高層建筑結(jié)構(gòu)--框架結(jié)構(gòu)教學(xué)文稿

1、高層建筑結(jié)構(gòu)-框架結(jié)構(gòu)12.1 概述框架結(jié)構(gòu)是由梁和柱連接而成的。梁柱連接處為剛節(jié)點，柱底支座一般為固定約束。1 多層框架結(jié)構(gòu)的組成多層框架結(jié)構(gòu)的組成 2 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的分類 按施工方法的不同，可分為整體式、裝配式和裝配整體式。 整體式梁、柱、樓板均為現(xiàn)澆混凝土。施工時每層的柱與其上的梁板同時支模、扎筋，并一次性澆注混凝土。該形式整體性好，利于抗震。 裝配式梁、柱均為預(yù)制，二者通過焊接拼裝連接成整體。此種方式施工速度快，但整體性較差，不宜在地震區(qū)應(yīng)用。 裝配整體式梁、柱、樓板均為預(yù)制，在吊裝就位后，再澆注部分混凝土而將梁、柱、板連接成整體。該形式既具有較好的整體性和抗震性能，又可采用預(yù)制

2、構(gòu)件, 但節(jié)點區(qū)現(xiàn)場澆注施工復(fù)雜。 12.2 結(jié)構(gòu)布置框架的結(jié)構(gòu)布置包含三方面的內(nèi)容：柱網(wǎng)布置、承重體系的確定、變形縫的設(shè)置。 1. 柱網(wǎng)布置 柱網(wǎng)框架柱在平面上縱橫兩個方向的排列。柱網(wǎng)布置的任務(wù)確定柱子的排列形式與柱距。布置的依據(jù)滿足建筑使用要求，同時考慮結(jié)構(gòu)的合理性與施工的可行性。（1）柱網(wǎng)的形式： 對工業(yè)廠房，常采用內(nèi)廊式、等跨式與不等跨式。 對賓館、辦公樓等民用建筑，柱網(wǎng)布置應(yīng)與建筑分隔墻布置相協(xié)調(diào)，一般將柱子設(shè)在縱橫墻交叉點上。柱網(wǎng)的尺寸還受到梁跨度的限制，一般梁跨度在69 m之間。（2）柱網(wǎng)布置要使結(jié)構(gòu)受力合理2. 承重體系的確定 實際的框架結(jié)構(gòu)是一個空間受力體系。但為計算簡便起見

3、，可把實際框架分成縱橫兩個方向的平面框架即橫向框架和縱向框架。 橫向框架-由建筑物短方向的梁柱組成?？v向框架-由建筑物長方向的梁柱構(gòu)成。 兩向框架分別承受各自方向的水平荷載。對于樓面豎向荷載，可由橫向框架承受，也可由縱向框架承受或縱、橫向共同承受。 根據(jù)樓面豎向荷載的傳遞路線，可將框架的承重體系分為三種：橫向框架承重體系，縱向框架承重體系，縱橫框架混合承重體系。（1）橫向框架承重體系 樓面荷載全部傳至橫向框架梁，如圖 (a)所示。此時在橫向布置框架承重梁，而在縱向布置連系梁。此方案的優(yōu)點在于主梁沿橫向布置有利于提高建筑物的橫向剛度（橫向跨數(shù)少），縱向設(shè)較小的連系梁也有利于立面開洞。 （2）縱向

4、框架承重體系 如預(yù)制板沿橫向布置，樓面荷載將傳到縱向框架梁，如圖 (b)所示，此時縱梁為承重梁，而橫向為連系梁。由于橫梁高度較小，可獲得較高的室內(nèi)凈高，也利于管線的穿行。該方案的缺點是橫向抗側(cè)剛度較差，進深尺寸受預(yù)制板長度的限制。 （3）縱橫向框架混合承重體系 兩個方向的框架梁均承受樓面荷載，如圖 (c)中的預(yù)制板布置以及如圖 (d)中的現(xiàn)澆井字板均是將板面荷載向縱橫向框架梁上傳遞。混合承重方案具有較好的整體工作性能，當(dāng)樓面作用荷載較大時，常采用此種方案。 3. 變形縫的設(shè)置 變形縫有三種：伸縮縫、沉降縫、防震縫。 （1）伸縮縫 “鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫最大間距”見 表3-1-1。伸縮縫寬度不小

5、于50 mm。 （2）沉降縫 如上部荷載差異較大，或地基土的物理力學(xué)指標(biāo)相差較大，則應(yīng)設(shè)沉降縫。沉降縫可利用挑梁或搭置預(yù)制板、預(yù)制梁等方式作成。沉降縫寬不小于50 mm。 （3）防震縫 當(dāng)建筑平面形狀不規(guī)則，豎向高度、剛度、質(zhì)量差異較大時，應(yīng)設(shè)防震縫，縫寬不小于70 mm。 注：上述三縫在進行布置時，應(yīng)綜合考慮，多縫合一，盡量減少縫數(shù)，以方便施工、降低造價、增加整體性。伸縮縫和防震縫只需將基礎(chǔ)以上的房屋分開，而沉降縫必須將基礎(chǔ)也分開。 12.3 框架梁、柱截面尺寸及計算簡圖 1.框架梁 框架梁的橫截面一般為矩形。對于承受主要豎向荷載的框架梁，其截面有以下幾種形式。 對整體式框架，與梁相連的樓板

6、是梁的翼緣，梁截面為T形或倒L形（圖 (a)）； 當(dāng)采用預(yù)制板樓蓋時，框架梁為矩形或T形(圖 (b)； 有時為減小樓蓋結(jié)構(gòu)高度，增加室內(nèi)凈高，框架梁截面常做成花籃形或十字形；(圖(c)； 對裝配整體式框架，其框架梁為部分預(yù)制、部分現(xiàn)澆，稱為迭合梁，其截面形式如圖(d)所示。 框架梁截面高度h可取L/8L/12，截面寬度b一般為h/2h/3。2.連系梁 連系梁通常是承受填充墻荷載，其截面一般采用圖所示的矩形、T形和倒L形。連系梁的翼緣通常是用來填補預(yù)制板排列所余寬度。 3.框架柱 一般為方形或矩形。 柱的長邊尺寸h 可近似取底層柱高的1/151/20。短邊尺寸b按 (12/3)b選用.4.框架梁

7、截面的慣性距I 按矩形截面（圖中陰影部分）計算出慣性矩I0，再根據(jù)樓板的形式進行修正求得I。（1）當(dāng)采用現(xiàn)澆樓板時（圖 (a)、(b)），中框架梁的慣性矩I =2I0，邊框架梁的I =1.5I0。（2）當(dāng)采用裝配式樓板時（圖 (c)），I =I0。 （3）如為裝配整體式樓板（圖 (d)、(e)），中框架梁的I =1.5I0，邊框架梁的I =1.2I0。所有柱的截面慣性矩按實際尺寸計算。12.3.2 框架結(jié)構(gòu)的計算簡圖 1.計算單元的確定 框架結(jié)構(gòu)是一個空間受力體系，如圖 (a)所示。為方便起見，常是將一個較規(guī)則的空間框架分解為一組橫向平面框架和一組縱向平面框架，如圖 (b)所示，框架即為一個計

8、算單元，一般以柱距中線來劃分，如圖 (a)所示陰影范圍。該平面框架承受計算單元內(nèi)的水平荷載,是否有豎向荷載作用，取決于樓蓋結(jié)構(gòu)的布置方式。2.跨度與層高的確定 在計算簡圖中，桿件用其軸線來表示； 框架梁的跨度取柱子的軸線之間的距離，當(dāng)上下層柱截面尺寸變化時，一般以最小截面的形心線來確定。 框架的層高即框架柱的計算高度應(yīng)為各橫梁形心線之距，當(dāng)各層梁截面尺寸相同時也可取相應(yīng)的建筑層高，但底層的層高取基礎(chǔ)頂面至二層樓板頂面之間的距離。3.節(jié)點的簡化 對現(xiàn)澆式框架和裝配整體式框架，梁與柱的連接點可處理為剛結(jié)點 4.荷載計算 作用于框架結(jié)構(gòu)上的荷載有豎向荷載和水平荷載兩種。 豎向荷載包括結(jié)構(gòu)自重、樓面荷

9、載、雪載等。豎向荷載一般為分布荷載，次梁傳來的為集中力。 水平荷載包括風(fēng)荷載和水平地震作用。水平荷載均簡化為作用于框架節(jié)點上集中力（計算方法）。計算公式計算公式:將沿框架柱的分布風(fēng)將沿框架柱的分布風(fēng)載簡化為作用于框架載簡化為作用于框架節(jié)點的水平集中風(fēng)荷節(jié)點的水平集中風(fēng)荷載載Fi，其值為：，其值為： 12.4 內(nèi)力分析及側(cè)移驗算 1.受力特點： 框架結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下有如下特點： （1）框架所產(chǎn)生的側(cè)移一般很小，可以忽略；（2）當(dāng)某層框架梁上作用荷載時，在該層梁及相鄰的柱子中產(chǎn)生較大內(nèi)力，其它各層梁柱的內(nèi)力較小，其影響可以忽略。 12.4.1 豎向荷載作用下內(nèi)力的計算方法豎向荷載作用下內(nèi)力的計

10、算方法分層法分層法2.基本假定 根據(jù)上述受力特點，采用下面基本假定：（1）豎向荷載作用下不計側(cè)移影響； （2）每層梁上的荷載僅影響本層梁及與該層梁相連的柱。 3.計算方法 根據(jù)上述假定，可將每層框架連同與之相連的上下層柱作為獨立的計算單元分別進行計算。 1. 根據(jù)疊加原理，多層框架在豎向荷載作用下的內(nèi)力，可看成是各層豎向荷載單獨作用下內(nèi)力的疊加（圖 (a)）。 2. 根據(jù)上述假定，各層梁上單獨作用豎向荷載時，僅在圖(b)所示結(jié)構(gòu)的實線部分產(chǎn)生內(nèi)力，虛線部分中所產(chǎn)生的內(nèi)力可忽略不計。 3. 框架結(jié)構(gòu)可分解為如圖 (c)所示的獨立剛架單元，柱的遠(yuǎn)端簡化為固定支承。 用彎矩分配法進行計算，節(jié)點的不平

11、衡彎矩只在本單元內(nèi)進行分配傳遞。在進行內(nèi)力計算時應(yīng)注意兩個問題： （1）在計算單元中，取柱遠(yuǎn)端為固定，這與實際結(jié)構(gòu)有差異，為消除此影響，規(guī)定除底層外，其它各層柱的線剛度均乘0.9，并取相應(yīng)的傳遞系數(shù)為1/3（底層柱仍為1/2）。 （2）由于每根柱都在上、下兩個單元中用了一次，因此，各柱端彎矩應(yīng)為上下兩層單元柱端彎矩之和。 分層法適宜于結(jié)構(gòu)剛度與荷載沿高度分布比較均勻的多層框架的內(nèi)力計算。 4.解題步驟 分層法計算豎向荷載作用下框架內(nèi)力的步驟是： （1）畫出結(jié)構(gòu)計算簡圖，并標(biāo)明軸線尺寸，荷載的大小和分布狀態(tài)。 （2）按規(guī)定計算梁柱的線剛度和相對線剛度，并注意除底層柱外，其它各層柱的線剛度乘以0.

12、9的折減系數(shù)。 （3）用彎矩分配法自上而下分層計算各單元的桿端彎矩。 （4）疊加柱端彎矩，得出所有桿件的最后桿端彎矩。如節(jié)點不平衡彎矩偏大，可在該節(jié)點重新分配一次但不再傳遞。 （5）根據(jù)靜力平衡條件，求出框架梁在梁端彎矩及豎向荷載作用下的跨中彎矩、梁端剪力及柱的剪力和軸向力。 （6）繪出框架的彎矩圖、剪力圖、軸力圖。例題：1 圖1所示一兩層兩跨鋼筋混凝土框架，其梁柱的線剛度標(biāo)于圖中括號內(nèi)，梁上荷載如圖所示。試用分層法作出框架的彎矩圖。 答案： 1.計算梁柱線剛度。除一層柱外，二層柱的線剛度乘以0.9的修正系數(shù)。 2.用力矩分配法分別計算各單元的桿端彎矩： （1）節(jié)點處彎矩分配系數(shù) （2）梁的固

13、端彎矩 （3）彎矩分配與傳遞 按分配系數(shù)將節(jié)點不平衡彎矩分給各桿端，一般先從不平衡彎矩值較大的節(jié)點開始，每個節(jié)點分配兩次即可。注意上層各柱的彎矩傳遞系數(shù)取1/3，對于一層柱其彎矩傳遞系數(shù)為1/2。 12.4.2 框架在水平荷載作用下內(nèi)力的近似計算反彎點法和D值法1、反彎點法（1）受力特點 風(fēng)荷載或水平地震對框架結(jié)構(gòu)的作用，一般可簡化為作用于框架節(jié)點上的水平集中力，在此荷載的作用下，框架結(jié)構(gòu)上的彎矩特征如圖所示。各桿的彎矩為直線分布，且每個桿均有一個零彎矩點即反彎點。各桿的彎矩為直線分布，且每個桿均有一個零彎矩點即反彎點。 （2）、解題思路 鑒于框架結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下具有上述受力變形特點，如能

14、求出各柱的反彎點位置及反彎點處的剪力，就可以利用靜力平衡條件求出各桿件的內(nèi)力。因此解題的關(guān)鍵(任務(wù))是確定各柱反彎點的位置及反彎點處的剪力。（3）、基本假定 由受力特點可知，框架受力后節(jié)點會產(chǎn)生轉(zhuǎn)角和側(cè)移，但根據(jù)分析，當(dāng)梁與柱的線剛度之比大于3時，節(jié)點轉(zhuǎn)角很小，對內(nèi)力影響不大，故可忽略即轉(zhuǎn)角=0（如圖所示），實際上這等于是把框架梁簡化為一剛性梁。 基本假定如下： （1）在求各柱子的剪力時，假定梁與柱的線剛度比為無窮大，即各節(jié)點轉(zhuǎn)角為零； （2）在確定柱的反彎點位置時，假定除底層以外的其余各柱，受力后上下兩端轉(zhuǎn)角相同； （3）梁端彎矩可按梁的線剛度進行分配。（4）.柱的反彎點高度 反彎點高度，指

15、反彎點至柱下端的距離。各柱反彎點的高度為： 底層柱： 1=2hi/3 其余各柱： =hi/2 （5）、各柱反彎點處的剪力 運用剪力分配法的方法求解各柱反彎點處剪力。第j層第k根柱的剪力為： 可知，水平荷載作用下同層各柱的剪力是根據(jù)各自的抗側(cè)剛度的大小來進行分配的。當(dāng)同層各柱的高度相同時，有 ，即此時各柱的剪力可按柱子的線剛度的大小進行分配。 式中ic柱子的線剛度；對于上部各層柱，有： （6）、柱端彎矩及梁端彎矩的計算 1、柱端彎矩 根據(jù)柱的反彎點位置及反彎點處的剪力，即可求出柱端彎矩。對于底層柱，有： 上式中上標(biāo)t、b分別表示柱的頂端與底端。 2、梁端彎矩 求出各柱端彎矩后，利用節(jié)點彎矩平衡條

16、件即可求得梁端彎矩。 對邊柱節(jié)點（圖 (a)），有： 對于中柱節(jié)點（圖 (b)），先求出梁端總彎矩： 再根據(jù)節(jié)點兩側(cè)梁線剛度的大小，將總彎矩（ ）分配到各梁上去，即： 因此，可以確定整個框架的彎矩圖。 2、D值法 D值法又稱為修正反彎點法。它是在反彎點法的基礎(chǔ)上，進行了某些改進而形成的。 （1）反彎點法的不足 反彎點法假定梁與柱的線剛度比為無窮大，框架柱的抗側(cè)剛度只與各柱的線剛度及柱高h(yuǎn)有關(guān)，這種假定與實際結(jié)構(gòu)有差異。當(dāng)梁柱線剛度比較為接近時，柱的抗側(cè)剛度不僅與柱的線剛度及層高有關(guān)，還與節(jié)點梁柱線剛度比有關(guān)。 在反彎點法中，柱反彎點的高度取為定值，而實際上，柱反彎點的位置是隨梁柱線剛度比、該柱

17、所在樓層的位置、與柱相鄰的上下層梁的線剛度以及上下層層高等因素的不同而變化的。 D值法是在綜合考慮了各種影響因素后，對上述兩個參數(shù)進行了一定的修正，使得計算結(jié)果更接近了框架的實際受力狀況。 （2）修正后的柱抗側(cè)剛度D 柱的抗側(cè)剛度是當(dāng)柱上下端產(chǎn)生單位相對側(cè)移時，柱所承受的剪力，在考慮柱上下端節(jié)點的轉(zhuǎn)動對的影響后，柱的抗側(cè)剛度D值為 :式中： 節(jié)點轉(zhuǎn)動影響系數(shù)， 反映了由于節(jié)點轉(zhuǎn)動而使柱抗側(cè)剛度降低的程度。 不同條件下的表達(dá)式列于 表3-2-2中。（3）修正后柱的反彎點高度 影響柱反彎點高度的主要因素是該柱上下端的約束條件。 修正后柱反彎點高度的具體求法：修正后柱反彎點高度的具體求法：在在D值法

18、中，一值法中，一般是通過力學(xué)分析首先求出般是通過力學(xué)分析首先求出標(biāo)準(zhǔn)情況下的反彎點高度標(biāo)準(zhǔn)情況下的反彎點高度y0，然后再根據(jù)上下層橫梁的線剛度比及上下層層高的變?nèi)缓笤俑鶕?jù)上下層橫梁的線剛度比及上下層層高的變化，對其進行調(diào)整以求出最終的反彎點高度?；瑢ζ溥M行調(diào)整以求出最終的反彎點高度。 1、結(jié)構(gòu)總層數(shù)、結(jié)構(gòu)總層數(shù) 2、該層所在位置、該層所在位置 3、梁柱線剛度比、梁柱線剛度比 4、上下兩層梁的線剛度比、上下兩層梁的線剛度比 5、上下層層高的變化、上下層層高的變化1、反彎點高度：式中：反彎點到下柱的距離； y0標(biāo)準(zhǔn)反彎點高度比； y1上下層橫梁剛度變化時反彎點高度比的修正值； y2 、 y3 上

19、下層層高變化時反彎點高度比的修正值。 2、 y0的確定 標(biāo)準(zhǔn)反彎點高度比y0主要反映梁柱線剛度比、結(jié)構(gòu)總層數(shù)和本樓層位置對柱反彎點高度的影響?？梢圆楸?。3、上下層橫梁線剛度不同時的修正值y1 當(dāng)與柱相連的上下層橫梁的線剛度不相等時，柱上下端的轉(zhuǎn)角不相同，這將使反彎點的位置向剛度較小的一端移動，這種變化用y1來反映，其修正值為y1h，這一值有正有負(fù)，如圖所示。柱上端剛度小，反彎點上移，故柱上端剛度小，反彎點上移，故y1為正值。為正值。 柱上端剛度大，反彎點下移，故柱上端剛度大，反彎點下移，故y1為負(fù)值。為負(fù)值。 對于底層柱， y1=0。 4、上下層層高變化時對反彎點的影響 上層層高h(yuǎn)2與本層層高

20、h不同，用y2來修正。 當(dāng)21時，反彎點上移， y2為正值，否則取負(fù)值。對頂層柱取y2 =0。 下層層高h(yuǎn)3與本層層高h(yuǎn)不同，用y3來修正。 當(dāng)31時，反彎點下移， y3為負(fù)值，否則取正值。對底層柱取y3 =0。 （4）求框架柱和梁的內(nèi)力求出修正后的柱抗側(cè)剛度D及反彎點高度yh后，其余求解內(nèi)力的過程就與反彎點法完全相同了。 例題2： 某三層兩跨（不等跨）鋼筋混凝土框架如題圖所示，試用反彎點法計算該框架的內(nèi)力，并繪出彎矩圖。各桿件的線剛度比值標(biāo)于圖中括號內(nèi)。 例題3： 試用D值法計算例題2所示框架的彎矩，并繪出彎矩圖。 12.5 內(nèi)力組合及截面設(shè)計框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計 框架梁的設(shè)計 框架柱的設(shè)計 主

21、要內(nèi)容 確定內(nèi)力控制截面 進行最不利內(nèi)力組合 配筋計算 確定內(nèi)力控制截面： 控制截面指最危險內(nèi)力發(fā)生的截面。 1.對于框架梁，最大正彎矩一般作用在跨中，而最大負(fù)彎矩及最大剪力作用在支座處，所以取跨中和支座作為控制截面。2.對于框架柱，最大彎矩發(fā)生在柱子的上下端，故取柱子的頂面和底面作為控制截面。 確定控制截面的目的是為內(nèi)力組合提供對象。 12.5.1 荷載效應(yīng)組合 框架荷載恒載 樓面活荷載 風(fēng)荷載 一般各控制截面的最不利內(nèi)力應(yīng)根據(jù)下列三種可能的一般各控制截面的最不利內(nèi)力應(yīng)根據(jù)下列三種可能的荷載組合荷載組合來確定：來確定： 1.恒載效應(yīng)活荷載效應(yīng)恒載效應(yīng)活荷載效應(yīng) 2.恒載效應(yīng)風(fēng)荷載效應(yīng)恒載效應(yīng)風(fēng)荷載效應(yīng) 3.恒載效應(yīng)恒載效應(yīng)0.9