第章框架结构设计PPT课件

② 现浇框架梁的混凝土强度等级不宜大于Ｃ４０； 框
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4.1 框架结构概念设计
2. 填充墙布置要求：框架结构的填充墙及隔墙宜选用 轻质墙体。抗震设计时，框架结构如采用砌体填充 墙，其布置应符合下列要求：
① 避免形成上、下层刚度变化过大。 ② 避免形成短柱。 ③ 减少因抗侧刚度偏心所造成的扭转。 ➢ 抗震设计时， 砌体填充墙及隔墙应具有自身稳定性，
• 有一些用于近似计算的手算方法， 由于计算简便、 易于掌握， 对于大多数工程仍适用， 目前在实际工 程中应用还很多， 特别是初步设计时需要估算， 手
4.1 框架结构概念设计
一．框架结构的概念 ➢ 框架结构是指由梁柱杆系构件构成， 能够承受竖向
和水平荷载作用的承重结构体系。 ➢ 一般情况下， 框架结构应设计成双向梁柱抗侧力体
系，主体结构除个别部位外不应采用铰接。 ➢ 抗震设计时， 为协调变形和合理分配内力框架结构
不宜设计成单跨结构。 二．框架结构的受力变形特点 1. 竖向荷载作用下的受力特点 ➢ 竖向荷载作用下， 框架结构以梁受弯为主要受力特
二．计算单元和计算简图
1. 计算单元 在各榀框架（包括纵、横向框架） 中选出一
榀或几榀有代表性的框架作为计算单元， 如图4.5所 示。
图4.5 框架计算单元
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4.2 框架结构内力和位移的简化近似计 算
2. 计算简图 计算简图是由计算模型及作用在其上的荷载
共同构成的。框架结构的计算模型是由梁、柱的截 面几何轴线确定的， 框架柱在基础顶面按固定端考 虑（图4.6）。当采用近似手算方法时，为使计算简 便， 可采用下述简化。
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4.1 框架结构概念设计
➢ 梁、柱中心线之间的偏 心距：
a) ９ 度抗震设计时不应 大于柱截面在该方向宽 度的1/4；
b) 非抗震设计和６ ～８ 度抗震设计时不宜大于 柱截面在该方向宽度的 1/4 ， 如 偏 心 距 大 于 该 方 向 柱 宽 的 1/4 时 ， 可 采取增设梁的水平加腋
a) 当x ＝０时， 按下式计算：
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4.1 框架结构概念设计
b) 当x≠０ 时， 取式（4.3ａ） 和式（4.3ｂ） 计算的较大值， 且应满足式 （4.3ｃ） 的要求：
式中
——柱截面高度。
五．材料强度选择、填充墙布置及楼梯间要求
1. 材料强度
① 现浇框架梁、柱、节点的混凝土强度等级， 按一级 抗震等级设计时， 不应低于Ｃ３０；按二～四级和 非抗震设计时， 不应低于Ｃ２０。
并应符合下列要求： ① 砌体的砂浆强度等级不应低于Ｍ５。当采用砖及混
凝土砌块时， 砌块的强度等级不应低于ＭＵ５； 采
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4.1 框架结构概念设计
② 砌体填充墙应沿框架柱全高每隔５００ｍｍ 左右设 置２ 根直径６ ｍｍ 的拉筋，拉筋伸入墙内的长度， ６ 度时不应小于墙长的１／５且不应小于７００ ｍ ｍ，７ 度、８ 度、９ 度时宜沿墙全长贯通。
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4.1 框架结构概念设计
②柱
➢ 柱截面面积一般根据轴压比限值 满足以下要求：
估算， 同时截面的高度、宽度要
式中
——柱高度；
N ——柱承受的轴力估算值；
——轴压比限值；
——柱混凝土轴心抗压强度。
2. 节点 ➢ 框架梁、柱中心线宜重合。当梁柱中心线不能重合时， 在计算中应考虑
偏心对梁柱节点核心区受力和构造的不利影响， 以及梁荷载对柱子的偏 心影响。
4.1 框架结构概念设计
三．结构布置 1. 高宽比限制 ➢ 水平荷载是高层框架结构的主要荷载， 由此产生的
整体倾覆力矩可能使部分柱受拉， 整体抗倾覆稳定 性验算要求决定了结构的最大高度。 ➢ 钢筋混凝土框架结构的最大适用高度为： a) 非抗震设计时为70ｍ； b) 抗震设计时主要取决于抗震设防烈度，6度时为60 ｍ， 7度时为55ｍ，8度时为45ｍ，9度时为25ｍ。 ➢ 高宽比限值满足非抗震设计时为5， 设防烈度为6度、
② 荷载的简化
a) 计算次梁传给主梁的荷载时， 允许不考虑次梁的连 续性， 按各跨简支计算传至主梁的集中荷载。
b) 作用在框架上的次要荷载可以简化为与主要荷载相 同的荷载形式， 但应维持内力等效。也可将作用于 框架梁上的三角形、梯形等荷载按支座弯矩等效的 原则改造为等效均布荷载。
三．简化计算方法
➢ 在多数情况下， 框架结构可以简化为平面结构进行 内力分析， 在纵向和横向都分别由若干榀框架承受 竖 向 荷 载 和 水 平 荷 载第。23页/共96页
➢ 框架柱主要是以受压为主的承载构件， 其水平侧移 可以忽略不计。
2.
水平荷载作用下的受力变形特点 第2页/共96页
4.1 框架结构概念设计
➢ 在梁柱节点处， 由于协调变形使梁端产生弯矩和剪 力， 故此时柱控制内力是产生于柱上下端截面的轴 力、弯矩和剪力。
➢ 基于承载能力极限状态的设计内容是柱上下端截面 的偏心受力构件承载力的计算。
图4.6 框架结构计算简图
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4.2 框架结构内力和位移的简化近似计 算
① 计算模型的简化
a) 当框架梁为坡度i≤1/8的折梁时，可简化为直杆（图
4.6）。
b) 当各跨跨度相差不大于10％时， 可简化为等跨框架， c) 当面跨框计度架 算取梁内为力平加。均腋变值截。面梁时分，别若为加腋端最高，截可面不及考跨虑中加等腋截的面影梁响的，梁按高等。截
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4.1 框架结构概念设计
➢ 一般情况下， 梁端抗弯承载力首先达到其极限承载 力， 出现塑性铰区域， 相应地梁端截面转角位移显 著加大， 内力向跨中发生转移， 导致跨中弯矩进一 步提高， 跨中挠曲变形增大。
➢ 因此在竖向荷载作用下， 框架结构基于承载能力极 限状态的设计主要是框架梁控制截面（梁端和跨中 截面） 的抗弯承载力的设计， 基于正常使用极限状 态的设计主要是梁跨中挠曲变形的验算。
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4.1 框架结构概念设计
图4.1 水平荷载下框架的变形
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4.1 框架结构概念设计
② 框架层间侧移的主要组成分量
➢ 在框架结构整体剪切变形所引起的层间侧移 （图4.2） 中， 楼层剪力 在框架柱中引起的剪力 和弯矩 ， 使柱产生垂直于杆轴方向的剪切 和弯曲变形，直接构成侧移分量 （图4.2ａ）；
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4.1 框架结构概念设计
① 楼梯间的布置应尽量减小其造成的结构平面不规则。 ② 当钢筋混凝土楼梯与主体结构整体连接时， 应考虑
楼梯对地震作用及其效应的影响，并应对楼梯构件 进行抗震承载力验算。 ③ 宜采取构造措施减小楼梯对主体结构的影响。 4. 框架结构按抗震设计时， 不应采用部分由砌体墙承 重的混合形式。框架结构中的楼、电梯间及局部出 屋顶的电梯机房、楼梯间、水箱间等， 应采用框架 承重， 不应采用砌体墙承重。 六．设计计算要点及程序框图
③ 墙长大于５ ｍ 时，墙顶与梁（板）宜有钢筋拉结； 墙长大于层高的２倍时，宜设置间距不大于４ ｍ 的 钢筋混凝土构造柱；墙高超过４ｍ时，墙体半高处 （或洞上皮） 宜设置与柱连接且沿墙全长贯通的钢 筋混凝土水平连系梁。
④ 楼梯间采用砌体填充墙时，应设置间距不大于层高 且不大于４ｍ的钢筋混凝土构造柱并采用钢丝网砂
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4.1 框架结构概念设计
2. 结构平面布置及竖向布置 ➢ 高层建筑的一个独立结构单元内， 宜使结构平面形
态简单规则， 刚度和承载力分布均匀。 ➢ 柱网布置可以根据建筑设计使用功能要求设计为小
柱距或大柱距， 跨度可设计成边跨大、中跨小， 或 边跨小， 中跨大， 以及等跨形式。 ➢ 单就竖向荷载作用而言， 对工程中常用的三跨框架， 采用“边跨小、中跨大” 方案可使内力分布更合理。 四 ．梁高梁：、 柱 、 节 点 等 构 件 截 面梁估宽：算 及 选 型 1. 梁、柱构件的几何尺寸估算
d) 梁、柱截面惯性矩： 柱按实际截面确定； 框架梁应考虑楼板作用。当采
用现浇板时，应按Ｔ 形截面确定， 可简化为： 一边有楼板， J ＝1.5 ；
两边有楼板， J ＝2.0 （ 为梁矩形部分惯性矩）； 若为预制板， J
＝。
J0
J0 J0
J0
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4.2 框架结构内力和位移的简化近似计 算
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① 梁的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：
式中
——梁水平加腋宽度和加腋长度；
——梁截面宽度；
——沿偏心方向柱截面宽度；
x ——非加腋侧梁边到柱边的距离。 ② 梁采用水平加腋时， 框架节点有效宽度 宜符合下述要求：
➢ 基于正常使用极限状态设计的主要内容是框架结构 ➢ 框水架平结侧构在移水的平力计作算用。下（图4.1ａ）， 由水平力引起的倾覆力矩， 使
框架的近侧柱拉伸、远侧柱压缩， 形成框架的整体弯曲变形 （图4.1
① ｂ水）平；荷载下框架的变形
➢ 由水平力引起的楼层剪力， 使梁、柱产生垂直于其杆轴线的剪切变形和弯 曲变形， 形成框架的整体剪切变形（图4.1ｃ）。
4.1 框架结构概念设计
➢ 框架结构设计过程
框架结构设计计算程序框图
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4.2 框架结构内力和位移的简化近似计 算
一．基本假定
➢ 框架结构作为由杆件构成的空间结构，应取整个结 构作为计算单元， 按三维空间框架结构进行计算分 析。
➢ 对于平面布置较规则、柱距及跨数相差不多的大多 数框架结构， 使用荷载作用下， 每榀框架结构的变 形特点及控制值非常接近，为简化计算，可将三维 框架简化为平面框架，按每榀框架结构的负荷面积 或抗侧移刚度承担外荷载。
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4.1 框架结构概念设计
1. 整个结构既要承担来自房屋横向地震动所引起的地 震力， 又要承担来自房屋纵向地震动所引起的地震 力， 因此， 对于横向框架和纵向框架， 梁与柱的 连接都应该采取刚性连接构造， 以形成刚接框架。
2. 采用框架体系的房屋， 横向基本周期与纵向基本周 期差别不大， 横向和纵向地震作用的总值也就大致 相等， 每根柱子在纵、横两个方向的地震剪力和弯 矩也会大致相等， 因此， 框架柱宜采用正方形截面 和对称配筋。
➢ 框架节点上下的柱端弯矩
在梁中引起的剪力 和弯矩 ，
使梁产生竖向弯曲变形， 并导致框架节点发生转动 ， 间接地构成侧移
分量 （ 图4.2ｂ）。 与 之和就是 （图4.2ｃ）。
a) 层间侧移 的大小与楼层剪力 的数值成正比； b) 的大小与梁、柱的截面惯性矩J 成反比。
➢ 从这个侧移分解示意图中可以看出：
3. 地面运动是多维的， 框架体系中纵、横框架的共用 柱， 既是横向框架的构件， 又是纵向框架的构件。
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4.1 框架结构概念设计
4. 试验结果指出， 强柱型框架的抗震性能明显优于弱 柱型框架， 进行框架杆件设计时， 应尽可能使各榀 横向框架和纵向框架均能成为强柱型框架， 在水平 地震作用下实现梁铰侧移机构。
5. 不论是现浇框架还是预制框架，均应尽量符合“强 节弱杆、强柱弱梁、强剪弱弯、强压弱拉” 的抗震 设计准则。
6. 塔式主楼与裙房屋面相衔接的楼层， 容易因体形和 刚度的突变而产生严重破坏。因此，采用框架体系 的高层建筑， 应避免采用大底盘建筑形式。必须采 用时， 可沿塔式主楼周围设置防震缝。
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4.1 框架结构概念设计
图4.2 框架层间侧移的主要组成分量
➢ 当框架的层数不太多时， 框架的侧移主要是由整体剪切变形引起， 整体 弯曲变形的影响甚小。使框架结构的最小层间侧移发生在结构的顶部， 最 大层间侧移发生在结构的底层或底部几层， 整体上构成“剪切型变形曲线” 形式。
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4.2 框架结构内力和位移的简化近似计 算
➢ 框架计算方法
• 框架是典型的杆件体系， 结构力学中已经比较详细 地介绍了超静定刚架（框架） 内力和位移的计算方 法。
• 比较精确的手算方法， 例如全框架力矩分配法、无 剪力分配法、迭代法等，在实用中已大多被更精确、 更省人力的计算机程序分析——杆件有限元方法所 代替。
➢ 此外，平面框架结构在纵向和横向分别有竖向荷载 和水平荷载作用，在符合手算特点的近似计算方法
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4.2 框架结构内力和位移的简化近似计 算
① 每榀框架结构仅在其自身平面内提供抗侧移刚度， 平面外的抗侧移刚度忽略不计；
② 平面楼盖在其自身平面内刚度无限大；
③ 框架结构在使用荷载作用下材料均处于线弹性阶段。