高层建筑结构-框架结构设计

框架结构设计1框架结构的受力特点一般情况下，框架底部柱M、N、V最大，往上逐渐减小，底部柱多属于小偏心受压构件，顶部几层可能为大偏心受压构件。当荷载条件大致相同时，各层框架梁M、V较为接近，变化不大。框架结构的水平侧移由两部分组成：剪切变形：这是由框架整体受剪，梁柱杆件发生弯曲变形而产生的水平位移，一般底层层间变形最大，向上逐渐减小。弯曲变形：这是由框架在抵抗倾覆弯矩时发生的整体弯曲，由柱子的拉伸和压缩而产生的水平位移。当框架结构高宽比不大于4时，框架水平侧移中弯曲变形部分所占比例很小，位移曲线一般呈剪切型。2框架结构设计应注意的几个问题框架结构的适用范围单跨框架的规定框架结构砌体填充墙混合承重框架结构与框架-剪力墙结构的选择框架结构的适用范围非抗震设计时的多层及高层建筑抗震设计时的多层及小高层建筑（7度区以下）高烈度区不宜采用纯框架结构一般8度区高度超过20m采用框架结构不经济，因此6层以上的建筑结构宜采用框架-剪力墙结构或壁式框架单跨框架的规定抗震设计的框架结构不宜采用单跨框架。因为单跨框架的耗能能力较弱，超静定次数少，一旦柱子出现塑性铰（在强震时不可避免），出现连续倒塌的可能性很大。框架结构砌体填充墙《高层规程》规定，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。混合承重《高层规程》规定，框架结构按抗震设计时，不应部分采用由砌体墙承重的混合形式。框架结构中的楼、电梯间及局部突出屋顶的倒塌机房、楼梯间、水箱间等，应采用框架承重，不应采用砌体墙承重。框架结构与框架-剪力墙结构的选择《高层规程》规定，抗震设计的框架结构中，当仅布置少量钢筋混凝土剪力墙时，结构分析计算时应考虑剪力墙与框架的协同工作。如楼、电梯间位置较偏而产生较大的刚度偏心时，宜将此种剪力墙减薄、开竖缝、开结构洞、配置少量单排钢筋等措施，减小剪力墙的作用，并宜增加与剪力墙相连的柱子配筋。3框架结构计算简图的确定计算单元的选取计算单元选取计算简图实际结构l01l02计算简图4框架结构的内力计算竖向荷载作用下的框架结构内力计算分层法弯矩二次分配法水平荷载作用下的框架结构内力计算反弯点法D值法1竖向荷载作用下的框架结构内力计算分层法基本假定忽略垂直荷载作用下框架结构的侧移；每层梁上的荷载只在本层梁及与其相连的上、下层柱产生内力，不在其他层梁和其他层柱上产生内力。根据以上假定，多、高层框架可分层作为若干个彼此互不关连的且柱端为完全固定的简单刚架近似计算。简单刚架可用弯矩分配法计算，一般循环2次。分层法计算示意图注意事项：由于除底层外上层各柱的柱端实际为弹性固定，计算简图中假定为完全嵌固，为减少计算误差，除底层柱外，上层各柱的线刚度乘以0.9的修正系数。线刚度修正考虑除支座外，框架各节点为弹性固定，因此底层柱的弯矩传递系数取1/2，其他各层柱的弯矩传递系数取1/3；传递系数修正分层法计算的各梁弯矩为最终弯矩，各柱的最终弯矩为与各柱相连的两层计算弯矩叠加；在内力与位移计算中，所有构件均可采用弹性刚度。)('21iikikikii…3-921'ik基本步骤：将框架分层将除底层柱之外的所有层柱的线刚度均乘以0.9;分层后的简单框架可用弯矩分配法计算。用不来将，每一节点经过二次分配就足够了；采用弯矩分配法的计算过程中，柱传递系数取1/3，但对底层仍取1/2；梁的弯矩为最后弯矩，柱的弯矩为上下层取代数和；若节点处不平衡弯矩较大，在分配一次。弯矩二次分配法首先计算框架各构件的刚度和分配系数；计算框架各层梁端在竖向荷载作用下的固端弯矩；计算框架各节点的不平衡弯矩，并将每一节点的不平衡弯矩同时进行分配并向远端传递，传递系数仍为1/2；进行两次分配后结束（仅传递一次，但分配两次）；水平荷载作用下的框架结构内力计算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。（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（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。3c12iiihEID…3-16Di2c6iihEI2c6iihEI3c12iiihEID以三层框架为例，用反弯点法计算水平荷载作用下框架的内力。顶层因此各柱的剪力为：313133332313333333332323313133332310jDFDDDFΔDVΔDVΔDVFVVVX331333FDDVjjjj…3-17…3-18第二层各柱的剪力为：2331222FFDDVjjjj…3-19第一层各柱的剪力为：12331111FFFDDVjjjj…3-20（3）弯矩图绘制柱端弯矩：已知反弯点处的剪力值便可以求出每一根柱各截面的弯矩。梁端弯矩：分边柱节点和中间柱节点两种情况处理。边节点：c2c1bMMMcbMM中节点：c2c1b2b1b1b1MMiiiMc2c1b2b1b2b2MMiiiMcb2b1b1b1MiiiMcb2b1b2b2MiiiMD值法（1）反弯点法的问题柱的抗侧刚度只考虑了柱的线刚度和柱高，未考虑节点梁柱线刚度比的影响；认为反弯点的位置是固定不变的，实际上它与梁柱线刚度之比、柱的位置、上下层梁的线刚度大小、上下层层高、框架的总层数等因素有关。（2）D值法的基本思想与反弯点法相比：相同之处先确定反弯点位置不同之处考虑了上述因素的影响，对柱的抗侧刚度和柱的反弯点位置进行了修正。因此，D值法又称为修正的反弯点法，适用于梁柱线刚度比小于3的情况。（3）柱的抗侧刚度式中，αc——柱抗侧移刚度修正系数，按下表的公式计算。柱的部位及固定情况一般层底层，下面固支底层，下端铰支αcc43212iiiiiiii2cc21iiiiii25.0cc21iiiiii215.0ci1i2ici3i4i1i2ici1i2ic3c1c12hEIDD…3-21（4）修正的反弯点高度式中y0——标准反弯点高度比；y1——因上、下层梁刚度比变化的修值；y2——因上层层高变化的修正值；y3——因下层层高变化的修正值。hyVMyhVMiABiBA1柱端弯矩ViVi3210yyyyy…3-225框架结构的最不利内力及内力组合控制截面框架梁柱最不利内力组合梁端弯矩调幅控制截面控制截面梁：跨中、支座截面柱：柱顶、柱底截面梁控制截面柱控制截面框架梁柱最不利内力组合梁跨中截面：+Mmax及相应的V（正截面设计）梁支座截面：--Mmax及相应的V（正截面设计）Vmax及相应的M（斜截面设计）柱截面：+Mmax及相应的N、V--Mmax及相应的N、VNmax及相应的M、VNmin及相应的M、VVmax及相应的M、N梁端弯矩调幅竖向荷载下框架梁端弯矩的调幅在竖向荷载作用下，可以考虑梁端塑性变形内力重分布，减小梁端负弯矩，相应增大梁跨中弯矩。调幅后的支座弯矩为：=βM式中——梁支座截面调幅后的弯矩；M——梁支座调幅前按弹性方法计算的弯矩；β——调幅系数，现浇框架：0.8~0.9装配式框架：0.7~0.8。'M'M截面设计时，梁跨中正弯矩至少应取按简支梁计算的跨中弯矩之半。如为均布荷载，则2161lqgM中竖向荷载产生的梁的弯矩应先调幅，再与风荷载和水平地震作用产生的弯矩进行组合。调幅后的跨中弯矩为：21RLCMMMMMMMMLMRΔM6框架梁设计框架梁承载力计算框架梁的构造要求框架梁承载力计算自学框架梁的构造要求框架结构的主梁截面高度hb可按（1/10～1/18）lb确定，lb为主梁计算跨度；梁净跨与截面高度之比不宜小于4。梁的截面宽度不宜小于200mm，梁截面的高宽比不宜大于4。梁的截面高度梁的纵向钢筋要求沿梁全长顶面和底面应至少各配置两根纵向配筋，一、二级抗震设计时钢筋直径不应小于14mm，且分别不应小于梁两端顶面和底面纵向配筋中较大截面面积的1/4；三、四级抗震设计和非抗震设计时钢筋直径不应小于12mm；一、二级抗震等级的框架梁内贯通中柱的每根纵向钢筋的直径，对矩形截面柱，不宜大于柱在该方向截面尺寸的1/20；对圆形截面柱，不宜大于纵向钢筋所在位置柱截面弦长的1/20。纵向受拉钢筋的最小配筋百分率ρmin（%），非抗震设计时，不应小于0.2和45ft/fy二者的较大值；抗震设计时，不应小于表6.3.2-1规定的数值；框架梁箍筋构造规定（非抗震设计）应沿梁全长设置箍筋；截面高度大于800mm的梁，其箍筋直径不宜小于8mm；其余截面高度的梁不应小于6mm。在受力钢筋搭接长度范围内，箍筋直径不应小于搭接钢筋最大直径的0.25倍。箍筋间距不应大于表6.3.5的规定；在纵向受拉钢筋的搭接长度范围内，箍筋间距尚不应大于搭接钢筋较小直径的5倍，且不应大于100mm；在纵向受压钢筋的搭接长度范围内，箍筋间距尚不应大于搭接钢筋较小直径的10倍，且不应大于200mm；当梁的剪力设计值大于0.7ftbh0时，其箍筋面积配筋率应符合下式要求：当梁中配有计算需要的纵向受压钢筋时，其箍筋配置尚应符合下列要求：1）箍筋直径不应小于纵向受压钢筋最大直径的0.25倍；2）箍筋应做成封闭式；3）箍筋间距不应大于15d且不应大于400mm；当一层内的受压钢筋多于5根且直径大于18mm时，箍筋间距不应大于10d（d为纵向受压钢筋的最小直径）；4）当梁截面宽度大于400mm且一层内的纵向受压钢筋多于3根时，或当梁截面宽度不大于400mm但一层内的纵向受压钢筋多于4根时，应设置复合箍筋。框架梁箍筋构造规定（抗震设计）延性要求抗震设计时，计入受压钢筋作用的梁端截面混凝土受压区高度与有效高度之比值，一级不应大于0.25，二、三级不应大于0.35；抗震设计时，梁端纵向受拉钢筋的配筋率不应大于2.5%；框架梁沿梁全长箍筋的面积配筋率应符合下列要求：抗震设计时，梁端箍筋的加密区长度、箍筋最大间距和最小直径应符合表6.3.2-2的要求；当梁端纵向钢筋配筋率大于2%时，表中箍筋最小直径应增大2mm。第一个箍筋应设置在距支座边缘50mm处；在箍筋加密区范围内的箍筋肢距：一级不宜大于200mm和20倍箍筋直径的较大值，二、三级不宜大于250mm和20倍箍筋直径的较大值，四级不宜大于300mm；箍筋应有135°弯钩，弯钩端头直段长度不应小于10倍的箍筋直径和75mm的较大值；在纵向钢筋搭接长度范围内的箍筋间距，钢筋受拉时不应大于搭接钢筋较小直径的5倍，且不应大于100mm；钢筋受压时不应大于搭接钢筋较小直径的10倍，且不应大于200mm；框架梁非加密区箍筋最大间距不宜大于加密区箍筋间距的2倍。梁的纵向受力钢筋要求纵向受拉钢筋的最小配筋百分率ρmin（%），非抗震设计时，不应小于0.2和45ft/fy二者的较大值；抗震设计时，不应小于表6.3.2-1规定的数值；抗震设计时，梁端截面的底面和顶面纵向钢筋截面面积的比值，除按计算确定外，一级不应小于0.5，二、三级不应小于0.3；框架梁、柱，其受剪截面应符合下列要求强剪弱弯7框架柱设计框架柱承载力计算•自学框架柱构造要求一般要求柱截面尺寸矩形截面柱的边长，非抗震设计时不宜小于250mm，抗震设计时不宜小于300mm；圆柱截面直径不宜小于350mm；柱剪跨比宜大于2；柱截面高宽比不宜大于3。框架柱的截面尺寸宜满足轴压比要求030clb025clhccNAf框架梁、柱，其受剪截面应符合下列要求：柱纵向钢筋要求抗震设计时，宜采用对称配筋；抗震设计时，截面尺寸大于400mm的柱，其纵向钢筋间距不宜大于200mm；非抗震设