多层框架结构设计指导书讲解

建筑工程技术专业毕业设计指导书多层框架结构设计
夏健明
广东水利电力职业技术学院土木工程系
2015.10
1 结构布置的内容及结构布置图的要求
1.1 结构设计阶段的主要内容：
1、结构布置
2、截面尺寸估算
3、计算简图的确定
4、荷载计算
5、内力计算
6、内力组合
7、配筋计算及构造要求
8、绘施工图
2 结构设计的一般原则
1、遵守设计程序.基本建设应先勘察后设计先设计后施工；结构设计应先初步设计，后施工图设计；先方案后计算，再绘
施工图。

2、符合设计规范。

建筑结构荷载规范；混凝土结构设计规范；建筑地基基础设计规范；建筑结构制图标准；建筑抗震设
计规范；高层建筑设计规范等。

3、选择合理的结构设计方案。

重视结构选型和结构布置；首先要满足建筑功能要求，同时考虑施工条件及经济要求；需
多方案进行比较。

4、采用先进技术。

3 结构选型：
1、结构体系的选择。

各种体系的优缺点及适用范围
2、其他结构选择。

楼面、楼梯、过梁、基础等
4 结构布置的内容
4.1 结构布置的原则
1、满足适用要求，尽可能与建筑的平、立、剖面划分相一致
2、满足人防、消防要求，使水、暖、电各专业的布置有效进行
3、结构上应力求简单、规则、均匀、对称，构件类型少
4、妥善处理温度、地基不均匀沉降及地震等因素对建筑的影响
5、施工简便
6、经济合理
4.2 结构布置的方法
1、框架承重布置方案：横向承重布置；纵向承重布置；纵横向布置。

2、柱网与层高
柱网：主梁一般为5～8m，次梁一般为4～7m。

柱网级差为300mm。

层高：一般由建筑功能要求决定，由净高+设备层高+构件截面高度（结构高度），级差300mm。

框架梁柱轴线宜重合在同一平面内。

当梁、柱轴线不能重合在同一平面内时，梁柱轴线间偏心矩不宜大于柱截面在该方向边长的1/4。

砌体填充墙宜与梁轴线位于同一平面内。

需考虑抗震设防时，填充墙与柱子应有可靠的拉结。

4.3 变形缝的设置
变形缝是伸缩缝、沉降缝和防震缝的总称。

1、伸缩缝：为了防止温度和收缩应力造成结构构件无规则的开裂破坏，人为地在房屋中设置竖缝，将房屋的地上部分划分为若干个独立的结构单元。

采取措施，可增加伸缩缝的间距：
1)在顶层、底层、山墙和内纵墙端开间等温度变化影响较大的部位提高配筋率
2)顶层加强保温隔热措施或采用架空通风屋面
3)顶层楼层改用刚度较小的结构形式或顶部设局部温度缝，将结构划分为长度较短的区段
4)每隔30～40m间距留出施工后浇带，带宽800～1000mm。

框架结构伸缩缝最大间距（m）
结构形式室内或土中露天
装配式75 50
现浇式55 35
2、沉降缝：为了避免房屋各部分不均匀沉降引起的房屋开裂甚至结构破坏而在房屋中设置的竖缝，将房屋的地上和地下部分划分为若干个独立的结构单元。

设置沉降缝的部位：高度和重量相差悬殊的部位；地质条件相差较大的部位。

3、防震缝：为了避免房屋在地震时因平面和体型复杂而发生碰撞、扭转和复杂的振动，造成房屋中薄弱部位的破坏，在房屋的某些部位设缝，将房屋划分为一些简单、均匀、对称的独立结构单元。

防震缝的最小宽度：当高度不超过15m时可采用70mm；超过15m时，6度、7度、8度和9度相应每增加高度5m、4m、3m和2m，宜加宽20mm。

房屋中需要考虑设置防震缝的情况：
1)平面狭长或外伸部分较长而无加强措施
2)房屋有较大错层
3)各部分结构的刚度或荷载相差悬殊而又未采取有效措施
4.4 结构布置图
结构布置图的作用：表示每一结构构件的类型、编号、平面和空间的位置的图纸。

它不但是结构设计人员进行设计计算的依据，而且是施工人员进行施工时必不可少的图纸。

5 结构布置图的内容
结构布置施工图的要求：
1)绘出与建筑图一致的轴线网及梁、柱、承重砌体墙、框架等结构构件位置，并注明编号。

楼面上的结构构件在该层结
构平面布置图上表示。

两层楼面之间的结构构件（如雨篷、过梁等）应在与之较近的楼面结构平面布置中表示。

2)注明预制板的跨度方向、板号、数量，标出预留洞大小及位置，带孔洞的预制板应单独绘出
3)现浇板沿斜线注明板号、板厚，配筋可布置在平面图上，亦可另绘放大比例的配筋图（复杂的楼板还应绘制模板图），
注明板底标高，标高有变化处绘局部剖面，标出直径≥300mm预留洞的大小和位置，绘出洞边加强筋。

4)有圈梁时应注明编号、标高，圈梁可用小比例绘制单线平面示意图，门窗洞口处标注过梁编号。

5)楼梯间绘斜线并注明所在详图号。

6)屋面结构布置图应表示出屋面板的坡度、坡向、坡向起点及终点处结构标高、预留孔洞位置大小等，设置水箱处应表
示结构布置。

7)电梯间应绘制机房结构平面布置图，注明梁板编号、板的配筋、预留孔洞位置、大小及板底标高等。

8) 多层工业厂房还应表示运输线平面位置
6 计算简图
6.1 计算简图的内容
1、结构体系的简化
2、节点与支座的简化
3、杆件的简化
4、荷载的简化
框架结构的简化方法：采用手算的方法，把结构简化为平面框架。

6.2 梁、柱截面尺寸估算
1、框架梁：
按跨度：
h
b l h )4
1~21()121~81(0
== 按荷载： 0
0max 2
00max 25.0)8.0~6.0(bh f V V bh f M M c c b ≤=≤=α M 0、V 0：按简支梁计算的跨中弯矩和支座剪力 2、框架柱：
按层高估算：
h
b H
h )3/2~1()15/1~6/1(==
按轴压比估算： 负荷面积
负荷面积每平米均布荷载荷载分项系数平均值)15~12(25.1N A f N
c =⨯⨯≈α
≤
N ：基顶处的轴向力；α：与抗震等级有关的轴压比限值。

梁柱的截面尺寸应符合模数的要求。

6.3 梁柱惯性矩及线刚度
1、框架梁：
现浇楼盖 边框架梁： I=1.5I r 中框架梁：I=2I r 装配式整体楼盖 边框架梁： I=1.2I r 中框架梁：I=1.5I r 装配式楼盖 I=I r
I r ：框架梁按矩形部分计算的惯性矩。

2、柱：按实际截面尺寸计算
计算线刚度时，杆件长度按轴线中心取值。

内力计算时，假定各杆件弹性模量相等。

7 荷载计算
荷载计算时，先计算荷载的标准值。

1、恒载
恒载标准值=设计尺寸×材料自重标准值
恒载计算时注意：荷载大小与建筑做法有关，不要漏项。

墙计算时需扣除门窗洞口。

2、活载
活载取值根据房间的使用要求确定。

一般根据荷载规范取值。

计算活载时注意，当设计梁、柱、基础时，应按规定的情况乘以折减系数。

3、风载
计算风荷载时注意， 1) 左风、右风
2) 对框架结构计算，风荷载可以以集中力的形式出现。

3) 注意顶层、底层处的计算 4、地震作用
1) 地震作用计算方法的选择
不同的结构，应选择相应的地震作用的计算方法。

高度不超过40m ，且质量和刚度沿高度分布比较均匀的框架结构，可采用底部剪力法。

考虑要求手算，这里重点介绍底部剪力法。

考虑水平地震作用。

2) 重力荷载代表值G eq 的计算
建筑的重力荷载代表值应取结构和构配件自重标准值和各可变荷载值之和。

各可变荷载的组合值系数按下表取值。

可变荷载种类 组合值系数
雪荷载 0.5 屋面积灰荷载 0.5 屋面活荷载
不计入 按实际情况计算的楼面活荷载
1.0 按等效均布荷载计算的
楼面活荷载 藏书库、档案库 0.8 其他民用建筑 0.5 吊车悬吊物重力
硬钩吊车 0.3 软钩吊车
不计入
3) 结构自振周期
可采用顶点位移法和经验公式
A 、 顶点位移法： t T u T ψ7.11=
u T ：假想把集中在各层楼面处的重力荷载代表值G i 作水平荷载算得的结构顶点位移； ΨT ：为考虑非承重砖墙影响的折减系数，取0.6~0.7。

B 、 经验公式： 32
100069.033.0B
H T +=
H ：房屋主体结构的高度（m ）；B ：房屋振动方向的长度（m ）。

4) 水平地震作用标准值
Ek
n n n Ek n
j j
j
i
i i eq Ek F F n i F H
G H G F G F δδα=∆⋅⋅⋅=-=
=∑=)
2,1( )
1(1
1
F Ek ：结构总水平地震作用标准值；α1；相应于结构基本自振周期的水平地震影响系数，按规范计算；
G eq ：机构等效总重力荷载，多质点取总重力荷载代表值的85%；F i ：质点i 的水平地震作用标准值；G i 、G j ：分别为集中于质点i 、j 的重力荷载代表值；
H i 、H j ：分别为质点i 、j 的计算高度；Δn ：顶部附加地震作用系数，按规范采用。

注意：地震作用的方向有左、右之分。

楼面活载分配原则
楼面竖向荷载向支撑它的结构的分配按简支分配传递。

区格板长边/短边大于2，按单向板传力；区格板长边/短边小于或等于2，按双向板传力。

8 内力计算
采用手算方法时，一般沿两个正交主轴划分为若干个平面结构计算。

框架结构的内力计算可分为竖向荷载下的内力计算和水平荷载下的内力计算。

8.1 竖向荷载下的内力计算
8.1.1 竖向荷载的最不利布置方法有：
1、逐跨布置法
2、最不利荷载布置法
3、分层布置法或分跨布置法
4、满布荷载法
当活荷载与恒载的比值不大于1时，可不考虑活载的最不利布置，而把活荷载同时作用于所有的框架上。

但这是对活载产生的跨中弯矩要乘以1.1~1.2的增大系数进行调整。

上述方法中，1、2不适合手算。

8.1.2 竖向荷载下的内力计算方法
常用的手算方法有：分层法。

分层法：注意分层法的基本假定，各层柱的线刚度修正，梁段弯矩的调整。

无地震作用时
1.框架梁上荷载
2.框架柱上集中荷载
以上两项荷载计算时应注意：①应根据所设计的某榀框架的具体受力情况分层、分跨进行计算；②在分别计算出恒荷载和活荷载值以后，按恒荷载分项系数为1.2、活荷载分项系数为1.4计算荷载的设计值；③顶层的活荷载应采用屋面均布活荷载值。

3.重力荷载设计值作用下框架弯矩计算
（1）荷载计算简图：将上述计算的荷载值绘制在框架计算简图上。

（2）梁、柱转动刚度S及相对转动刚度S／：应根据计算简图和各杆件的线刚度按结构力学中的规定进行计算，可参见《抗震设计》中表4-18的格式进行。

（3）各节点杆件弯矩分配系数：μ= S／/∑S／，可参见《抗震设计》中表4-19的格式进行计算。

（4）梁固端弯矩计算：按照结构力学中的有关计算公式，分层、分跨计算各梁端的固端弯矩。

（5）弯矩分配与传递、杆端弯矩计算
计算方法及步骤可参见《抗震设计》中图4-20所示，计算中应注意：
①梁固端弯矩：对杆端顺时针转动为（＋）。

②第一次弯矩分配：将各节点不平衡弯矩（梁固端弯矩之和）改变（＋）、（－）符号后进行分配。

③弯矩传递：将所分配的弯矩向各杆件的远端传递，传递系数均为1/2，且不改变弯矩符号。

④第二次弯矩分配：再次将各节点不平衡弯矩（各杆件传递弯矩之和）改变（＋）、（－）符号后进行分配。

⑤上述4项弯矩之和，即为框架梁、柱的杆端弯矩。

（6）梁端弯矩的调幅
框架结构梁端的负弯矩较大，配筋较多，因而不便施工。

由于超静定钢筋混凝土结构具有塑性内力重分布的性质，所以在重力荷载作用下可乘以调幅系数β，适当降低梁端弯矩。

对现浇钢筋混凝土框架，可取β= 0.8～0.9。

梁端弯矩调幅后，不仅可以减少梁端配筋数量，达到施工方便的目的，而且还可以提高柱的安全储备，以满足“强柱弱梁”的设计原则。

（7）梁的跨中弯矩计算：根据梁上的荷载和调幅后的梁端弯矩计算各层、各跨梁的跨中弯矩。

4.梁端剪力计算：梁端剪力可根据梁端弯矩和梁上的荷载由梁杆件的平衡求得，可参见《抗震设计》中表4-20的格式进行计算。

5.柱轴力计算：柱轴力可根据梁端剪力和框架柱上集中荷载由节点平衡求得，可参见《抗震设计》中表4-21的格式进行计算。

6. 框架内力图
（1）框架梁、柱弯矩图：调幅后的梁端弯矩和相应的跨中弯矩值可用括号表示。

（2）框架梁剪力、柱轴力图
有地震作用时
1.框架梁上荷载
2.框架柱上集中荷载
以上两项荷载计算时应注意：①各层梁上、柱上的恒荷载和活荷载标准值与2.6.1中无地震作用时基本相同；②在分别计算出恒荷载和活荷载值以后，按恒荷载取标准值、活荷载乘以组合值系数后计算重力荷载的代表值；③顶层的活荷载应采用雪荷载值。

3.重力荷载代表值作用下框架弯矩计算
（1）荷载计算简图：将上述计算的荷载值绘制在框架计算简图上。

（2）梁固端弯矩计算：计算方法与2.6.1中无地震作用时相同。

（3）弯矩分配与传递、杆端弯矩计算：计算方法与2.6.1中无地震作用时相同。

（4）梁端弯矩的调幅：取调幅系数β= 0.8。

（5）梁的跨中弯矩计算：计算方法与2.6.1中无地震作用时相同。

4.梁端剪力计算：计算方法与2.6.1中无地震作用时相同。

5.柱轴力计算：计算方法与2.
6.1中无地震作用时相同。

6.框架内力图
（1）框架梁、柱弯矩图：调幅后的梁端弯矩和相应的跨中弯矩值可用括号表示。

（2）框架梁剪力、柱轴力图
8.2 水平荷载下的内力计算
常用的手算方法有：反弯点法、D值法（改进反弯点法）。

当i b/i c≥3时，可采用反弯点法；当i b/i c<3时，可采用D值法。

9 内力组合及截面配筋计算
9.1 控制截面
梁：左支座截面、跨中截面、右支座截面
柱：柱顶截面、柱底截面
9.1.1 控制截面的最不利内力类型
采用目标组合法。

梁：（1）支座截面－M max、V max；
（2）跨中截面：|M max|
柱：（1）M max及相应的N和V；
（2）－M max及相应的N和V
（3）N max及相应的M和V；
（4）N min及相应的M和V
（5）|V max|及相应的M和N
采用对称配筋时，1、2项可合并为|M max|及相应的N和V
9.1.2 控制截面的最不利内力计算
1、非抗震设计时
基本组合：S=1.2S Gk+1.4S Fk
S=1.2S Gk+1.4S Wk
S=1.2S Gk+0.85(1.4S Fk+1.4S Wk)
标准组合：S=S Gk+S Fk
S=S Gk+0.85(S Fk+S Wk)
2、抗震设计时
基本组合：S=1.2S GE+1.3S Ehk（只考虑水平地震作用的情况）
S=S GE+1.3S Ehk（当重力荷载效应对结构有利时）
标准组合：S=S GE+S Ehk
9.2截面配筋计算
1、非抗震设计时：S≤R
2、抗震设计时：S≤R/γRE
γRE：承载力抗震调整系数。

混凝土受弯构件、轴压比小于0.15的柱为0.75；轴压比不小于0.15的柱为0.80；其余为0.85。

配筋计算时需注意：
1、楼板与框架整体现浇时，梁截面跨中按T形截面考虑，支座按矩形截面考虑
2、梁端控制截面在柱边，以柱边截面进行M和V的内力计算
2
2
b q g V V b
V M M ）
（支
组支计支组支组支计+-=∙
-=
1、 抗震设计时，
梁截面计算时要满足抗震的要求。

对于三级抗震要求的框架梁要求： x≤0.35h 0，V≤0.2f c bh 0。

结构应进行强剪弱弯、强柱弱梁、强底层柱底等方面的调整。

对三级抗震框架： 1) 强柱弱梁调整：
梁柱节点处 ∑M=1.1∑M b
底层柱下端截面 其组合的弯矩设计值应乘以增大系数1.5
框架结构的角柱 在上述调整值的基础上，再乘不小于1.1的增大系数。

2) 框架梁端强剪弱弯调整
G b n r
b l b V l M M V ++=/)(1.1
V ：梁端组合剪力设计值；L n ：梁的净跨；V Gb ：梁在重力荷载代表值作用下，按简支梁分析的梁端结脉内剪力设计值；
M b l 、M b r ：分别为梁端左右反时针或顺时针方向组合的弯矩设计值。

3) 框架柱的柱端强剪弱弯调整
n b c t c H M M V /)(1.1+=
V ：梁端组合剪力设计值；H n ：柱净高；M c t 、M c b ：分别为梁端左右反时针或顺时针方向组合的弯矩设计值。

10 变形验算
框架结构的变形验算包括正常使用条件下的弹性变形验算及罕遇地震作用下薄弱层（部位）的抗震变形验算。

10.1正常使用条件下的弹性变形验算
计算框架结构在风荷载和水平地震作用下的水平侧移。

框架结构的层间侧移与顶点侧移要满足规范的限值要求。

层间侧移： ∑=
∆ij
pi
j D
V u
V pj ：第j 层的总剪力；∑D ij ：第j 层所有柱的抗侧刚度之和。

顶点侧移： ∑=∆=
n
j j
u
u 1
10.2 罕遇地震作用下薄弱层（部位）的抗震变形验算。

下列结构要进行罕遇地震作用下薄弱层（部位）的抗震变形验算： 1) 7度至9度设防且楼层屈服强度系数ξy 小于0.5的框架结构。

2) 甲类建筑。

除进行结构变形验算外，对框架梁，应进行裂缝宽度和挠度验算。

对柱应进行裂缝宽度验算。

对高层建筑还应进行稳定与倾覆验算。

11 绘制施工图
施工图应达到施工图的深度要求。

1、基础平面结构布置图及柱下独立基础的模板配筋图
2、标准层及屋顶平面结构布置图
3、所计算框架的模板配筋图及钢筋表
4、结构设计说明。