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框架结构设计5.1结构布置框架结构布置主要是确定柱在平面上的排列方式(柱网布置)和选择结构承重方案,这些均必须满足建筑平面及使用要求,同时也须使结构受力合理,施工简单。5.1.1柱网和层高民用建筑柱网和层高根据建筑使用功能确定。目前,住宅、宾馆和办公楼柱网可划分为小柱网和大柱网两类。小柱网指一个开间为一个柱距[图5.1.1(a,b)],柱距一般为3.3m,3.6m,4.0m等;大柱网指两个开间为一个柱距[图5.1.1(c)],柱距通常为6.0m,6.6m,7.2m,7.5m等。常用的跨度(房屋进深)有:4.8m,5.4m,6.0m,6.6m,7.2m,7.5m等。宾馆建筑多采用三跨框架。有两种跨度布置方式:一种是边跨大、中跨小,可将卧室和卫生间一并设在边跨,中间跨仅作走道用;另一种则是边跨小、中跨大,将两边客房的卫生间与走道合并设于中跨内,边跨仅作卧室,如北京长城饭店[图5.1.1(b)]和广州东方宾馆[图5.1.1(c)]。办公楼常采用三跨内廊式、两跨不等跨或多跨等跨框架,如图2.1.1(a),(b),(c)。采用不等跨时,大跨内宜布置一道纵梁,以承托走道纵墙。(1)横向框架承重。主梁沿房屋横向布置,板和连系梁沿房屋纵向布置[图5.1.2(a)]。由于竖向荷载主要由横向框架承受,横梁截面高度较大,因而有利于增加房屋的横向刚度。这种承重方案在实际结构中应用较多5.1.2框架结构的承重方案(2)纵向框架承重。主梁沿房屋纵向布置,板和连系梁沿房屋横向布置[图5.1.2(b)]。这种方案对于地基较差的狭长房屋较为有利,且因横向只设置截面高度较小的连系梁,有利于楼层净高的有效利用。但房屋横向刚度较差,实际结构中应用较少。(3)纵、横向框架承重。房屋的纵、横向都布置承重框架[图5.1.2(c)],楼盖常采用现浇双向板或井字梁楼盖。当柱网平面为正方形或接近正方形、或当楼盖上有较大活荷载时,多采用这种承重方案。以上是将框架结构视为竖向承重结构(verticalload-resistingstructure)来讨论其承重方案的。框架结构同时也是抗侧力结构(lateralload-resistingstructure),它可能承受纵、横两个方向的水平荷载(如风荷载和水平地震作用),这就要求纵、横两个方向的框架均应具有一定的侧向刚度和水平承载力。因此,《高层规程》规定,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。在框架结构布置中,梁、柱轴线宜重合,如梁须偏心放置时,梁、柱中心线之间的偏心距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,可增设梁的水平加腋(图5.1.3)。试验表明,此法能明显改善梁柱节点承受反复荷载的性能。梁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:bx/lx≤1/2,bx/bb≤2/3,bb+bx+x≥bc/2式中符号意义见图5.1.3。在框架结构设计中,应首先确定构件截面尺寸及结构计算简图,然后进行荷载计算及结构内力和侧移分析。5.2框架结构的计算简图5.2.1梁、柱截面尺寸框架梁、柱截面尺寸应根据承载力、刚度及延性等要求确定。初步设计时,通常由经验或估算先选定截面尺寸,以后进行承载力、变形等验算,检查所选尺寸是否合适。梁、柱截面尺寸框架梁、柱截面尺寸应根据承载力、刚度及延性等要求确定。初步设计时,通常由经验或估算先选定截面尺寸,以后进行承载力、变形等验算,检查所选尺寸是否合适。梁截面尺寸确定框架结构中框架梁的截面高度hb可根据梁的计算跨度lb、活荷载大等,按hb=(1/18~1/10)lb确定。为了防止梁发生剪切脆性破坏,hb不宜大于1/4净跨。主梁截面宽度可取bb=(1/3~1/2)hb,且不宜小于200mm。为了保证梁的侧向稳定性,梁截面的高宽比(hb/bb)不宜大于4。柱截面尺寸柱截面尺寸可直接凭经验确定,也可先根据其所受轴力按轴心受压构件估算,再乘以适当的放大系数以考虑弯矩的影响。即式中Ac为柱截面面积;N为柱所承受的轴向压力设计值;Nv为根据柱支承的楼面面积计算由重力荷载产生的轴向力值;1.25为重力荷载的荷载分项系数平均值;重力荷载标准值可根据实际荷载取值,也可近似按(12~14)kN/m2计算;fc为混凝土轴心抗压强度设计值。0.9~0.95≥N/AcfcN=1.25Nv框架柱的截面宽度和高度均不宜小于300mm,圆柱截面直经不宜小于350mm,柱截面高宽比不宜大于3。为避免柱产生剪切破坏,柱净高与截面长边之比宜大于4,或柱的剪跨比宜大于2。梁截面惯性矩在结构内力与位移计算中,与梁一起现浇的楼板可作为框架梁的翼缘,每一侧翼缘的有效宽度可取至板厚的6倍;装配整体式楼面视其整体性可取等于或小于6倍;无现浇面层的装配式楼面,楼板的作用不予考虑。设计中,为简化计算,也可按下式近似确定梁截面惯性矩I:0II式中:I0为按矩形截面(图5.2.2中阴影部分)计算的梁截面惯性矩;β为楼面梁刚度增大系数,应根据梁翼缘尺寸与梁截面尺寸的比例,取β=1.3~2.0,当框架梁截面较小楼板较厚时,宜取较大值,而梁截面较大楼板较薄时,宜取较小值。通常,对现浇楼面的边框架梁可取1.5,中框架梁可取2.0;有现浇面层的装配式楼面梁的β值可适当减小.5.2.2框架结构的计算简图1.计算单元框架结构房屋是由梁、柱、楼板、基础等构件组成的空间结构体系,一般应按三维空间结构进行分析。但对于平面布置较规则的框架结构房屋[图5.2.3],为了简化计算,通常将实际的空间结构简化为若干个横向或纵向平面框架进行分析,每榀平面框架为一计算单元,如图5.2.3(a)所示。就承受竖向荷载而言,当横向(纵向)框架承重时,截取横向(纵向)框架进行计算,全部竖向荷载由横向(纵向)框架承担,不考虑纵向(横向)框架的作用。当纵、横向框架混合承重时,应根据结构的不同特点进行分析,并对竖向荷载按楼盖的实际支承情况进行传递,这时竖向荷载通常由纵、横向框架共同承担。在某一方向的水平荷载作用下,整个框架结构体系可视为若干个平面框架,共同抵抗与平面框架平行的水平荷载,与该方向正交的结构不参与受力。每榀平面框架所抵抗的水平荷载,当为风荷载时,可取计算单元范围内的风荷载[图5.2.3(a)];当为水平地震作用时,则为按各平面框架的侧向刚度比例所分配到的水平力。2.计算简图将复杂的空间框架结构简化为平面框架之后,应进一步将实际的平面框架转化为力学模型[图5.2.3(b)],在该力学模型上作用荷载,就成为框架结构的计算简图。在框架结构的计算简图中,梁、柱用其轴线表示,梁与柱之间的连接用节点(beam-columnjoints)表示,梁或柱的长度用节点间的距离表示,如图5.2.4所示。由图可见,框架柱轴线之间的距离即为框架梁的计算跨度;框架柱的计算高度应为各横梁形心轴线间的距离,当各层梁截面尺寸相同时,除底层柱外,柱的计算高度即为各层层高。对于梁、柱、板均为现浇的情况,梁截面的形心线可近似取至板底。对于底层柱的下端,一般取至基础顶面;当设有整体刚度很大的地下室、且地下室结构的楼层侧向刚度不小于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍时,可取至地下室结构的顶板处。第二节多层多跨框架在竖向荷载作用下内力的近似计算——分层法一、计算假定二、计算单元选取三、计算结果处理一、计算假定1.不考虑结构的侧移。2.每层梁上的荷载对其它层梁的影响不计:本单元上梁弯距不在其它单元上进行分配计传递。3.活荷载一般按满布考虑,不进行各种不利布置的计算。4.除底层外,其它各层柱的线刚度乘以折减系数0.9,传递系数取1/3。二、计算单元选取每层框架梁连同上下层柱作为基本计算单元,柱远端按固定端考虑。三、计算结果处理1.弯距计算分配完成后,梁端弯距即为梁的平衡弯距。柱端弯距取相邻单元对应的柱端弯距之和。2.一般地,分层计算的结果,在各节点上的弯距不平衡,但误差不大可不计。如果较大时,可将不平衡弯距再进行一次分配。3.在竖向荷载作用下,梁端负弯距较大时,可考虑塑性内力重分布予以降低。4.为使梁跨中钢筋不至于过少,保证梁跨中截面有足够的承载力,经过调幅后的梁跨中弯距不小于按简支梁计算的跨中弯距的50%。5.梁端弯距调幅只对竖向荷载进行,水平力作用下的梁端弯距不允许调幅。框架混凝土柱截面尺寸边柱为500mm×500mm,中柱600mm×600mm。混凝土采用C20(fc=9.6N/mm2,ft=1.10N/mm2)。钢筋柱、梁受力筋采用Ⅱ级钢筋(fy=300N/mm2),板内及梁内其它钢筋采用Ⅰ级(fy=210N/mm2)框架梁及柱子的线刚度计算取①轴上的一榀框架作为计算简图,如图所示。梁、柱混凝土强度等级为C20,Ec=2.55×104N/mm2=25.5×106KN/m2。框架梁惯性矩增大系数:边框架取1.5,中框架取2.0。中框架梁的线刚度:Ib1=αbEIb/l=2.0121×25.5×106×0.3×0.73/6.6=66.28×103KN·m2×边框架梁的刚度:Ib2=αbEIb/l=1.5×121×25.5×106×0.3×0.73/6.6=49.70×103KN·m2底层中柱的线刚度:i底中=EIc/l=121×25.5×106×0.6×0.63/4.5=61.44×103KN·m2其余各层中柱的线刚度i其中=0.9EIc/l=0.9×121×25.5×106×0.6×0.63/4.5=55.30×103KN·m22弯矩二次分配法具体计算步骤:(1)根据各杆件的线刚度计算各节点的杆端弯矩分配系数,并计算竖向荷载作用下各跨梁的固端弯矩。(2)计算框架各节点的不平衡弯矩,并对所有节点的不平衡弯矩同时进行第一次分配(其间不进行弯矩传递)。(3)将所有杆端的分配弯矩同时向其远端传递(对于刚接框架,传递系数均取1/2)。(4)将各节点因传递弯矩而产生的新的不平衡弯矩进行第二次分配,使各节点处于平衡状态。至此,整个弯矩分配和传递过程即告结束。(5)将各杆端的固端弯矩、分配弯矩和传递弯矩叠加,即得各杆端弯矩。第三节多层多跨框架在水平荷载作用下内力的近似计算——反弯点法和D值法(一)反弯点法(二)D值法(一)反弯点法一、基本假定二、反弯点高度三、侧移刚度四、计算步骤五、反弯点法的适用条件一、基本假定1.梁柱线刚度比较大(ib/ic>3)时,节点转角很小,可忽略不计,即θ≈0。2.不考虑柱子的轴向变形,故同层各节点水平位移相等。3.底层柱与基础固接,线位移与角位移均为0。混凝土结构设计3.6.2水平荷载作用下的内力近似计算方法反弯点法适用于梁柱线刚度比不小于3的框架结构;常用于在初步设计中估算梁和柱在水平荷载作用下的弯矩值。二、反弯点高度1.反弯点高度y是指反弯点至柱下端的距离。2.对于上层各柱,假定反弯点在柱中点。即yi=hi/2(i=2,3,…,n);3.对于底层柱,由于底端固定而上端有转角,反弯点向上移,通常假定反弯点在距底端2h1/3处(y1=h1/2)。混凝土结构设计(1)反弯点位置弯矩为零的点(反弯点)的位置按下图取值(以EI梁=∞为前题)。反弯点位置图三、柱的侧移刚度d当梁的线刚度比柱的线刚度大得多时(如ib/ic>3),可近似认为结点转角均为零。柱的剪力与水平位移的关系为侧移刚度d——柱上下两端相对有单位侧移(δ=1)时柱中产生的剪力,d=V/δ=12ic/h2212hiVc(2)反弯点处的剪力计算柱的剪力按同层柱的抗侧移刚度之比分配。柱的抗侧移刚度为:EIci——第i根柱的刚度;hi——第i根柱的柱高。3c12iiihEIDDi2c6iihEI2c6iihEI3c12iiihEID四、计算步骤1.确定柱反弯点高度2.计算柱反弯点处的剪力3.计算柱端弯矩4.计算梁端弯矩5.求其它内力2.计算柱反弯点处的剪力求出任一楼层的层总剪力,在该楼层各柱之间的分配。(1)框架的层间总剪力Vpj设框架结构共有n层,外荷载(Fi)在第j层产生的层间总剪力Vpj为:式中Fi——作用在框架第i层节点处的水平力。njiinjjpj
本文标题:多层钢筋混凝土框架结构设计
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