钢筋混凝土框架结构设计.ppt
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1、CH4 钢筋混凝土框架结构设计,学习目的,重点关注,教学内容,基本概念,教学诊所,分析框架结构的计算单元,计算简图,学习框架结构在竖向及水平荷载作用下的各种简化内力计算方法,对框架结构的梁柱设计有所了解。,第四章 框架结构设计,2009.11,学习目的,重点关注,教学内容,基本概念,教学诊所,计算单元 计算简图分层法 弯矩二次分配法 迭代法反弯点法 D值法 门架法 梁线刚度 柱线刚度 抗侧刚度 层间剪力 层间剪力分配 内力组合 框架节点设计,第四章 框架结构设计,学习目的,重点关注,教学内容,基本概念,教学诊所,本章思考题与习题,4.1 结构体系及布置,4.3 竖向荷载作用下的框架内力近似计算
2、方法,4.4 水平荷载作用下结构内力计算,4.6 框架结构侧移近似计算,4.2 框架结构的计算简图,4.0 几点说明:,4.5 水平荷载作用下结构内力计算方法比较,分层法,弯矩二次分配法,迭代法,系数法,D值法,门架法,反弯点法,4.9 框架梁的设计,4.10 框架柱的设计,4.11 框架节点的设计,4.8 框架延性设计的概念,4.7 框架结构的内力组合,第四章 框架结构设计,结 束,4.12 框架钢筋锚固及相关问题,学习目的,重点关注,教学内容,基本概念,教学诊所,1、竖向荷载下内力计算分层法与弯矩二次分配法2、水平荷载下内力计算反弯点法,D值法。3.框架设计要点,第四章 框架结构设计,学习
3、目的,重点关注,教学内容,基本概念,教学诊所,通病:1、力学概念不能与框架结构相结合。,通病:2、认为框架构造与钢筋布置内容多而繁杂,因而无从下手,不能掌握。,通病:3、框架内力计算方法只注重计算步骤而不注重其原理与概念。,诊断:旅行时,路线与目的地固然重要,但观赏路上的风景,体验过程,则心情舒畅,更有收获。,诊断:以设计原则及钢筋锚固原则为纲,掌握框架枸造要求则纲举目张。,诊断:力学等基本概念没有确实理解:如:抗弯刚度,线刚度,弯矩传递系数,固端弯矩,力矩分配法,抗侧刚度,梁柱破坏过程。配筋方法,钢筋锚固。,通病及诊断,点击回翻,第四章 框架结构设计,End,4.0 几点说明:,1)关于高层
4、结构的计算,无论是本章介绍的框架结构,还是后面要讨论的剪力墙结构、框架剪力墙结构,其内力计算都比较繁琐,一般不采用手算。尤其是筒中筒结构、成束筒和巨型框架结构,更是无法用手算完成。多采用计算软件、用计算机电算。,掌握一定的手算方法,对于了解结构的受力特点、对计算机的计算结果作出正确的分析和判断、对了解结构设计的过程和工作方式都是非常有利的。本章和后面各章介绍手算方法的目的正在于此。,可以手算的高层结构:框架结构,剪力墙结构,框架-剪力墙结构,2)结构及结构构件设计的一般思路,b)荷载清理,c)计算简图,弹性理论方法或弹塑性理论的方法及计算适用条件,f)构件的内力组合 按规范要求进行内力组合。,
5、d)内力计算方法,例:梁或板-支座类型(固or铰),跨数,跨度。,a)计算单元的选取;,考虑结构或构件的实际情况,在荷载方面、内力计算方法方面,有哪些处理或简化。,e)注意事项:,g)构件的配筋计算 注意构造要求。,h)绘制施工图,设计结果的绘图表达。,工程实例:,3)本课程高层手算方法的重点;,a)框架结构:,竖向荷载下内力计算-分层法;,水平荷载下内力计算,b)剪力墙结构:,剪力墙结构的分类及各种剪力墙结构的计算方法。,c)框架-剪力墙结构:,所有框架合在一起,形成总框架,所有剪力墙合在一起形成总剪力墙,总框架与总剪力墙之间如何分配剪力。框架之间如何分配剪力,剪力墙之间如何分配剪力。,反弯
6、点法;,D值法;,门架法;,4.1 结构体系及布置,4.1.1 框架结构体系,4.1.2 变形缝(自学),4.1.3 框架梁柱截面尺寸,4.1.1 框架结构体系,按照施工方法划分:整体式、装配整体式和装配式三种。,多层、高层结构体系一般采用框架、框架剪力墙、剪力墙和筒体结构等。,框架结构是由梁、柱、节点及基础组成的结构形式。,1)框架结构组成,2)框架结构的种类,3)框架结构的布置,按照承重方案的不同划分为三种:横向承重、纵向承重和纵横向双向承重。,横向承重,承重方案-纵向承重,承重方案-纵横向双向承重,4.1.2 变形缝(自学),4.1.3 框架梁柱截面尺寸,1)梁柱截面形状,现浇框架梁,装
7、配式框架梁,装配整体式框梁(叠合梁),截面宽度:b=(1/2-1/3)h,且不宜小于0.5柱宽,且不应小于250mm,2)梁柱截面尺寸,当采用迭合梁时,后浇部分截面高度不宜小于120毫米;,(1)梁截面尺寸,一般梁尺寸:h=(1/10-1/18)L,L为梁的跨度;,悬臂梁:h=(1/6-1/8)L.h不易大于净跨的四分之一;,当采用扁梁时,h=(1/15-1/18)L,(2)柱截面尺寸,柱截面高度h=(1/15-1/20)H,H为层高;,柱截面宽度b=(1-2/3)h;,一根柱的最大轴向力设计值,按抗震设计时,按非抗震设计时,截面尺寸为方形或矩形,一级抗震,二级抗震,三级抗震,一般宜取,而且要
8、求,应注意的问题:,-混凝土轴心抗压强度设计值。,轴压比的概念:,-柱的轴压比;,N-柱轴压力;A-柱的全截面面积;,表 柱轴压比限值,l,4.2.1 框架的结构模型(Structure Model of Frame),4.2 框架结构计算简图,4.2.2 框架结构的计算模式,4.2.3 平面结构的设计,4.2.4 平面框架,4.2.5 框架结构计算简图,4.2.1 框架的结构模型(Structure Model of Frame),结构模型:,由结构构件组成的结构骨架,框架的结构构件:,柱、梁、板、基础、楼梯,右图框架模型的几点说明:,c)未画楼梯:楼梯荷载必须考虑,b)未画基础,受力不影响
9、框架,a)梁:包括框架梁与次梁,d)无填充墙:填充墙不是结构构件,4.2.2 框架结构的计算模式,框架结构分为两个方面,水平:平面结构,竖向:纵向平面框架与横向平面框架,有几个楼(屋面)层就有几个平面结构。,框架结构的设计内容:,平面结构的设计,纵向与横向平面框架的设计,框架基础设计,楼梯设计,大样设计,什么是平面结构(Floor-framing),从楼面水平剖切及梁底水平剖切所夹的结构为平面结构。,平面结构中的构件:,柱、梁、板,平面结构中板的说明:,由梁格(包括主次梁)所围成的为一块板。不同形状与尺寸的板都必须进行设计。为板配筋。,4.2.3 平面结构的设计,平面结构的设计(Design
10、of Floor-framing),a)柱网的布置决定主梁的跨度,结构标准层的概念:,当楼层的结构平面布置完全相同且荷载布置也相同时,为同一个结构标准层。每个结构标准层都必须进行设计。,c)板的设计-板配筋,b)梁格的布置-决定板的形状与跨度,换句话就是结构标准层相同的楼层,可用一张图纸进行施工。唯一的区别在于楼层的标高不同。,板的设计-板配筋,板的荷载清理-恒荷、活荷(面荷),板的类型-单向板,双向板,板的计算简图,单向板-弹性理论方法-力学方法;弹塑性理论方法-内力系数法;,板的配筋计算 注意构造配筋要求。,板的内力计算方法,-计算单元:按连梁计算,板宽1m,,高为板厚。,-支座类型(固o
11、r铰),跨数,跨度。,双向板-弹性理论方法-查表法;弹塑性理论方法-三K系数法等,结 构 布 置 图示例,a)柱网的布置,c)板的设计-板配筋,b)梁的布置,平面结构的设计,4.2.4 平面框架,空间框架简化为平面框架,填充墙为非结构构件,不承重。,平面框架,纵向框架,“平面框架”在垂直平面。“平面结构”的平面是水平面。,平面框架的设计任务,以整体平面框架为杆系结构进行荷载分析与内力计算,对梁柱进行配筋设计,说明:对梁柱进行配筋设计指的是框架梁、框架柱,不包括次梁,,4.2.5 框架结构计算简图,此处的“框架结构”为平面框架,包括纵向框架与横向框架。,1)平面计算单元,2)计算简图的杆件简化与
12、尺度确定,3)框架竖向荷载的清理,4)板荷向支承梁的传递,5)框架活荷的最不利布置问题,6)框架竖向荷载作用的计算简图示例,8)作业:画出一榀横向框架的计算简图:,7)框架抗弯刚度的简化计算:,将框架结构的空间形式,简化成平面形式,如图,4.2.5 框架结构计算简图,阴影部分为该榀框架的负荷范围。,1)平面计算单元,“平面框架”在垂直平面。“平面结构”的平面是水平面。,计算单元,纵向框架,横向框架,2)计算简图的杆件简化与尺度确定,框架杆件用其轴线表示;,节点,杆件之间称为节点;以节点表示,杆件长度用节点之间的距离表示.,柱的计算高度可以取层高.,跨度相差不超过10%时,按等跨计算内力;,底层
13、柱一般取到基础顶面的距离;,当无地下室时,底层柱一般取到基础顶面的距离;也可取至从室外地面向下取0.5m处.,计算跨度取框架之间轴线距离;,屋面斜梁坡度不超过1/8时,按水平梁计算.,3)框架竖向荷载的清理,以下图平面中的横向框架为例,框架负荷面积上的楼面及墙体荷载要清理到计算框架平面上,各层均需计算。,竖向荷载:框架负荷范围:阴影部分面积,a)荷载包括水平荷(风载,地震作用),竖向荷 两类。,b)荷载清理分为两部分:,框架梁荷载;,框架节点荷载;,c)框架梁荷载包括三部分;,由纵向框架梁传来。,框架梁上的墙荷;,传向框架梁的楼板荷载;,与框梁相连的纵向次梁传来的集中荷载;,d)框架节点荷载,
14、包括纵向梁上围护墙荷,及传向纵梁的楼板荷载,4)板荷向支承梁的传递,四边有支承的板,板上荷载向四周传递的原则是就近原则,故面荷的分配是以各角45度斜线划分区域。,板上面荷传至支承梁的荷载有两种:,梯形荷载与三角形荷载,梁上非均布荷的均布简化,换算荷载的原则:以支座弯矩相等的条件换算成均布线载。,梁上三角形荷载或梯形荷载怎样转化为均布荷载?,如下例求跨中截面最大弯矩时,活荷载的最不利布置。,求框架梁的某一控制截面的最不利内力,活荷在整个框架上的布置并不是满布,而应是最不利布置。,活载最不利布置,当屋面的活荷是雪荷为屋面控制活荷时,最不利布置如下:,5)框架活荷的最不利布置问题,活载最不利布置的简
15、化,对于高层建筑,计算不利布置荷载的内力及内力组合工作量很大,而一般民用及公共高层建筑中竖向活荷载不会很大(活荷载1.52.5kN/m2),与恒载及水平荷载产生的内力相比,竖向活荷载产生的内力所占比重很小。因此,多数情况下,可不考虑活荷载的不利布置,只用满布活荷载一种情况计算内力,这样可以大大减小计算工作量。,在竖向活荷载很大时(大于4kN/m2,如图书馆书库、多层工业厂房或仓库),必须考虑活荷载不利布置。,6)框架竖向荷载作用的计算简图示例,均布载包括恒荷、活荷,代号:g-恒,p-活,节点集中载为纵梁传来荷载。,图中的弯矩是纵梁偏心弯矩,计算偏心矩时是梁轴线与框架柱轴线之间的距离。当梁与柱外
16、边齐时一定存在。,图2:有与横梁相连的次梁时:,图1:无次梁时:,7)框架抗弯刚度的简化计算:,中间框架梁:,T形截面梁,简化:,矩形截面 bxh,惯性矩按矩形计算并放大:,I=2I=2x(1/12)bh3,边框架梁:,I=1.5I=1.5x(1/12)bh3,8)作业:画出中间一榀横向框架的计算简图:,框架层数:4 层高:4.5m,3X4m,框架跨度:,纵向 8X6m,梁柱断面尺寸:,主梁:如图示,次梁:250X550,柱:450X450,梁柱砼:C25,说明:2层以上边梁与柱外边齐。,楼(屋)面恒荷:4.5kN/m2,楼面活荷:3.5 5kN/m2,屋面雪荷:0.7kN/m2,荷载:,外墙
17、荷:4.0kN/m2,横向 8m,2.4m,8m,4.3 竖向荷载作用下框架分析的近似计算方法,竖向荷载作用下框架内力计算方法:,精确法:力法,位移法,矩阵位移法(电算用);,简化法(手算法):分层法,弯矩二次分配法;迭代法;系数法。,本节重点介绍:分层法,弯矩二次分配法,迭代法,竖向荷载包括结构自重,使用活载,雪荷载以及施工检修荷载。,框架的竖向荷载,4.3.1 分层法,4.3.2 弯矩二次分配法,4.3.3 迭代法,4.3.4 系数法,4.3.5 各种方法比较,4.3.1 竖向荷载作用下框架分析的近似计算方法-分层法,4.3.1.1 分层法概念,4.3.1.2 计算假定,4.3.1.3 分
18、层法的适用条件:,4.3.1.5 分层法的计算要点,4.3.1.4 关于柱的线刚度,4.3.1.6 分层法的计算过程与示例讲解,4.3.1.7 分层法的计算步驟,分层法作业:,4.3.1.1 分层法概念,分层法实际上是多层框架的力矩分配法。,框架所承受的竖向荷载一般是结构自重和楼(屋)面使用活荷载。框架在竖向荷载作用下,侧移比较小,因此忽略侧移,这样,框架可以作为无侧移框架按力矩分配法进行计算。,精确计算表明,各层荷载除了在本层梁以及与本层梁相连的柱子中产生内力之外,对其他层的梁、柱内力影响不大。因此可忽略本层荷载对其它层的影响,为此,可以将整个框架拆分成一个个单层框架来计算,这就是分层法的由
19、来。,4.3.1.2 计算假定,2)每层梁荷载对其它层梁和柱的影响忽略不计.,4.3.1.3 分层法的适用条件:,分层法宜适用于节点梁柱线刚度比,1)框架的侧移和侧移力矩忽略不计;,由于在单层框架中,各柱的远端均取为了固定支座,这与柱子在实际框架中的情况有较大差别。框架中只有最底下的底层柱端为固定端,其它结点均为弹性嵌固端。,4.3.1.4 关于柱的线刚度,底层柱的传递系数为1/2,其它层各柱的弯矩传递系数修正为1/3,为考虑这一情况,除底层柱外,其余各层柱的线刚度进行折减,折减系数为0.9。同时,柱的内力传递系数底层柱为1/2,其它层柱为1/3。以此对柱线刚度计算作以修正:,除底层外,各柱的
20、线刚度乘以0.9加以修正;,小结:,1)根据分层法的假定,将n层框架划分为n个单层框架;,4.3.1.5 分层法的计算要点,a,b,c,a,b,b,a,c,c,b,d,d,1/3,1/3,1/3,1/3,1/2,近端,远端,柱端的定义:,本层的近端就是邻层同柱的远端。,本层的远端就是邻层同柱的近端。,3)将每个单层框架的计算结果按相应部分内力叠加便得原框架的计算结果。,柱的近端是指本层与梁相连的柱端,它必为相邻层柱的远端。同理,本层柱的远端必为相邻层该柱的近端。如上图中用字母标示的柱端。,2)用力矩分配法分别计算这n个单层框架的内力。,对于梁:直接按本层的计算结果值采用。,对于柱:取与此柱相关
21、的两个相邻单层框架中同一柱对应弯矩之和,即本层柱近端弯矩加相邻层远端弯矩之和。,梁端弯矩求出后,取梁隔离体得到全梁弯矩。,计算出各个单层框架的内力以后,再将各个单层框架组装成原来的整体框架即可。节点上的弯矩可能不平衡,但误差不会很大,一般可不做处理。如果需要更精确一些,可将节点不平衡弯矩在节点作一次分配即可,不需要再进行传递。,说明:,当然也可以对结点不平衡弯矩再进行一次分配而不必传递。,当层数不多时,也可用二次力矩分配法,即将各结点的不平衡力矩同时分配和传递,并以两次分配为限(故叫二次力矩分配法)。,对于按以上方法所得的计算结果,在结点上的弯矩可能不平衡,但误差不大,可以采用。,4.3.1.
22、6 分层法的计算过程与示例讲解,g2,g1,g1,1,1,1.2,1.1,1.1,1.1,1.1,1.3,1.3,2.2,2.2,2.2,2.0,2.0,2.0,求梁柱线刚度,注意:除底层柱外,其它层柱线刚度均乘0.9的系数。(分层法),ib=EcIb/L,ic=EcIc/h,1,1,1.2,1.1,1.1,1.1,1.1,1.3,1.3,2.2,2.2,2.2,2.0,2.0,2.0,右梁,左梁,上柱,下柱,0.33 0.67 0.4 0.24 0.36 0.65 0.35,0.25 0.25 0.5 0.32 0.19 0.19 0.30 0.48 0.26 0.26,0.26 0.23
23、0.51 0.33 0.19 0.18 0.30 0.49 0.27 0.24,节点弯矩分配系数,a,b,c,a,b,b,a,c,c,b,d,d,1/3,1/3,1/3,1/3,1/2,框架分层,计算顶层框架,g2,1.1,1.1,1.3,2.2,2.0,0.33 0.67 0.4 0.24 0.36 0.65 0.35,0.65 0 0.35,0 0.33 0.67,0.4 0 0.24 0.36,-165,165 0,-215,215 0,54.45 110.55,20 0,12 18,55.3,10,-3.3-6.7,-140 0,-75,-70,5.88 0,3.53 5.29,9.0
24、,-5.85 0,-3.15,2.94,-3.35,-2.93,2.65,-0.97-1.97,2.51 0,1.51 2.26,-1.72 0,-0.93,1.26,-0.99,-0.86,1.13,-0.42-0.84,0.74 0,0.44 0.67,-0.73 0,-0.4,-49.76,245.09 0,-262.57,79.48 0,17.48,-79.48,49.76,1/3,1/3,1/3,X1/2,X1/2,16.59,5.83,-26.49,柱远端弯矩,分层法计算顶层框架-计算过程,16.59,49.76,-49.76,11.55,44-11,-49.76,61.31,60
25、.7,计算框架柱端弯矩,柱端弯矩=本层近端+邻层远端,4.3.1.7 分层法的计算步驟,1)计算梁、柱的线刚度,(1)现浇框架梁惯性矩计算 设I0为矩形梁的惯性矩,则梁惯性矩增大计算如下:现浇楼盖:中间框架梁:I=2I0 边框架梁 I=1.5I0 装配楼盖:中间框架梁:I=1.5I0 边框架梁 I=1.2I0,(2)柱的线刚度计算:ic=EcIc/h 柱线刚度折减:除底层柱外,其它层柱线刚度均乘0.9的系数。,梁线刚度计算:,ib=EcIb/L,梁柱线刚度值的简化表示:因为计算内力只需要梁柱相对线刚度,所以可按相对线刚度计算。以某一柱(或梁)的线刚度用1表示,其它所有梁、柱的线刚度值均除以该柱
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