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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
2、架结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,（2）框架结构体系的优缺点
3、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，这些均必须满足建筑平面及使用要求，同时也须使结构受
4、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。如偏心距大于该方向柱宽
5、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
6、的计算简图及荷载,1 框架结构的计算简图及荷载,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
7、梁，扁梁的截面高 度可按 (1/181/15)lb 估算。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
8、抗压强度设计值。,Ac (1.11.2)N / fc,N = 1.25Nv,第4章 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
9、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 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
10、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
11、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,
12、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,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
13、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，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
14、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。,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
15、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
16、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、柱自重等）和与之相连的梁端剪力，即得柱的轴力。,第章 框架结构,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）。 （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）、分配弯矩和传递弯矩叠加，即得各杆端弯矩。,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,系数法（Approxi
