框架结构混凝土结构设计.ppt
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1、第4章 框架结构,混凝土结构设计,第 4 章 框架结构,教材作者:梁兴文课件制作:王威课件审查:周铁钢,第4章 框架结构,第4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4章 框架结构,4.1结构组成和结构布置,1结构组成及特点,框架结构(frame 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。,框架结
2、构平面布置和剖面示意图,第4章 框架结构,4.1结构组成和结构布置,按施工方法不同,框架结构可分为现浇式、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。,第4章 框架结构,4.1结构组成和结构布置,框架结构的侧移,第4章 框架结构,4
3、.1结构组成和结构布置,(2)框架结构体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;计算理论比较成熟;在一定高度范围内造价较低。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。,第4章 框架结构,4.1结构组成和结构布置,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)和选择结构承重方案,这些均必须满足建
4、筑平面及使用要求,同时也须使结构受力合理,施工简单。,民用建筑柱网布置,第4章 框架结构,4.1结构组成和结构布置,框架结构的承重方案 1)横向框架承重。主梁沿房屋横向布置,板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。,第4章 框架结构,4.1结构组成和结构布置,框架结构的承重方案,第4章 框架结构,4.1结构组成和结构布置,梁端水平加腋处平面图,在框架结构布置中,梁、柱轴线宜重合,如梁须偏心放置时,梁、柱中心线之间的偏心距不宜大于柱截面在该方面宽度的1/4。如
5、偏心距大于该方向柱宽的1/4时,可增设梁的水平加腋。试验表明,此法能明显改善梁柱节承受反复荷载的性能。,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,其水平尺寸宜满足下列要求:,第4章 框架结构,4.1结构组成和结构布置,梁水平加腋后,改善了梁柱节点的受力性能,故节点有效宽度bj宜按下列规定取值:当x=0时,bj按下式计算:当x0时,bj取下列二式计算的较大值:且应满足bj bb+0.5hc,其中hc为柱截面高度。,bj bb+bx,bj bb+bx+x,bj bb+2x,第4章 框架结构,4.2 框架结构的计算简图及荷载,1 框架结构的计算简
6、图及荷载,梁、柱截面尺寸,框架梁、柱截面尺寸应根据承载力、刚度及延性等要求确定。初步设计时,通常由经验或估算先选定截面尺寸,以后进行承载力、变形等验算,检查所选尺寸是否合适。梁截面尺寸确定 框架结构中框架梁的截面高度hb可根据梁的计算跨度lb、活荷载大等,按hb=(1/181/10)lb确定。为了防止梁发生剪切脆性破坏,hb不宜大于1/4净跨。主梁截面宽度可取bb=(1/31/2)hb,且不宜小于200mm。为了保证梁的侧向稳定性,梁截面的高宽比(hb/bb)不宜大于4。,第4章 框架结构,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。
7、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,梁截面惯性矩,4.2 框架结构的计算简图及荷载,第4章 框架结构,4.2 框架结构的计算简图及荷载,柱截面尺寸 柱截面尺寸可直接凭经验确定,也可先根据其所受轴力按轴心受压构件估算,再乘以适当的放大系数以考虑弯矩的影响。即式中 Ac为柱截面面积;N为柱所承受的轴向压力设计值;Nv为根据柱支承的楼面面积计算由重力荷载产生的轴向力值;1.25为重力荷载的荷载分项系数平均值;重力荷载标准值可根据实际荷载取值,也可近似按(1214)kN/m2计算;fc为混凝土轴心抗压强度设计值。,Ac(1.11.2)N/fc,N=1.25Nv,第4章
8、框架结构,4.2 框架结构的计算简图及荷载,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。,梁截面惯性矩 在结构内力与位移计算中,与梁一起现浇的楼板可作为框架梁的翼缘,每一侧翼缘的有效宽度可取至板厚的6倍;装配整体式楼面视其整体性可取等于或小于6倍;无现浇面层的装配式楼面,楼板的作用不予考虑。设计中,为简化计算,也可按下式近似确定梁截面惯性矩I:,第4章 框架结构,4.2 框架结构的计算简图及荷载,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,第4章
9、框架结构,4.2 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,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)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。,第4章 框架结构,4.2 框架结构的计算简图及荷载,框架结构计算简图,第章 框架
10、结构,4.2 框架结构的计算简图及荷载,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。对于梁、柱、板均为现浇的情况,梁截面的形心线可近似取至板底。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。,第章 框架结构,4.2 框架结构的计算简图
11、及荷载,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。,第章 框架结构,4.2 框架结构的计算简图及荷载,变截面柱框架结构的计算简图,第章 框架结构,4.2 框架结构的计算简图及荷载,
12、装配式框架的铰节点,框架柱与基础的连接,第章 框架结构,4.2 框架结构的计算简图及荷载,框架结构上的荷载,作用在多、高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、高层框架结构上的楼面活荷载,可根据房屋及房间的不同用途按荷载规范取用。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,且是以楼板的等效均布活荷载作为楼面活荷载。,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式(3.5.9)计算,
13、对于多、高层框架结构房屋,式中的计算参数应按规定采用。,第章 框架结构,4.3 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、高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,可采用迭代法、分层法、弯矩二次分配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)不考虑框架结构的侧移对其内力的影响;(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
14、的荷载对下部各层柱的轴力均有较大影响,不能忽略。,第章 框架结构,竖向荷载作用下分层计算示意图,4.3 竖向荷载作用下框架结构内力的近似计算,第章 框架结构,4.3 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敞口框架,每个敞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。,第章 框架结构,4.3 竖向荷载作用下框架结构
15、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)计算各敞口框架的杆端弯矩,由此所得的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。(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
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