载,第13章 框架结构,在框架结构的计算简图中,梁、柱用其轴线表示,梁与柱之间的连接用节点(beam-column joints)表示,梁或柱的长度用节点间的距离表示。由图可见,框架柱轴线之间的距离即为框架梁的计算跨度;框架柱的计算高度应为各横梁形心轴线间的距离,当各层梁截面尺寸相同时,除底层外,柱的计算高度即为各层层高。对于底层柱的下端,一般取至基础顶面;当设有整体刚度很大的地下室,且地下室结构的
15、楼层侧向刚度不小于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍时(地下室可作为上部结构嵌固端),可取至地下室结构的顶板处。对于梁、柱、板均为现浇的情况,梁截面的形心线可近似取至板底。,13.2 框架结构的计算简图及荷载,第13章 框架结构,装配式框架的铰节点,框架柱与基础的连接,13.2 框架结构的计算简图及荷载,计算简图,第13章 框架结构,13.2 框架结构的计算简图及荷载,第13章 框架结构,在实际工程中,框架柱的截面尺寸通常沿房屋高度变化。当上层柱截面尺寸减小但其形心轴仍与下层柱的形心轴重合时,其计算简图与各层柱截面不变时的相同。当上、下层柱截面尺寸不同且形心轴也不重合时,一般采取近似方法,即将顶层
16、柱的形心线作为整个柱子的轴线,但是必须注意,在框架结构的内力和变形分析中,各层梁的计算跨度及线刚度仍应按实际情况取;另外,尚应考虑上、下层柱轴线不重合,由上层柱传来的轴力在变截面处所产生的力矩。此力矩应视为外荷载,与其他竖向荷载一起进行框架内力分析。,13.2 框架结构的计算简图及荷载,第13章 框架结构,变截面柱框架结构的计算简图,13.2 框架结构的计算简图及荷载,框架结构定位轴线的标定 在框架结构的建筑中,承重柱子分为边柱和中柱。中柱定位轴线的标定与柱子中线重合,边柱的定位轴线一般与顶层柱截面中心重合或距柱外缘250mm处。,框架结构柱定位轴线的标定,(a)中柱;(b)边柱,第13章 框
17、架结构,13.2 框架结构的计算简图及荷载,第13章 框架结构,加腋梁,当框架梁是有支托的加腋梁时,如果 或 ,则可以不考虑支托的影响,简化为无支托的等截面梁。,13.2 框架结构的计算简图及荷载,Ec 混凝土弹性模量; I 框架柱截面惯性矩。,框架柱线刚度,第13章 框架结构,构件线刚度确定,13.2 框架结构的计算简图及荷载,框架梁线刚度,第13章 框架结构,当计算框架梁的惯性矩时应考虑楼板的影响,在框架梁两端节点处,顶部楼板受拉,其对梁的截面刚度影响较小;在跨中,楼板受压使得梁成为T形梁,其对梁的截面刚度影响较大。,13.2 框架结构的计算简图及荷载,框架结构的刚度取值,第13章 框架结
18、构,13.2 框架结构的计算简图及荷载,框架梁惯性矩取值,注: I0为梁按矩形截面计算的惯性矩,沿轴线不变。,第13章 框架结构,13.2 框架结构的计算简图及荷载,第13章 框架结构,框架结构上的荷载,作用在多层建筑结构上的荷载有竖向荷载和水平荷载。竖向荷载包括恒载和楼(屋)面活荷载,水平荷载包括风荷载和水平地震作用。,楼面活荷载 作用在多层框架结构上的楼面活荷载,可根据荷载规范取用。应该指出,荷载规范规定的楼面活荷载值,是根据大量调查资料所得到的等效均布活荷载(equivalent uniform live load)标准值,作为楼面活荷载。不可能把活荷载同时满布在楼面上,要考虑活荷载的折
19、减。,风荷载 当计算主要承重结构时,垂直于建筑物表面的风荷载标准值仍按单厂 结构计算公式,对于多层框架结构房屋,式中的计算参数应按规定采用。,水平地震作用 多层框架结构,一般采用底部剪力法计算水平地震荷载。注意适用范围。,13.2 框架结构的计算简图及荷载,第13章 框架结构,框架结构上的荷载,人群、家具、设备等荷载,取值见建筑结构荷载规范,可折减。,框架荷载,竖向荷载,水平荷载,恒载,活载,风载,地震作用,框架自重;粉灰重;板、次梁、墙体重。,13.2 框架结构的计算简图及荷载,第13章 框架结构,13.3 竖向荷载作用下框架结构内力的近似计算,1 竖向荷载作用下框架结构内力的近似计算,当采
20、用装配式或装配整体式楼盖时,板 上荷载通过预制板的两端传递给它的支承结 构; 当采用现浇楼盖时,楼面上的恒载和活 载根据每个区格板两个方向的边长比,沿单 向或双向传递,区格板长边/短边2时沿单向 传递,长边/短边2时沿双向传递。,楼面荷载分配原则,第13章 框架结构,13.3 竖向荷载作用下框架结构内力的近似计算,1 竖向荷载作用下框架结构内力的近似计算,在竖向荷载(vertical load)作用下,多层框架结构的内力可用力法、位移法等结构力学方法计算。工程设计中,如采用手算,可采用分层法、迭代法及系数法等近似方法计算。,分层法,竖向荷载作用下框架结构的受力特点及内力计算假定: (1)不考虑
21、框架结构的侧移对其内力的影响;(无节点侧移) (2)每层梁上的荷载仅对本层梁及其上、下柱的内力产生影响,对其他 各层梁、柱内力的影响可忽略不计。 应当指出,上述假定中所指的内力不包括柱轴力,因为某层梁上的 荷载对下部各层柱的轴力均有较大影响,不能忽略。,力学知识回顾,固端弯矩,转动刚度对转动的抵抗能力。杆端的转动刚度以S表示 等于杆端产生单位转角时需要施加的力矩。,第13章 框架结构,13.3 竖向荷载作用下框架结构内力的近似计算,传递系数,分配系数,第13章 框架结构,13.3 竖向荷载作用下框架结构内力的近似计算,第13章 框架结构,13.3 竖向荷载作用下框架结构内力的近似计算,根据以上
22、假定,多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开口刚架近似计算。简单刚架可用弯矩分配法计算,一般循环2次。,第13章 框架结构,13.3 竖向荷载作用下框架结构内力的近似计算,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13章 框架结构,13.3 竖向荷载作用下框架结构内力的近似计算,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;(梁传递系数还是1/2),传递系数修正,第13章 框架结构,13.3 竖向荷
23、载作用下框架结构内力的近似计算,第13章 框架结构,13.3 竖向荷载作用下框架结构内力的近似计算,(2)除底层柱的下端外,其他各柱的柱端应为弹性约束。为便于计算,均将其处理为固定端。这样将使柱的弯曲变形有所减小,为消除这种影响,可把除底层柱以外的其他各层柱的线刚度乘以修正系数0.9。,分层法计算要点 (1)将多层框架沿高度分成若干单层无侧移的开口框架,每个开口框架包括本层梁和与之相连的上、下层柱。梁上作用的荷载、各层柱高及梁跨度均与原结构相同。,第13章 框架结构,13.3 竖向荷载作用下框架结构内力的近似计算,(3)用无侧移框架的计算方法(如弯矩分配法)计算各开口框架的杆端弯矩,由此所得的
24、梁端弯矩即为其最后的弯矩值;因每一柱属于上、下两层,所以每一柱端的最终弯矩值需将上、下层计算所得的弯矩值相加。在上、下层柱端弯矩值相加后,将引起新的节点不平衡弯矩,如欲进一步修正,可对这些不平衡弯矩再作一次弯矩分配。 如用弯矩分配法计算各敞口框架的杆端弯矩,在计算每个节点周围各杆件的弯矩分配系数时,应采用修正后的柱线刚度计算;并且底层柱和各层梁的传递系数均取1/2,其他各层柱的传递系数改用1/3。,第13章 框架结构,13.3 竖向荷载作用下框架结构内力的近似计算,(4)在杆端弯矩求出后,可用静力平衡条件计算梁端剪力及梁跨中弯矩;由逐层叠加柱上的竖向荷载(包括节点集中力、柱自重等)和与之相连的
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