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1、第六讲第六讲 钢筋混凝土结构（钢筋混凝土结构（2 2）【内容提要】单层厂房部分：组成与布置、柱、基础；多层及高层房屋部分：结构体系及布置、剪力墙结构、框剪结构、框筒结构设计要点；抗震设计的一般规定、构造要求。【重点、难点】多层及高层房屋部分的结构体系及布置、剪力墙结构、框剪结构、框筒结构设计要点；抗震设计的一般规定、构造要求。一、单层厂房(一)组成与布置结构组成：屋盖结构：分无檩和有檩两种体系，无檩体系系由大型屋面板、屋面梁或屋架(包括屋盖支撑)所组成；有檩体系由小型屋面板、檩条、屋架(包括屋盖支撑)所组成。屋盖结构有时还设有天窗架、托架，屋盖结构起围护和承重双重作用。柱子：承受屋架、吊车梁、
2、外墙和支撑传来的荷载。吊车梁：两端简支在柱子牛腿上，主要承受吊竖向和水平荷载。支撑：包括屋架、天窗架支撑和柱间支撑等，其作用是加强厂房的稳定性和空间刚度，起传递风荷载和吊车水平荷载或地震力的作用。基础：承受柱和基础梁传来的荷载并将它们传至地基。围护结构：包括纵墙和横墙(山墙)及由墙梁、抗风柱(有时还有抗风梁及抗风桁架)和基础梁等组成的墙架，它们主要是承受墙体和构件的自重以及作用在墙上的风荷载。单层厂房结构布置：厂房平面布置：柱网布置首先满足生产工艺要求，其次应符合统一模数，厂房跨度可选用 9m、12m、15m、18m、24m、30m、36m、，柱距可选为6m、9m 和 12m。厂房应按规范要求
3、设置变形缝。对于装配式钢筋混凝土排架结构，屋面板上部有保温或隔热措施且有墙体封闭时，其伸缩缝最大间距为 100m，无墙体封闭而处于露天时，则为 70m。单层厂房除非有特殊要求外，一般不设沉降缝。在地震区应按防震缝的要求做伸缩缝。变形缝处一般设置双排架。厂房剖面布置：柱高度按生产需要，主要是满足吊车轨顶要求，且符合模数。屋盖结构布置：优先采用无檩体系，选用预应力大型屋面板；有檩屋盖中，檩条常用 T 型、r 型的钢筋混凝土檩条，或轻型钢檩条，檩条应布置在屋架节点上，檩条上布置小型屋面板或其他瓦材。有天窗架时，一般从两端头算起的第二柱间开始布置，天窗架两端焊在屋架上。有抽柱时应沿纵向布置托架。支撑系
4、统布置：支撑系统除加强厂房整体刚度和稳定性外，还可传递风荷载与吊车水平荷载。它可分为屋盖支撑和柱间支撑两大类。屋盖包括上弦横向水平支撑、下弦横向水平支撑、纵向水平支撑、垂直支撑与纵向水平系杆、天窗架支撑等。柱间支撑一般应布置在温度区段的中间。围护结构布置：厂房檐口标高8m、跨度12m 时抗风柱可用砖壁柱，一般用钢筋混凝土抗风柱。圈梁、过梁、联系梁和基础梁应综合考虑，尽可能一梁多用，避免重复。(二)排架计算1排架计算的主要内容为：确定计算简图，此时应确定柱子的各段高度，假定柱截面尺寸，算出各部分柱子截面惯性矩；各项荷载计算；在各项荷载作用下进行排架内力分析，求出各控制截面的内力值；内力组合，求出
5、各控制截面的最不利内力。2计算假定：柱下端固接于基础顶面，横梁铰接在柱上。但当地基土质较差、变形较大或有比较大的地面荷载(如大量堆料)等，则应考虑基础位移和转动对排架内力的影响。横梁在排架平面内的轴压刚度为无限大，受力后不产生轴向变形。但对于下弦杆用圆钢或角钢的组合式屋架、二铰、三铰拱屋架，则应考虑其轴向变形对排架内力的影响。3排架的荷载计算：作用在排架上的荷载分永久荷载和可变荷载两类。永久荷载包括屋盖自重、上柱自重、下柱自重；吊车梁和轨道等零件重以及有时支承在柱牛腿上的围护结构等重量。可变荷载一般包括屋面活载、吊车荷载、均布风载以及作用在屋盖支承处的集中风载等。4排架内力分析：单层厂房排架为
6、超静定结构，它的超静定次数等于它的跨数。由结构力学知道，等高排架不论跨数多少，由于等高排架柱顶水平全部相等的特点，可由比位移法更为简捷的“剪力分配法”来计算。对于不等高排架则用力法计算要比位移法简便得多。5内力组合一般排架控制截面、荷载组合和内力组合按表 6-6-1 选用。排架控制截面、荷载组合和内力组合 表 6-6-1(3)运输及吊装验算：构件采用平卧浇制时，采用半吊较为方便，平吊验算不能满足要求时，可采用翻身吊进行验算。(4)牛腿：根据牛腿所受竖向荷载作用点到牛腿根部的水平距离与牛腿有效高度的比值，可分为长牛腿和短牛腿。长牛腿按悬臂梁设计，短牛腿按变高截面深梁设计。（四）柱下单独基础设计在
7、选定了地基持力层和基础埋置深度后，单独基础的设计主要有确定基础底面尺寸，验算和计算基础高度，计算底板配筋和进行构造处理几方面内容。二、多层及高层房屋(一)结构体系及布置当建筑物高度增加时，水平荷载(风荷载及地震作用)对结构起的作用将愈来愈大。除了结构内力将明显加大外，结构侧向位移增加更快。图 6-6-1 是结构内力(N，M)或位移()与高度的关系，弯矩和位移都成指数曲线上升。多层和高层建筑结构都要抵抗竖向及水平荷载作用，但是在高层建筑中，结构要使用更多的材料来抵抗水平力，抗侧力成为高层建筑结构设计的主要问题。在地震区，地震作用对高层建筑的威胁也比多层建筑要大，抗震设计应受到加倍重视。多层和高层
8、建筑抗侧力体系在不断的发展和改进，建筑高度也不断增高。现在，多层和高层建筑结构体系大约可分为四大类型：框架结构、剪力墙结构、框架一剪力墙结构和简体结构，各有不同的适甩高度和优缺点。下文将介绍各种体系及其组成和布置。多层建筑可以采用砖石和钢筋混凝土材料建造。高层建筑结构所用的材料，主要是钢筋混凝土和钢。钢结构具有自重轻、强度高、抗震性能好、施工方便等优点。在钢材多的国家，很多都采用钢结构建造高层建筑。钢筋混凝土结构造价较低、材料来源丰富，便于做成各种形状，而且结构刚度大，耐火性能好。它的缺点是自重较大、抗震性能不如钢结构、建造高度也低于钢结构。近年来，开始采用高强混凝土，并且改进了结构体系，钢筋
9、混凝土的建造高度也逐渐增加。 框架、剪力墙、框架一剪力墙结构体系是多层及高层建筑中传统的、广为应用的抗侧力体系；在高度较大的高层建筑中，利用结构空间作用，又发展了框架筒体结构、框筒结构、筒中筒结构及多筒结构等多种抗侧力很好的结构体系。1框架结构体系当采用梁柱组成的结构体系作为建筑竖向承重结构，并同时承受水平荷载时，称其为框架结构体系。它适用于多层及高度不大的高层建筑。框架结构的优点是建筑平面布置灵活，可做成需要较大空间的会议室餐厅、办公室及工业车间、实验室等，加隔墙后，也可做成小房间。框架结构的构件主要是梁和柱，可以做成预制或现浇框架，布置比较灵活，立面也可变化。通常，梁、柱断面尺寸都不能太大
10、，否则影响使用面积。因此，框架结构的侧向刚度较小，水平位移大，这是它的主要缺点，并因此限制了框架结构的建造高度，一般不易超过 60m。在抗震设防烈度较高的地区，高度更加受到限制。通过合理设计，框架结构本身的抗震性能较好，能承受较大变形。但是，变形大了容易引起非结构构件(如填充墙、装修等)出现裂缝及破坏，这些破坏会造成很大经济损失，也会威胁人身安全。所以，如果，在地震区建造较高的框架结构，必须选择既减轻重量，又能经受较大变形的隔墙材料和构造做法。否则，就要严格控制框架建造的高度。在北京，已建成了高 18 层、局部 22 层的现浇框架结构，采用了延性框架设计方法，并采用轻钢龙骨石膏板作隔断墙，外墙
11、采用玻璃幕墙。通常根据使用要求和建筑布置确定的柱网和层高布置梁和柱。在高层建筑中，梁柱必须做成刚接。梁的跨度受到梁断面尺寸的限制。过大的梁断面会增加层高，是不经济的，对抗震也不利。柱断面的尺寸要根据所承受轴力和弯矩的大小确定。在地震区，柱断面尺寸受到轴压比限制，不能过小。梁、柱布置要整齐、规则。图 6-6-2 列举了一些框架结构的平面布置形式。2剪力墙结构体系利用建筑物的墙体作为竖向承重和抵抗侧力的结构，称为剪力墙结构体系。墙体同时也作为维护及房间分隔构件。剪力墙的间距受楼板构件跨度的限制，一般为 38m。因而剪力墙结构适用于要求小房间的住宅、旅馆等建筑，此时可省去大量填充墙的工序及材料，如果
12、采用滑升模板及大模板等先进的施工方法，施工速度很快。现浇钢筋混凝土剪力墙结构整体性好，刚度大，在水平力作用下侧向变形小。墙体截面积大，承载力要求比较容易满足。剪力墙的抗震性能也好。因此，它适宜于建造高层建筑，在 1050 层范围内都适用，目前我国 10-30 层的高层公寓式住宅大多采用这种体系。由于它适合于建造住宅，我国许多 58 层住宅也都采用剪力墙结构体系。剪力墙结构的缺点和局限性也是很明显的，主要是剪力墙间距太小，平面布置不灵活，不适应于建造公共建筑，结构自重较大。为了减轻自重和充分利用剪力墙的承载力和刚度，剪力墙的间距要尽可能做大些，如做成 6m 左右。当把墙的底层做成框架柱时，称为框
13、支剪力墙。底层柱的刚度小，形成上下刚度突变，在地震作用下底层柱会产生很大内力及塑性变形，致使结构破坏。因此，在地震区不允许单独采用这种框支剪力墙结构。为了满足地震区住宅建筑需要底层商店或旅馆中底层需设置大的公用房间的要求，可做成部分剪力墙框支、部分剪力墙落地的底层大空间剪力墙结构。在底层大空间剪力墙结构中，一般应把落地剪力墙布置在两端或中部，并使纵向、横向墙围成简体，在底层还要采取加大墙厚、提高混凝土强度等级等措施加大底层墙的刚度，使整个结构上下刚度差别减小。上部则应采用开间较大的剪力墙布置方案。因为框支剪力墙承受的剪力大部分要通过楼板传到落地剪力墙上，落地剪力墙之间的距离要加以限制(墙的距离
14、与楼板宽度之比不超过 3，抗震设计时不超过 225)，同时还要加强过渡层楼板的整体性和刚性(底层大空间与上部剪力墙之间的楼板称过渡层楼板)，这层楼板应采用厚度较大现浇钢筋混凝土板。3框架-剪力墙及框架-筒体结构体系框架结构侧向刚度差，抵抗水平荷载能力较低，地震作用下变形大，但它具有平面灵活、有较大空间、立面处理易于变化等优点。而剪力墙结构则相反，抗侧力刚度、强度大，但限制了使用空间。把两者结合起来，取长补短，在框架中设置一些剪力墙，就成了框架-剪力墙结构。在北京饭店的结构平面图中可见，大多数剪力墙是单片式的分散布置形式，这种结构刚度比较小，建造高度一般在 1020 层。如果把剪力墙连在一起，做
15、成井筒式，井筒的刚度和承载力都将大大提高，也增强了抗扭能力，因此，可以建造高达 3040 层的建筑。这种结构也称为框架一筒体结构。从受力和变形性能来看，它与框架-剪力墙结构相同，可统称为框架-剪力墙体系。在这种体系中，剪力墙(或筒体)常常担负大部分水平荷载，结构总刚度加大，侧移减小。同时，由于框架和剪力墙协同工作，通过变形协调，使各层变形趋于均匀，改善了纯框架和纯剪力墙结构中上部和下部层间变形相差较大的缺点，因而在地震作用下可减少非结构构件的破坏。从框架本身看，上下各层柱的受力也比纯框架柱的受力均匀，因此，柱子断面尺寸和配筋都可比较均匀。无论从使用上，还是从受力、变形性能上看，框架剪力墙(简体
16、)结构都是一种比较好的体系，在公共建筑和办公楼等建筑中得到广泛应用。框架一剪力墙结构布置的要点是剪力墙的数量和位置。剪力墙的数量与结构体形、高度有关。剪力墙多一些，结构刚度大一些，侧向变形就小一些，可减少结构及非结构构件的破坏。但剪力墙太多，不仅会增加建筑布置的困难，而且在地震作用下，刚度大则地震力也大，这是不利的，通常以保证结构侧向变形不超过规范规定的限制值为宜。也可以综合考虑地基、填充墙材料、装修要求、使用情况等加以适当调整。剪力墙布置可以灵活，但要考虑以下几点要求：(1)剪力墙布置以对称为好，可减少结构的扭转。在地震区，要求更加严格。当不能对称布置剪力墙时，也要使刚度中心尽量和质量中心接近，减少地震作用产生的扭转。(2)剪力墙应贯通全高，使结构刚度上下连续而均匀。(3)在层高不高的情况下，剪力墙可做成 T 形， 形或 L 形，以充分发挥剪力墙的作用。在高度较大的建筑中，剪力墙布置成井筒，以加大结构的抗侧力的刚度和抗扭的刚度。这种布置方式还可以便框架柱的布置灵活形成丰富多变的立面效
