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1、第四章 多层框架结构,材料与建筑工程学院建筑工程系,一、结构的形式和布置 1. 概述,（1）多层房屋概念,多层与高层房屋之间没有明确的界限，民用建筑按地上层数或高度分类划分应符合下列规定：,（1）住宅建筑按层数分类：一层至三层为低层住宅，四层至六层为多层住宅，七层至九层为中高层住宅，十层及十层以上为高层住宅；,（2）除住宅建筑之外的民用建筑高度不大于24m者为单层和多层建筑，大于24m者为高层建筑(不包括建筑高度大于24m的单层公共建筑)。,（2）框架结构的概念,一、结构的形式和布置 1. 概述,框架结构是指由钢筋混凝土横梁、纵梁和柱等构件所组成，如果整栋房屋都采用这种结构形式，则成为框架结构
2、体系或框架结构房屋。,框架组成：框架结框架结构是由梁、柱、节点及基础组成的结构形式。 框架结构是由梁和柱为主要承重构件组成的承受竖向和水平作用的结构，其承重结构和围护、分隔构件完全分开，墙只起围护、分隔作用。,（2）框架结构的优缺点,一、结构的形式和布置 1. 概述,优点：框架结构建筑平面布置灵活，空间划分方便，易于满足生产工艺和使用要求，构件便于标准化，具有较高的承载力和较好的整体性。,缺点：在水平荷载下表现出抗侧移刚度小，水平位移大的特点，属于柔性结构，故随着房屋层数的增加，水平荷载逐渐增大，就将因侧移过大而不能满足要求；或形成肥梁胖柱而不经济。,（4）框架结构的应用,框架结构在多层建筑中
3、广泛应用，高层及超高层建筑中不能采用纯框架结构。规范规定：非抗震区框架结构高度不超过70m, 抗震设防6、7、8、度区框架高度一般不高于60m、50m、40m，9度区一般不采用纯框架结构。,一、结构的形式和布置 1. 概述,（4）框架结构的分类,按施工方法的不同，框架可分为整体式、装配式和装配整体式三种。,现浇整体式框架：梁、柱、楼盖均为钢筋混凝土现浇，其整体性强、抗震性能好，缺点是：现场施工工作量大、需要大量模板。,装配式框架：梁、柱、板均预制，通过焊接拼装连接成整体。预制构件，可实现标准化、工厂化、机械化生产，速度快、效率高；缺点是整体性差，抗震能力弱，焊接接头处须预埋连接件，用钢量增加。
4、,装配整体式框架：梁、柱、板预制，构件就位后，焊接或绑扎节点区钢筋，浇筑节点区混凝土，形成整体结构。兼具上述两种框架结构优点，但是，其节点区现场混凝土施工复杂。,一、结构的形式和布置 2. 结构形式布置,受力特点,水平荷载作用下结构整体呈剪切型变形，单个构件以弯曲变形为主,一、结构的形式和布置 2. 结构形式布置,结构布置,框架结构布置可分为平面布置，竖向布置及构件选型三部分。,布置原则：既要满足生产工艺和建筑功能要求，又要使结构受力合理，施工方便。,（1）平面布置,1）柱网布置 柱网就是柱子在平面图上的位置。跨度则随柱网的布置方式不同分为内廊式、等跨式、对称不等跨式。柱距：3.37.2m，梁
5、跨4.5m-7.0m。,一、结构的形式和布置 2. 结构形式布置,2）承重框架的布置 柱网布置好后，用梁把柱连起来既形成框架结构。框架的布置方案可分为横向框架承重、纵向框架承重、纵横向框架承重等结构形式。,主梁沿房屋横向布置，主要承重框架沿横向布置，板和连系梁沿房屋纵向布置。,主梁沿房屋纵向布置，主要承重框架沿纵向布置，板和连系梁沿房屋纵向布置。,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。,一、结构的形式和布置 1. 结构形式布置,3）变形逢的设置 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。,伸缩缝是为了避免温度应力和混凝土收缩应力使
6、房屋上部结构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。,当房屋过长或过宽时,当房屋过长或过宽时,当结构不同部位荷载差异较大地基土压缩性有显著差异,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起分开。,当平面形状复杂、高度方向有高差、质量分布不均匀。,防震缝是为了避免由于建筑平面布置的不规则，从而导致的结构扭转振动而设置。防震缝仅将基础以上的房屋分开。,注意：伸缩缝与沉降缝宽度宽度一般不宜小于50mm，防震缝宽度不应小于100mm,一、结构的形式和布置 2. 结构形式布置,2、竖向布置,（1）在满足建筑功能要求的同时，尽量避免收进、挑
7、出、抽梁、抽柱； （2）柱子布置应均匀、对称，同层各柱截面尺寸宜相同，避免短柱，应使各柱抗侧力刚度大致相同，防止在地震作用下由于各柱抗侧力刚度相差悬殊而被各个击破导致结构破坏； （3）框架沿高度方向各层平面柱网布置尺寸宜相同。上下楼层柱子截面变化时，尽可能使柱中心对齐，或上下仅有较小的偏心。,一、结构的形式和布置 1. 结构形式布置,3、构件选型,1）截面形式 （1）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(a)）为多；在装配式框架中可做成矩形、T形、梯形和花篮形（见图(b)(g)）等。,一、结构的形式和布置 1. 结构形式布置,（2）不承受主要竖向荷载的连系梁
8、，其截面形式常用T形、形、矩形、形、L形等，见下图。,（3）框架柱的截面形式一般为矩形或正方形,一、结构的形式和布置 2. 结构形式布置,2）截面尺寸 框架梁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。,（1）框架梁的截面高度hb可根据梁的计算跨度l0、活荷载大小等，按hb = (1/18-1/10)lb确定。在选用时，上限仅适用于荷载很大的情况，对于一般民用建筑的荷载，以选接近下限为宜。(为了防止梁发生剪切脆性破坏，hb不宜大于1/4净跨。),（2）框架梁的截面宽度主梁截面宽度可取bb = (1/3
9、1/2)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。（对于一般民用建筑，以选用下限为宜）,（3）当一根框架梁的各跨跨度相差较大时，这种框架梁各跨的截面宽度应该相同，以利于梁内上部纵筋的贯通和下部纵筋的锚固；但梁各跨的截面高度应该取不同值。,一、结构的形式和布置 2. 结构形式布置,框架柱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。,（1）框架柱的截面柱截面的宽度bc和高度hc一般取（1/151/20)层高。为了提高框架抗水平力的能力，矩形截面的hc/bc不宜大于3，柱截面的高不宜小于4
10、00mm，宽不宜小于350mm。,（2）框架柱的估算法： Ac (1.11.2)N / fc N = 1.25Nv；Nv=F*g 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；F为柱支承的楼面面积；g可近似按（1214）kN/m2计算；fc为混凝土轴心抗压强度设计值。,一、结构的形式和布置 3. 结构受力特点,（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：,1）由水平力引起的楼层剪力，使梁、柱构件产生弯曲变形，愈到上部层
11、间变形愈小，使整个结构的呈现剪切变形us；,2）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），愈到底部层间变形愈小，使整个结构的呈现弯曲变形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。,一、结构的形式和布置 3. 结构受力特点,二、结构计算简图和荷载计算 1. 计算简图,框架结构是由横向框架和纵向框架组成的空间结构，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，通常不计横向框架与纵向框架之间空间联系，把横向框架和纵向框架分别按平面排架计算。并取出单独的一榀框架作为计算单元。,在框架结构
12、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表示,二、结构计算简图和荷载计算 1. 计算简图,取轴线间的距离,节点：视构造情况可以是刚节 点也可以是铰接点,二、结构计算简图和荷载计算 1. 计算简图,2、承载方式,就承受水平荷载而言，横向水平荷载由横向框架承重，不考虑纵向框架的作用；纵向水平荷载由纵向框架承担，不考虑横向框架的作用。,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
13、通常由纵、横向框架共用承担。,二、结构计算简图和荷载计算 1. 计算简图,构件截面的抗弯刚度（梁）,考虑楼板的加强作用, I0为不考虑楼板加强作用时的惯性矩,*现浇式：中框架I=2.0I0 边框架I=1.5I0,*装配整体式：中框架I=1.5I0 边框架I=1.2I0,*装配式：I=I0,二、结构计算简图和荷载计算 2. 荷载计算,多层结构房屋一般受到竖向荷载和水平荷载的作用。竖向荷载包括恒荷载、楼层使用活荷载、雪荷载、吊车荷载及施工活荷载等。竖向荷载包括风荷载和水平地震作用。,1）楼（屋）面活荷载,（一）设计墙、柱和基础 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
14、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下表所规定的折减系数。,二、结构计算简图和荷载计算 2. 荷载计算,（二）设计楼面梁时的折减 对下列房屋，楼面梁的从属面积超过25m2时：住宅、宿舍、旅馆、办公楼、医院病房、托儿所、幼儿园（荷载标准值为2.0kN/m2）。 对教室、试验室、食堂、礼堂、剧场、电影院等多种房屋，楼面梁的从属面积超过50m2时，其楼面荷载可乘以0.9的折减系数，详见建筑结构荷载规范的规定。,三、框架的内力分析 1. 竖向荷载下的内力分析,在竖向荷载（vertical load）作用下，作为超静定结构的多、高层框架结构的内力可用力法、位移法等结构力学
15、方法计算，对于此类结构超静定次数过高，一般只适用于计算机计算。 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，这里重点介绍分层法。,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，因为某层梁上的荷载对下部各层柱的轴力均有较大影响，不能忽略。,三、框架的内力分析 1. 竖向荷载下的内力分析,分层法,认为某层框架梁上的荷载只给本层梁及与本层梁相连的框架产生剪力和弯矩,（1
16、）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。,三、框架的内力分析 1. 竖向荷载下的内力分析,（2）计算和确定梁、柱弯矩分配系数和传递系数 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。 如用力矩分配法计算各框架的杆端弯矩，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。,三、框架的内力分析 1. 竖向荷载下的内力分析,（2）用力矩分配法计算梁、柱弯矩 计算各框架的杆端弯矩： 1）对于梁端弯矩由分解后的单层无侧移刚架进行力矩分解法所得的梁端弯矩即为其最后的弯矩值； 2）对于柱端弯矩，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、下层力矩分配法计算所得的弯矩值相叠加。 3）在上、下层柱端弯矩值相加后，将引起新的节
