第13章-多层框架结构.ppt
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1、第13章 多层框架结构,多层及高层房屋的结构体系;,本章主要内容,结构的计算简图、荷载确定;,框架的内力计算;,无抗震设防要求时框架结构构件设计;,非抗震设计时框架节点的构造要求,框 架:由梁和柱通过节点连接组成的结构单元。 框架结构:整个房屋的骨架均由框架组成,即竖向承重 体系或抗侧力结构体系均为框架。,13.1 多层框架结构的组成与布置 13.1.1 多层框架结构的组成,结构组成,钢筋混凝土框架结构: 是指由钢筋混凝土横梁、纵梁和柱等构件所组成的结构。 墙体不承重,内、外墙只起分隔和围护作用。,多层:,钢筋混凝土框架结构:,多层与高层房屋之间没有明确的界限,我国通常将10层及10层以下的房
2、屋称为多层房屋,10层以上的房屋称为高层房屋。,是指由钢筋混凝土横梁、纵梁和柱等构件所组成的结构。墙体不承重,内、外墙只起分隔和围护作用,见图13.1。,图13.1 框架结构图,(a) 平面图;(b) -剖面图,分类,地震区:多采用梁、柱、板全现浇或梁柱现浇、板预制 非地震区:可采用梁、柱、板均预制,装配式,现浇式,装配整体式,按施工方法框架可分为现浇式、装配式和装配整体式:,现浇式框架也称全现浇框架,其优点是整体性好,建筑布置灵活,有利于抗震,但工程量大,模板耗费多,工期长。,装配式框架的构件全部为预制,在施工现场进行吊装和连接。其优点是节约模板,缩短工期,有利于施工机械化。,按施工方法框架
3、可分为现浇式、装配式和装配整体式:,装配整体式框架是将预制梁、柱和板现场安装就位后,在构件连接处浇捣混凝土,使之形成整体。其优点是,省去了预埋件,减少了用钢量,整体性比装配式提高,但节点施工复杂。,优点:平面布置灵活 结构自重较轻 计算理论比较成熟 缺点:侧向刚度较小,侧移较大 。,框架结构的特点,设计时应控制框架结构的高度和高宽比。,H室外地面到主要屋面高度。,最大适用高度和高宽比,13.1.2 框架结构布置,(1) 结构平面布置宜简单、规则和对称。,结构布置原则,(2) 建筑平面长宽比不宜过大,L/B宜小于6。,(3) 结构的竖向布置要做到刚度均匀而连续,避免刚度突变。,(4) 建筑物的高
4、宽比不宜过大,H/B不宜大于5。,(6) 在地基可能产生不均匀沉降的部位及有抗震设防要求的房屋,应合理设置沉降缝和防震缝。,(5) 房屋的总长度宜控制在最大伸缩缝间距以内,否则需设伸缩缝或采取其它措施,以防止温度应力对结构造成的危害。,框架结构的结构布置,1 柱网布置,1)柱网布置应满足生产工艺的要求 2)柱网布置应满足建筑平面布置的要求 3)柱网布置要使结构受力合理 4)柱网布置应方便施工,框架结构的结构布置,1 柱网布置,工业建筑,民用建筑,(1) 工业厂房 一般采用6m柱距,跨度则随柱网的布置方式不同分为内廊式和跨度组合式,见图。,柱网尺寸及层高,厂房的层高一般根据车间的工艺设备、管道布
5、置及通风采光等因素决定。常用的底层层高有4.2m、4.5m、4.8m、5.4m、6.0m、7.2m和8.4m。,(2) 民用建筑,民用建筑类型较多,功能要求各有不同,柱网及层高变化也较大,尺度一般较工业厂房为小。柱网和层高通常按300mm进级。,图13.3 柱网的布置,(a) 内廊式;(b) 跨度组合式,框架结构是由若干个平面框架通过连系梁的连接而形成的空间结构体系。,2 承重框架的布置,(1) 横向框架承重方案,平面框架是基本的承重结构,按其布置方向的不同,框架体系可以分为下列三种:,主要承重框架沿房屋的横向布置,沿房屋的纵向设置板和连系梁,见图13.8 (a) 。,(2) 纵向框架承重方案
6、,(3) 纵横向框架混合承重方案,主要承重框架沿房屋的纵向布置。沿房屋的横向设置板和连系梁,见图13.8 (b)。,主要承重框架沿房屋的纵、横向布置,见图13.8 (c)。,图13.2 框架体系的布置,(a) 横向布置;(b) 纵向布置;(c) 纵横双向布置,变形缝分为伸缩缝和沉降缝,在地震设防区还需按建筑抗震设计规范的规定设置防震缝。,3. 变形缝的设置,伸缩缝是为了避免温度应力和混凝土收缩应力使房屋产生过大伸缩变形或裂缝而设置的,伸缩缝仅将基础以上的房屋分开。钢筋混凝土框架结构的伸缩缝最大间距见附录8。,沉降缝是为了避免地基不均匀沉降在房屋构件中产生裂缝而设置的,沉降缝必须将房屋连同基础一
7、起分开。,在建筑物的下列部位宜设置沉降缝: 土层变化较大处; 地基基础处理方法不同处; 房屋在高度、重量、刚度有较大变化处; 建筑平面的转折处; 新建部分与原有建筑的交界处。,沉降缝由于是从基础断开,缝两侧相邻框架的距离可能较大,给使用带来不便,此时可利用挑梁或搁置预制梁、板的方法进行建筑上的闭合处理,见图13.9。,附录8 钢筋混凝土框架结构伸缩缝最大间距(m),图13.9 沉降缝做法,(a) 设挑梁(板);(b) 设预制板(梁),13.2 框架结构内力与水平位移的近似计算方法,承受主要竖向荷载的框架主梁,其截面形式在全现浇的整体式框架中以T形(见图)为多;在装配式框架中可做成矩形、T形、梯
8、形和花篮形(见图)等。,13.2.1.1 截面的形状,13.2.1 梁柱截面的选择,不承受主要竖向荷载的连系梁,其截面形式常用T形、形、矩形、形、L形等,见图。,框架柱的截面形式一般为矩形或正方形。,图 框架横梁截面形式,图 框架连系梁截面形式,(1) 框架梁 梁截面尺寸可参考受弯构件来初步确定。 梁高hb一般可取(1/101/18) lb (lb为梁的计算跨度),13.2.1.2 截面尺寸,梁净跨与截面高度之比不宜小于4。,梁的宽度bb=(1/21/3)hb,一般不宜小于200mm。,为了降低楼层高度,可将梁设计成宽度较大而高度较小的扁梁,扁梁的截面高度可按(1/181/15)lb 估算。
9、扁梁的截面宽度b(肋宽)与其高度h的比值b/h不宜超过3。,加腋梁,(2) 框架柱,柱截面的宽度bc和高度hc一般取(1/151/20)H(层高)。,框架柱的截面宽度和高度均不宜小于300mm, 圆柱截面直经不宜小于350mm, 柱截面高宽比不宜大于3。 为避免柱产生剪切破坏,柱净高与截面长边之比宜大于4,或柱的剪跨比宜大于2。,为了简化计算,作如下规定:,13.2.1.3 梁截面的惯性矩,(1) 对现浇楼面的整体框架,中部框架梁I=2I0;边框架梁I=1.5I0。其中I0为矩形截面梁的惯性矩(图(a)。,图 框架结构的刚度取值,(2) 对做整浇层的装配整体式框架,中部框架梁I=1.5I0;边
10、框架梁I=1.2I0(图 (b)。,(3) 对装配式楼盖,梁的惯性矩可按本身的截面计算,I=I0(图 (c))。,框架结构是由横向框架和纵向框架组成的空间结构。,13.2.1.4 框架结构的计算简图,计算单元,框架结构的计算简图,一般应按三维空间结构进行分析。 对于平面布置较规则的框架结构房屋,通常简化为 若干个横向或纵向平面框架进行分析,每榀平面框 架为一计算单元。,13.2.2 框架结构的计算简图,计算单元,跨度与层高,通常忽略它们之间的空间联系,将空间结构体系简化为横向和纵向平面框架计算,取出单独的一榀框架作为计算单元,该单元承受的荷载如图中阴影部分所示。,计算简图,用轴线表示框架梁和柱
11、,用节点表示梁与柱之间的连接,用节点间的距离表示梁或柱的长度。,柱(除底层外)的计算高度即为各层层高(当各层 梁截面尺寸相同时),底层柱的下端,一般取至基础顶面;当地下室整体刚 度很大,且地下室结构的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,可取至地下室结构的顶 板处。,框架梁的计算跨度即为框架柱轴线之间的距离,当上、下层柱截面形心轴不重合时,将顶层柱的形心线 作为整个柱子的轴线,,在计算简图中,框架节点为刚接,柱子下端在基础顶面,也按刚接考虑。,杆件用轴线表示,梁柱的连接区用节点表示。等截面轴线取截面形心位置,,当上下柱截面尺寸不同时,则取上层柱形心线作为柱轴线。,多层结构房屋一
12、般受到竖向荷载和水平荷载的作用。,13.2.1.5 框架上的荷载,竖向荷载包括恒荷载、楼层使用活荷载、雪荷载及施工活荷载等。,水平荷载包括风荷载和水平地震作用。,竖向荷载:恒载、 楼(屋)面活荷载和雪荷载 水平荷载:风荷载、水平地震作用,荷载计算,恒载 恒载的标准值可按设计尺寸与材料自重标准值计算。,楼(屋)面活荷载 作用在多高层框架结构上的楼(屋)面活荷载,可根据 房屋及房间的不同用途按建筑结构荷载规范取用。,风荷载,雪荷载,(1) 楼面活荷载的折减,在设计住宅、宿舍、旅馆、办公楼等多层建筑的墙、柱和基础时,由于楼面活荷载在所有各层同时满载的可能性很小,所以作用于楼面上的使用活荷载应乘以表1
13、0.1所规定的折减系数。,表10.1 楼面活荷载折减系数,Wk:风荷载标准值,z:z高度处风振系数,,s :风荷载体型系数,z :风压高度变化系数,w0 :基本风压,(2) 风荷载 与单层工业厂房类似,作用在多层房屋外墙表面的风荷载标准值wk可按下式计算:,wk=zszw0,竖向荷载作用下框架结构的内力计算,分层法,弯矩二次分配法,结构力学方法(力法、位移法);迭代法。,13.2.2 竖向荷载作用下的分层法,竖向荷载作用下分层计算示意图,多层多跨框结构在竖向荷载作用下,用位移法或力法等精确方法计算的结果表明,框架的侧移是极小,13.2.2.1 分层法的计算假定,为了简化计算,分层法假定:,(1
14、) 结构没有水平位移;(在竖向荷载作用下,框架的侧移可忽略不计),(2) 某楼层的竖向荷载只对本层框架梁及与其相连的楼层柱产生内力。(每层梁上的荷载对其他各层梁、柱内力的影响可忽略不计),计算步骤与要点,分层(无侧移敞口框架,各柱端均为固定端) 计算各敞口框架的杆端弯矩(无侧移框架,弯矩分配法) 梁端M:各层计算结果 梁端V、梁跨中M:用静力平衡条件计算,根据上述假定,计算时可将各层梁及其上、下柱作为独立的计算单元分层,即按开口刚架计算,上、下端看成固定端;,各层考虑竖向荷载单独作用,由于每一层柱属于上、下两层,所以柱的弯矩为上、下两层计算弯矩相叠加。,对节点不平衡弯矩,可再作一次分配。,分层
15、法的计算单元,13.3.2.2 计算步骤,(1) 画出结构计算简图,并标明荷载及轴线尺寸;,(2) 按规定计算梁、柱的线刚度和相对线刚度,除底层柱外,其余各层柱的线刚度遍乘0.9的折减系数;,(3) 用弯矩分配法自上而下分层计算各计算单元的杆端弯矩;,(4) 除底层外其它各层的弯矩传递系数为1/3,,(4) 叠加柱端弯矩,得出最后杆端弯矩。如节点弯矩不平衡值较大,可在节点重新分配一次。,(5) 根据静力平衡条件绘出框架的内力图。,【例13.1】图13.11所示一个两层两跨框架,用分层法作框架的弯矩图,括号内数字表示每根杆线刚度的相对值。 【解】将第二层各柱线刚度遍乘0.9,分为两层计算,各层计
16、算单元如图13.12和图13.13所示。 用弯矩分配法计算各杆端的弯矩,其计算过程见图13.14。 最后将图13.14中的各杆端弯矩叠加并绘弯矩图如图13.15所示。,图13.11 例13.1计算简图,图13.12 例13.1二层计算单元,图13.13 例13.1底层计算单元,固端弯矩MAB=ql2/12=2.6*7.52/12=12.188 kNm,先从A、C 节点开始分配,再向B节点传递; 12.188*0.668=8.142 kNm,B节点:12.188+4.071-6.795-2.939=6.525 kNm 6.525*0.353=2.304 kNm,1.152*0.668=0.768
17、 kNm 1.152*0.3328=0.383 kNm,图13.15 M图(单位: kNm),弯矩二次分配法,具体计算步骤: (1)根据各杆件的线刚度计算各节点的杆端弯矩分配系数,并计算竖向荷载作用下各跨梁的固端弯矩。 (2)计算框架各节点的不平衡弯矩,并对所有节点的不平衡弯矩同时进行第一次分配(其间不进行弯矩传递)。 (3)将所有杆端的分配弯矩同时向其远端传递(对于刚接框架,传递系数均取1/2,弯矩二次分配法,(4)将各节点因传递弯矩而产生的新的不平衡弯矩进行第二次分配,使各节点处于平衡状态。 至此,整个弯矩分配和传递过程即告结束。 (5)将各杆端的固端弯矩(fixed-end moment
18、)、分配弯矩和传递弯矩叠加,即得各杆端弯矩。,13.2.3 水平荷载作用下的反弯点法,多层多跨框架所受水平荷载主要是风荷载及水平地震作用。一般可简化为作用在框架节点上的集中荷载,其弯矩图如图13.12 所示。,13.2.3.1 反弯点法基本假定,反弯点法,图13.12 水平荷载下的框架弯矩图和变形,它的特点是,各杆的弯矩图都是直线形,每杆都有一个零弯矩点,称为反弯点。框架在水平荷载作用下的变形情况如图13.13所示。,为了简化计算,作如下假定:,(2) 在确定各柱的反弯点位置时,假定除底层柱以外的各层柱,受力后上下两端将产生相同的转角。,(1) 在进行各柱间的剪力分配时,假定梁与柱的线刚度之比
19、为无穷大,即各柱上下两端的转角为零;,(3)梁端弯矩可由节点弯矩平衡条件求出不平衡弯矩, 再按节点左右梁的线刚度进行分配。,(1) 反弯点高度的确定 反弯点高度为反弯点至该层柱下端的距离。,13.2.3.2 反弯点法的基本内容,对于底层柱,当柱脚为固定时,柱下端转角为零,上端弯矩比下端弯矩小,反弯点偏离中央而向上移动,通常假定y =2h/3。,对于上层各柱,根据假定各柱的上下端转角相等,此时柱上下端弯矩也相等,因而反弯点在柱中央。,(2) 侧移刚度D的确定 侧移刚度D表示柱上下两端有单位侧移时在柱中产生的剪力。根据假定(1),梁柱线刚度之比无穷大,则各柱端转角为零,由结构力学的两端无转角但有单
20、位水平位移时杆件的杆端剪力方程,柱的侧移刚度D可写成:,(3)同层各柱剪力的确定 设同层各柱剪力为V1、V2、Vj、,根据层剪力平衡,有 V1+V2+Vj+=P 可得:,于是有,(4)柱端弯矩的确定 根据各柱分配的剪力及反弯点位置,可确定柱端弯矩。,底层柱:,上端 Mj上=Vjhj/3,下端 Mj下=Vj2hj/3,其它层柱:,上下端 Mj上=Mj下=Vjhj/2,(4)梁端弯矩的确定 柱端弯矩确定以后,根据节点平衡条件可确定梁的弯矩。,对于边柱节点,有 Mb=Mc1+Mc2,对于中柱节点,有 Mb1=ib1 / (ib1+ib2) (Mc1+Mc2) Mb2=ib2 / (ib1+ib2)
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