混凝土结构下册第3章 钢筋混凝土框架结构设计

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1、第三章 钢筋混凝土框架结构 本章目录 3 1框架结构体系及布置 3 2竖向荷载作用下的近似计算方法 3 3水平荷载作用下内力和侧移的近似计算 3 4荷载效应组合原则 3 5框架结构的设计 框架结构是多高层建筑的一种主要结构形式 在学习过程中应了解框架结构体系选择方法 结构布置原则及计算简图的确定 并应掌握竖向荷载作用下框架内力分析的分层法 水平荷载作用下框架内力分析的反弯点法和D值法等内力和变形的近似计算方法 要领会荷载效应组合的原则 构件截面设计的方法及框架结构的构造要求 本章提要 1 框架结构的组成钢筋混凝土框架结构 是指由钢筋混凝土横梁 纵梁 柱和基础等构件所组成的结构 横梁和立柱通过节

2、点连为一体 形成承重结构 将荷载传至基础 墙体不承重 内 外墙只起分隔和围护作用 见下图 钢筋混凝土框架结构已广泛应用于电子 轻工 食品 化工等多层厂房和住宅 办公 商业 旅馆等民用建筑 这种结构体系的优点是建筑平面布置灵活 能够获得较大的使用空间 建筑立面容易处理 可以适应不同房屋造型 一 框架结构体系 一 框架结构体系 2 框架结构的种类 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 一 框架结构体系 整体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

3、短工期 有利于施工机械化 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 一 框架结构体系 3 框架结构布置方案 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 在这个体系中 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 1 横向框架承重方案 在这种布置方案中 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 见右图 一 框架结构体系 3 框架结构布置方案 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 在这个体系中

4、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 2 纵向框架承重方案 在这种布置方案中 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 见右图 一 框架结构体系 3 框架结构布置方案 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 在这个体系中 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 3 纵横向框架混合承重方案在这种布置方案中 主要承重框架沿房屋的纵 横向布置 见右图 二 变形缝 在初步设计阶段 确定结构方案 进行结构平面布置时 除了要考虑梁 柱 墙等结构构件的布置外 还要考虑是否要设置变形缝 用变形缝将房屋分成

5、若干独立的部分 可以消除结构不规则 收缩和温度应力 不均匀沉降对结构的有害影响 变形缝有沉降缝 伸缩缝 防震缝 为防止地基不均匀或房屋层数和高度相差很大引起房屋开裂而设的缝称为沉降缝 沉降缝不但上部结构要断开 基础也要断开 抗震设防的结构 沉降缝的宽度应符合防震缝最小宽度的要求 1 沉降缝 二 变形缝 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 二 变形缝 二

6、 变形缝 沉降缝的处理 设置沉降缝后 上部结构应在缝的两侧分别布置抗侧力结构 形成所谓双梁 双柱和双墙的现象 但将导致其他问题 如建筑立面处理困难 地下室渗漏不容易解决等 一般地 建筑物各部分不均匀沉降差大体上有三种方法来处理 二 变形缝 放 设沉降缝 让各部分自由沉降 互不影响 避免出现由于不均匀沉降时产生的内力 采用 放 的方法在结构设计时比较方便 但将导致建筑 设备 施工各方面的困难 抗 采用端承桩或利用刚度很大的基础 前者由坚硬的基岩或砂卵石层来尽可能避免显著的沉降差 后者则用基础本身的刚度来抵抗沉降差 采用 抗 的方法不设缝 基础材料用量多 不经济 二 变形缝 调 在设计与施工中采取

7、措施 调整各部分沉降 减少其差异 降低由沉降差产生的内力 采用 调 的方法 采用介于两者之间的办法 调整各部分沉降差 在施工过程中留出后浇带作为临时沉降缝 等到各部分结构沉降基本稳定后再连为整体 二 变形缝 通常有以下 调 的方法不设永久性沉降缝 调整地基上压力主楼和裙房采用不同的基础形式 调整地基上压力 使各部分沉降基本均匀一致 减少沉降差 调整施工顺序施工先主楼 后裙房 主楼工期较长 沉降大 待主楼基本建成 沉降基本稳定后 再施工裙房 使后期沉降基本相近 预留沉降差地基承载力较高 有较多的沉降观测资料 沉降值计算较为可靠时 主楼标高定得稍高 裙房标高定得稍低 预留两者沉降差 使最后两者实际

8、标高一致 二 变形缝 混凝土收缩和温度应力常常会使混凝土结构产生裂缝 为了避免收缩裂缝和温度裂缝 房屋建筑可以设置伸缩缝 在建筑中 顶层和底层温度应力问题比较严重 容易出现裂缝 伸缩缝只设在上部结构 基础可不设伸缩缝 钢筋混凝土框架结构的伸缩缝最大间距见下表 2 伸缩缝 二 变形缝 当建筑物平面复杂或房屋各部分刚度 高度和重量相差悬殊时 在地震作用下薄弱部位容易造成震害 处理的措施一种是加强各部分的连接 使整个结构整体性很强 另一种是设置防震缝 将房屋划分成简单规则的形态 使每部分成为独立的抗震单元 故在抗震设计时 建筑物各部分之间的关系应明确 如分开 则彻底分开 如相连 连接牢固 3 防震缝

9、 三 框架梁 柱截面尺寸 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3 6 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3 6 b g 等 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3 7 框架柱的截面形式一般为矩形或正方形 1 梁 柱截面的形状 三 框架梁 柱截面尺寸 三 框架梁 柱截面尺寸 2 梁 柱截面尺寸 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 8 1 12 lb lb为梁的计算跨度 梁净跨与截面高度之比不宜小于4 梁的宽度bb 1 2 1 3 hb 一般不宜小于200mm 选择

10、梁截面尺寸还应符合规定的模数要求 2 框架柱 柱截面的宽度bc和高度hc一般取 1 15 1 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 柱截面的边长不宜小于250mm 三 框架梁 柱截面尺寸 3 梁截面的惯性矩 框架结构内力和位移计算中 需要计算量的抗弯刚度 在初步确定梁的截面尺寸后 可按材料力学方法计算梁截面惯性矩 由于楼板作为框架梁的翼缘参与工作 使得梁的刚度有所提高 为了简化计算 作如下规定 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3 8 a 三 框架梁 柱截面尺寸 3 梁截面的惯性矩 框架结构

11、内力和位移计算中 需要计算量的抗弯刚度 在初步确定梁的截面尺寸后 可按材料力学方法计算梁截面惯性矩 由于楼板作为框架梁的翼缘参与工作 使得梁的刚度有所提高 为了简化计算 作如下规定 2 对做整浇层的装配整体式框架 中部框架梁I 1 5I0 边框架梁I 1 2I0 图3 8 b 3 梁截面的惯性矩 框架结构内力和位移计算中 需要计算量的抗弯刚度 在初步确定梁的截面尺寸后 可按材料力学方法计算梁截面惯性矩 由于楼板作为框架梁的翼缘参与工作 使得梁的刚度有所提高 为了简化计算 作如下规定 三 框架梁 柱截面尺寸 3 对装配式楼盖 梁的惯性矩可按本身的截面计算 I I0 图3 8 c 四 框架结构计算

12、简图 框架结构是由横向框架和纵向框架组成的空间结构 为了简化计算 通常忽略它们之间的空间联系 而将空间结构体系简化为横向和纵向平面框架计算 并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3 9中阴影部分所示 四 框架结构计算简图 在计算简图中 框架节点多为刚接 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 图3 10 a 当上下柱截面尺寸不同时 则取上层柱形心线作为柱轴线 图3 10 b 1 多层多跨框架在一般竖向荷载作用下 侧移是比较小的 可作为无侧移框架按力矩分配法进行内力分析 2 各层荷载对其他层杆件内力影响不大 因此 在近似

13、方法中 可将多层框架简化为单层框架 即分层作力矩分配计算 一 多层多跨框架的变形与内力特点 侧移忽略不计 可作为无侧移框架按力矩分配法进行内力分析 各层荷载对其他层杆件内力影响忽略不计 因此 每层梁上的荷载只在该层梁及与该层梁相连的柱上分配和传递 二 分层法的基本假定 1 将多层框架简化为单层框架 分层作力矩分配计算 三 分层法的要点 2 分层计算所得梁弯矩即为最后弯矩 上下两层计算所得同一根柱子的内力叠加 得到柱子内力 三 分层法的要点 计算时假定上 下柱的远端是固定的 这与实际不符 因而 除底层外 可以将上层各柱线刚度乘以0 9加以修正 梁的刚度不变 三 分层法的要点 计算和确定梁 柱弯矩

14、分配系数和传递系数 按修正后的刚度计算各节点周围杆件的杆端分配系数 所有上层柱的传递系数取1 3 底层柱的传递系数取1 2 三 分层法的要点 1 计算各层梁上竖向荷载值和梁的固端弯矩 2 将框架分层 各层梁跨度及柱高与原结构相同 柱端假定为固端 3 计算梁 柱线刚度 4 计算和确定梁 柱弯矩分配系数和传递系数 5 按力矩分配法计算单层梁 柱弯矩 6 将分层计算得到的 但属于同一层柱的柱端弯矩叠加得到柱的弯矩 四 分层法的计算步骤 有现浇楼面的梁 宜考虑楼板的作用 每侧可取板厚6倍作为楼板的有效作用宽度 1 梁 柱线刚度的计算 五 几点注意 设计中 可近似按下式计算梁的截面惯性矩 一边有楼板两边

15、有楼板 一般情况下 分层计算法所得杆端弯矩在各节点不平衡 如果需要更精确的结果时 可将节点的不平衡弯矩再进行分配 2 分层法计算的各梁弯矩为最终弯矩 各柱的最终弯矩为与各柱相连的两层计算弯矩叠加 五 几点注意 3 在内力与位移计算中 所有构件均可采用弹性刚度 4 在竖向荷载作用下 可以考虑两端塑性变形内力重分布而对梁端负弯矩进行调幅 调幅系数为 现浇框架 0 8 0 9 装配式框架 0 7 0 8 5 柱轴力的计算柱子轴力可由其上柱传来的竖向荷载和本层轴力叠加得到 本层轴力根据与梁的剪力平衡求得 五 几点注意 6 梁端负弯矩减小后 应按平衡条件计算调幅后的跨中弯矩 梁跨中正弯矩至少应取按简支梁

16、计算的跨中弯矩的一半 如为均布荷载 则 五 几点注意 7 竖向荷载产生的梁弯矩应先进行调幅 再与风荷载和水平地震作用产生的弯矩进行组合 求出各控制截面的最大 最小弯矩值 例3 1用分层计算法作出右图所示框架的弯矩图 图中括号内为杆件的线刚度的相对值 六 计算实例 六 计算实例 2 计算和确定梁 柱弯矩分配系数和传递系数注意 上层各柱线刚度都要先乘以0 9 然后再计算各节点的分配系数 上层各柱远端弯矩等于各柱近梁端弯短的1 3 即传递系数为1 3 底层各柱及各层梁的远端弯矩为近端弯矩的1 2 即传递系数为1 2 六 计算实例 各节点处的分项系数 六 计算实例 由结构力学公式可知在均布荷载作用下两端的固端弯矩为 4 按力矩分配法计算单层梁 柱弯矩 如下页图1 2所示 3 计算梁的固端弯矩 六 计算实例 图1 上层各柱线刚度都要先乘以0 9 然后再计算各节点的分配系数 传递系数为1 3 传递系数为1 2 六 计算实例 图2 上层柱线刚度要乘以0 9 底层柱不用修正 然后再计算各节点的分配系数 传递系数为1 2 传递系数为1 3 传递系数为1 2 六 计算实例 5 把图1和图2结果叠加 可以得