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1、1,3.3 框架结构构件设计,第3章 多层框架结构,3.1 多层框架结构组成与布置,3.2 框架结构分析,3.4 框架结构基础设计,2,框架设计,3.1 组成与布置,框架结构是多层房屋的主要结构形式，也是高层建筑的基本结构单元。,3,框架设计,3.1 组成与布置,3.1.1 框架结构种类,按所用材料：,混凝土框架结构,钢框架结构,组合框架结构（钢骨混凝土、钢管混凝土）,3.1.1种类,4,装配式混凝土框架,装配整体式混凝土框架,装配整体式混凝土框架,装配整体式混凝土框架,5,框架设计,3.1 组成与布置,3.1.1种类,3.1.2组成,框架结构由梁、柱连结而成。梁柱一般为刚接，有时为了方便施工
2、也有做成铰接或半铰接（半刚接的）。,3.1.2 框架结构组成,6,框架设计,3.1 组成与布置,种类,组成,柱截面,实腹式（矩形、箱形、圆形、I形、H形、L形、T形、十字形等）,格构式,（对钢结构而言）,7,框架设计,3.1 组成与布置,种类,组成,混凝土梁形式,8,3.1.3 框架结构布置,一、柱网布置,典型的柱网有内廊式、等跨式和不等跨式。,内廊式,等跨式,框架设计,3.1 组成与布置,种类,组成,布置,满足建筑功能的要求,原则,9,结构受力合理（均匀、对称、对直、贯通，尽量避免缺梁抽柱）,10,方便施工,框架设计,3.1 组成与布置,种类,组成,布置,11,二、承重（竖向荷载）框架的布置
3、,横向框架承重方案,纵向布置连系梁。横向抗侧刚度大。有利采光和通风。,框架设计,3.1 组成与布置,种类,组成,布置,12,纵横向框架承重方案,两个方向均有较好的抗侧刚度。,框架设计,3.1 组成与布置,3.1.1种类,3.1.2组成,3.1.3布置,13,板柱结构,框架设计,3.1 组成与布置,3.1.1种类,3.1.2组成,3.1.3布置,14,四、变形缝设置,三、框架的立面布置,规则框架,框架设计,3.1 组成与布置,种类,组成,布置,15,16,17,3.1.4 梁柱截面尺寸的估算,混凝土柱,根据柱的负荷面积，估算柱在竖向荷载下的轴力,3.2.1 框架分析模型,一、计算单元,满足结构均
4、匀、荷载均匀，可用平面框架代替空间框架。对横向和纵向分别取图示计算单元作为分析的对象。,框架设计,分析模型,3.2 框架结构内力与侧移的近似计算方法,3.1 组成与布置,3.2 结构分析,二、结构形式、轴线尺寸及截面特征,结构形式：梁柱刚接，柱固接于基础顶面。,框架设计,3.2.1分析模型,3.1 组成与布置,3.2 结构分析,对于砼梁,整体式楼盖,梁：考虑楼板的作用。,中框架,边框架,装配整体式楼盖,中框架,边框架,装配式楼盖,框架设计,3.2.1分析模型,3.1 组成与布置,3.2 结构分析,21,三、荷载,竖向荷载,自重,楼面活荷载,水平荷载,风荷载,地震作用,楼面荷载,对于单向板则仅短
5、跨方向的梁承受均布荷载；,框架设计,3.2.1分析模型,3.1 组成与布置,3.2 结构分析,22,水平荷载简化为节点荷载,i,j,k,l,m,n,3.2.2 竖向荷载下的分层法,一、基本假定,框架没有侧移；,每一层框架梁上的竖向荷载只对本层的梁及与本层梁相连的框架柱产生弯矩和剪力，忽略对其它各层梁、柱的影响。,二、简化计算模型,多层框架在各层竖向荷载同时作用下的内力，可以分解为一系列开口框架进行计算。除底层柱子外，其余各层柱的线刚度乘以0.9的折减系数，弯矩传递系数取为1/3。,三、计算方法,用弯矩分配法计算各开口框架的内力；,开口框架梁的内力即为原框架相应层的内力；原框架柱的内力需将相邻两
6、个开口框架中相同柱号的内力叠加；,内力叠加后对于不平衡弯矩较大的节点，可再作一次分配，但不传递。,梁柱弯距,26,梁剪力,27,假定梁与柱铰接，于是柱轴力等于简支梁的支座反力。,柱轴力,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,3.2.3 水平荷载下的反弯点法,假定：框架梁的线刚度相对框架柱的线刚度为无限大。则在忽略柱子轴向变形的情况下，节点的转角为零。,在工程设计中，底层柱的反弯点取为距基础顶面2/3柱高处；其余各层柱的反弯点取为柱高的中点。,一、简化分析模型,二、计算方法,将框架在某一层的反弯点切开。,根据几何条件（忽
7、略梁轴向变形）,求柱剪力,根据平衡条件，有,当杆件两端发生单位侧移时，杆件内的剪力称为抗侧刚度，用表示。如果杆件两端没有转角，杆件内的剪力为：,抗侧刚度 为：,逐层取脱离体，利用上式求得各柱剪力后，根据各层反弯点位置，可以求出柱上、下端的弯矩,底层柱：,其余层柱：,求柱端弯矩,求梁端弯矩,求柱轴力,从上到下利用节点竖向力平衡条件。,3.2.4 水平荷载下的修正反弯点法,对于两端同时存在转角位移和相对线位移的杆件，其转角位移方程可以为：,在反弯点法中，各层柱的反弯点位置是一个定值，各柱的抗侧刚度只与柱本身有关。,可见反弯点位置与 有关；同样，柱的抗侧刚度也与 有关。,一、修正抗侧刚度,柱AB两端
8、节点及上下、左右相邻节点的转角全等于；,柱AB及与其上下相邻柱的旋转角均为；,柱AB及与其上下相邻柱的线刚度均为。,假定：,其中：,柱AB剪力：,二、修正反弯点高度,作如下假定：,同层各节点的转角相等；,横梁中点无竖向位移。,各柱的反弯点高度与该柱上下端的转角比值有关。影响转角的因素有：层数、柱子所在层次、梁柱线刚度比及上下层层高变化。,梁柱线刚度比及层数、层次对反弯点高度的影响,假定梁的线刚度、柱的线刚度和层高沿框架高度不变，按图示计算简图可求出各层柱的反弯点高度，称为标准反弯点高度。,层高变化对反弯点高度的影响,上层层高变化，反弯点高度的变化值用表示；下层层高变化，反弯点高度的变化值用 表
9、示。,60,61,62,63,64,65,66,67,68,69,3.2.5 水平荷载下的侧移计算及限值,框架结构水平荷载下的侧移由两部分组成：梁柱弯曲变形引起的侧移和柱轴向变形引起的侧移。,一、梁柱弯曲变形引起的侧移,顶点侧移：,层间侧移：,二、柱轴向变形引起的侧移,水平荷载作用下，外侧柱子的轴力大，内侧柱子的轴力小。为了简化，忽略内柱的轴力。,近似取外侧柱轴力为：,在高度z处,是水平外荷载在框架底面产生的总剪力。,对于高度不大于50m或高宽比H/B4的钢筋混凝土框架办公楼，柱轴向变形引起的顶点位移约占框架梁柱弯曲变形引起的顶点侧移的5%11%。,框架结构除了要保证梁的挠度不超过规定值外，尚
10、应验算结构的侧向位移。结构侧向位移的验算包括层间位移和顶点位移，要求分别满足：,三、侧移的限值,3.2.6 框架结构的 效应,结构的内力分析一般不考虑变形对几何尺寸的影响。,对于图示框架，水平荷载下的侧移将使竖向荷载P产生附加内力和变形，这种现象称为 效应。,由于 效应是在一阶侧移基础上产生的，所以又称为二阶效应，相应的结构分析称为二阶分析。,二阶分析属非线性分析，相当复杂，目前采用柱计算长度的方法近似考虑二阶效应。,3.2.5侧移计算,3.2.4修正反弯点法,3.2.3反弯点法,框架设计,3.2.1分析模型,3.1 组成与布置,3.2 结构分析,3.2.2分层法,在层高范围内，框架柱是等截面
11、的，每个截面具有相同的抗力；框架柱的弯矩、轴力沿柱高为线性变化（层高范围内剪力相等），因而上、下端截面为控制截面。,3.4.1 设计内力,3.4 框架结构构件设计,一、控制截面,框架梁两端的剪力和负弯矩最大，跨中正弯矩最大，因而控制截面有三个：左右端截面和跨中截面。,框架设计,3.1 组成与布置,3.4.1设计内力,3.2 结构分析,3.4 构件设计,3.3 支撑框架,仅考虑荷载效应最大的一项可变荷载，以标准值为代表值,所有可变荷载以组合值为代表值，简化组合系数取0.90,三、荷载效应组合,框架结构一般由可变荷载效应控制,基本组合可采用简化规则：,1.2恒载标准值+1.4楼面活荷载标准值,1.
12、2恒载标准值+1.4风荷载标准值,1.2恒载标准值+1.4(0.9楼面活荷载标准值+0.9风荷载标准值）,框架设计,3.1 组成与布置,3.4.1设计内力,3.2 结构分析,3.4 构件设计,3.3 支撑框架,四、竖向活荷载的最不利作用位置,利用影响线可确定竖向活荷载的最不利作用位置。,框架设计,3.1 组成与布置,3.4.1设计内力,3.2 结构分析,3.4 构件设计,3.3 支撑框架,当竖向活荷载作用下的内力采用分层法计算时，对于梁端弯矩只需考虑本层活荷载的最不利布置；,对于柱端弯矩只需考虑相邻上下层的活荷载最不利布置；,对于柱最大轴力，可根据负荷范围计算。,框架设计,3.1 组成与布置,
13、3.4.1设计内力,3.2 结构分析,3.4 构件设计,3.3 支撑框架,内力分析得到的梁端弯矩、剪力是指轴线处的，设计时可取梁端柱边的弯矩和剪力：,六、设计内力的修正,均布荷载,集中荷载,框架设计,3.1 组成与布置,3.4.1设计内力,3.2 结构分析,3.4 构件设计,3.3 支撑框架,3.4.2 混凝土框架构件设计,一、柱的计算长度,现浇楼盖,底层柱段,其余各层,装配楼盖,底层柱段,其余各层,一般刚接框架：,3.4.2砼构件设计,框架设计,3.1 组成与布置,3.4.1设计内力,3.2 结构分析,3.4 构件设计,3.3 支撑框架,二、砼框架梁柱节点,顶层中节点,三、叠合梁设计,1.概
14、述,是指在预制砼构件上再现浇一层砼形成共同工作的整体构件。,组成：预制部分和后浇叠合层,施工方法：预制部分吊装就位后浇叠合层,2.受力特点,86,，叠合梁在施工阶段的钢筋应变、挠度、裂缝宽度大于相同条件的整浇梁；,可见：,由于 的存在，,在分析开裂截面的应力时通常略去受拉砼的作用。ABC区域尽管在M2作用下是拉应变，但实际上是在抵消M1作用下的压应变，这一附加拉力不应忽略，其值用 表示；,87,即叠合构件的钢筋应力、挠度和裂缝宽度大于相同条件的整浇梁，这种现象称钢筋应力超前；,即叠合构件压区边缘的砼应变小于对应的整浇梁，这种现象称砼应变滞后。,4.设计方法,施工阶段（第一阶段）,按简支构件计算
15、预制部分的受弯和受剪承载力。荷载：自重和施工荷载。,使用阶段（第二阶段）,承载能力极限状态,正常使用极限状态,正截面承载力,斜截面承载力,叠合面受剪承载力,裂缝宽度（抗裂，对预应力叠合构件）计算,挠度计算,混凝土强度取值：,抗弯计算：正弯矩取叠合层强度；负弯矩取预制部分强度。,抗剪计算：取预制部分和叠合层两者强度的较小值。,叠合面受剪承载力应满足：,一阶段荷载和二阶段增加的荷载下的钢筋应力应分别计算。,3.5.1 基础类型及其选型,片筏基础,93,片筏基础,桩基础,95,单桩承台,双桩承台,三桩承台,3.5.2 基础分析模型,上部结构、基础和地基是一个整体。为了减少计算工作量，简化分析模型常将
16、上部结构与地基基础分开分析；,任何一种分析模型都必须满足上部结构与基础、基础与地基之间的力的平衡和变形协调条件；,基础受到来自上部结构的荷载和地基反力，前者通过上部结构内力分析得到，后者涉及地基模型。,97,一、地基模型,文克勒地基模型,地基上任一点所受的压力强度p与该点的地基沉降s成正比，,称为基床系数。,某点沉降与其他点上作用的压力无关，可以将地基看成一个个独立的土柱，类似一根根弹簧，该模型又称为弹簧地基模型。,按照这一模型，地基沉降只发生在基地范围内，附加应力不会扩散。比较适用土层厚度不超过梁或板的短边宽度一半的薄压缩层地基。,98,半空间地基模型,弹性半空间表面作用竖向集中荷载P时，任
17、一点地基表面的沉降可表示为,该模型的扩散范围往往超过实际情况。,二、基础模型,刚性基础模型,假定：基础刚度无限大,基础沉降线性分布,地基沉降线性分布,基础与地基之间需保持变形协调,基础受荷后仅发生刚体位移,地基反力线性分布,根据文克勒地基模型,求出地基反力,根据静力平衡条件,弹性基础模型,地基系数法,根据基础梁的挠度等于地基沉降以及地基沉降与基底反力之间的关系建立基础梁的弹性挠曲线微分方程；,P0,w,p,基础梁挠度微分方程为,x,其中,102,求解微分方程，利用边界条件确定积分常数；,求得基础梁的挠度后，利用挠度与截面弯矩、剪力的关系，得到基础梁截面内力。,集中力P0作用于无限长梁时，作用点
18、的沉降为：,3.5.3 条形基础设计,一、内力分析,确定基底反力和基础底面尺寸,B,11,N1,M1,Ni,Mi,L,1,1,静力法,基础梁内力计算用地基净反力。,基础梁受柱子内力和地基净反力，用截面法可求出任一截面的弯矩和剪力。,静力法与倒梁法的比较,除非用倒梁计算出的支座反力未经调整刚好等于柱轴力，两者的结果才会一致。,上部结构刚度较小时，静力法较适用；上部结构刚度较大时，倒梁法较适用；必要时可参考上述两种简化计算结果的内力包络图进行截面设计。,静力法通过将柱子内力直接作用于基础来满足力的平衡；柱子自动具有与接触点基础梁相同的变形。,倒梁法的柱与基础铰接，基础在铰接点具有与柱相同的变形；而
19、力的平衡是通过不断调整局部基底反力来满足。,二、截面设计,肋梁,受弯承载力,受剪承载力,抗冲切承载力,翼板,受弯承载力,抗冲切承载力,3.5.4 十字形基础的内力分析,一、上部结构刚度很大,二、上部结构刚度很小,Ni,Miy,Mix,将柱子的轴力和力矩直接作用于十字梁基础的交叉节点上；,对于力矩，假定完全由作用方向的基础梁承担；,对于节点竖向力根据静力平衡条件和变形协调条件在两个方向的基础梁之间分配。,对任一节点，有,三、近似方法,计算各节点的竖向位移时，不考虑相邻荷载的影响。,中柱节点,计算纵横基础上在该节点处的竖向位移时，仅考虑 的作用，并将纵横两向的条形基础视作文克勒地基上无限长梁。,3.5.5 片筏基础内力分析要点,上部结构刚度较小时，可直接将柱子轴向力和力矩作用于基础。,对于平板式基础可以采用地基系数法、有限差分法等确定基底反力和进行板的内力分析。,上部结构刚度较大时，可将片筏基础作为倒置的楼盖，以柱子为支座。采用文克勒地基模型，当假定基础为刚性时，基底反力线性分布，,
