混凝土结构设计原理第3章多层和高层框架结构

第3章 多层和高层框架结构3.1 3.1 概述概述u 多层与高层建筑结构的定义 我国高层建筑混凝土结构技术规程JGJ 32002 规定 10层及 10 层以上或高度超过28m的民用建筑为高层建筑结构u 多高层建筑的结构体系等 主要有框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构、框支剪力墙结构，筒体结构(包括框架核心筒结构、筒中筒结构)以及其他复杂高层结构形式，如带转换层高层建筑结构形式，多塔结构形式，另外还有型钢混凝土构件组合的混合结构形式。u 框架结构框架结构体系由框架梁、柱、板等主要构件组成3.2 框架结构的布置方法：框架结构的布置方法：3.2.1 结构布置的原则 既要满足生产工艺和建筑平面布置的要求，又要使结构受力合理，施工方便。1.钢筋混凝土多高层建筑的适用高度和高宽比 2 结构竖向布置应力求自下而上刚度变化均匀，体型均匀不突变，外形尽量减少外挑、内收等。3 合理设置变形缝，变形缝包括伸缩缝、沉降缝和防震缝。沉降缝沉降缝：高层建筑解决建筑各部分沉降差大体上有三种方法处理：其一是设置沉降缝，称为“放”；其二是采用端承桩或利用刚度较大的其他基础来避免和抵抗沉降差，称之为“抗”；其三是采用留后浇带来作为临时沉降缝等沉降基本稳定后再连为整体，不设永久性沉降缝，称为“调”。沉降缝位置沉降缝位置：建筑平面转折部位；高度差异较大处；地基土的压缩性有明显的差异处；建筑结构或基础类型不同处；分期建设房屋交界处。沉降缝设置的宽度沉降缝设置的宽度：二、三层取 50 mm80 mm，四、五层取 80 mm120 mm，五层以上不小于 120 mm。在沉降缝处房屋应连同基础一起断开。防震缝防震缝：建筑物各部分层数、质量、刚度差异过大或有错层时，采用防震缝分开。防震缝最小宽度要求防震缝最小宽度要求：不小于70mm，对于6度地区最小宽度4H+10，7度5H-5，8度7H-35，9度10H-80（mm）3.2.2 结构布置方法横向布置、纵向布置和双向布置3.3 3.3 截面估算截面估算3.3.1 框架梁（扁梁）3.3.2 3.3.2 框架柱框架柱或：矩形柱最小截面250mm，圆形柱最小截面350mm,高宽比不宜大于3，沿高度方向变化不宜过多3.4 3.4 计算简图的确定计算简图的确定1.计算单元的确定 框架结构建筑是一个由纵横向框架组成的空间结构体系。在一般情况下，为简化计算，常常把它们简化成平面框架进行内力分析计算。例如横向框架结构布置体系就是把结构简化为横向平面框架而纵向简化为联系梁受力的一种简化模式。2、层高高和跨度的确定 在结构计算简图中，杆件用轴线来表示。框架的跨度取柱子轴线之间的距离，当上下层柱截面尺寸变化时，一般以最小截面的形心线来确定，框架的层高即柱的计算长度可取相应的建筑层高3、节点简化 在现浇钢筋混凝土结构中，节点核心区和梁柱混凝土一次浇捣，通常把其简化为刚性节点刚性节点。装配框架整浇式节点是使用后浇混凝土将梁与柱连接部位的节点浇筑为整体的一种连接方式，可简化为刚性节点。全装配式框架结构则是在梁底和柱的某些部位预埋钢板，安装就位后进行再焊接。由于钢结构节点的自身变形能力较大，焊接质量也难以保证，梁柱间会产生一定的转动；因此，这类节点可以简化为铰接点或半铰接点铰接点或半铰接点。框架结构支座通常情况下可简化为固定支座。当采用预制柱杯形基础时，则应视构造措施的不同而分别简化为铰支座和其他支座形式。4、荷载计算 荷载的种类 按作用方向可以分为竖向荷载和水平荷载。荷载按作用性质可以分为永久性荷载和可变荷载及偶然荷载。永久荷载包括结构自重、固定设备自重、装饰及粉刷自重、土压力、预应力等。可变荷载有：楼面及屋面活荷载、雪荷载、风荷载、积灰荷载、吊车荷载、施工荷载等。偶然荷载有爆炸力和撞击力等。在抗震设防区，多高层建筑还要考虑地震作用，一般情况下应允许在结构两个主轴方向分别考虑水平地震作用计算；8、9 度抗震设防时，多高层建筑中大跨度和长悬臂结构应考虑竖向地震作用；9 度设防区应计算竖向地震作用。荷载的计算 各种荷载的取值按建筑结构荷载规范GB 500092001 及全国民用建筑工程设计技术措施的有关补充规定取值。但在设计中应考虑以下因素：(1)规范所给定的各项活荷载，适用于一般条件，当荷载较大时或情况特殊时，应按实际情况采用。(2)设计楼面梁、墙、柱及基础时，按相关规范取值时应乘以相应的折减系数。(3)楼面上的局部荷载可以换算为等效均布活荷载。(4)多层与高层建筑风荷载计算时，一般情况下基本风压值按 50 年重现期采用，但不得小于 0.3 kN/m2。对于特别重要和对风荷载作用比较敏感的高层建筑(高度大于 60 m)应按100 年重现期风压值采用。如果没有 100 年重现期风压值资料时，可以近似采用 50年重现期风压值乘以增大系数 1.1 取值。(5)对于楼面活荷载标准值大于 2.0 kN/m2或跨度相差较大的房屋建筑，按弹性方法计算框架和连续梁(板)的内力时，应考虑活载不利布置。3.5 3.5 内力计算内力计算1、楼面荷载分配原则楼面荷载的传递2、竖向活荷载荷载的不利布置 高层建筑结构内力计算中，当楼面活荷载大于4kN/m2时（高规），应考虑楼面活荷载不利布置引起的梁弯矩的增大，对多层建筑要考虑竖向活荷载的不利布置 1）活荷载逐跨布置2）最不利荷载布置法求某跨的最大跨中弯矩，活荷载应在该跨布置，然后隔跨布置；柱的最大轴力的活荷载最不利布置，是在该柱以上各层中，与该柱相邻的梁跨内都满部活荷载。3）分层组合法4）满布法 当活荷载产生的内力远小于恒载及水平力产生的内力是，可不考虑活荷载的不利组合，用该种方法求得的跨中弯矩要乘以1.1-1.2的系数予以增大。3 3、竖向荷载作用下的内力计算、竖向荷载作用下的内力计算1）分层法基本假定基本假定(1)竖向荷载作用下，多层多跨框架的侧移可忽略不计。(2)每层梁上的荷载对其他各层梁的影响可忽略不计。用力矩分配法求出各层框架的弯矩图，然后叠加，即得其最终弯矩值。u 由于在分层计算时，假定上、下柱的远端是固定的，而实际由于在分层计算时，假定上、下柱的远端是固定的，而实际上是有转角产生，是弹性节点，因此为了改善由于这种假定带来上是有转角产生，是弹性节点，因此为了改善由于这种假定带来的误差，根据经验，除底层各柱以外，可将其他各层立柱的线刚的误差，根据经验，除底层各柱以外，可将其他各层立柱的线刚度均乘以一个折减系数度均乘以一个折减系数 0.90.9，并取其传递系数为，并取其传递系数为 1/31/3。u 框架节点处的最终弯矩之和常不等于零而接近于零。这是框架节点处的最终弯矩之和常不等于零而接近于零。这是由于分层计算所引起的。若欲进一步修正，则可对此节点的不由于分层计算所引起的。若欲进一步修正，则可对此节点的不平衡力矩再作一次弯矩分配。平衡力矩再作一次弯矩分配。4.4.水平荷载作用下的内力近似计算水平荷载作用下的内力近似计算“反弯点法反弯点法”在水平荷载作用下，我们不能再用分层法分析框架内力，这是因为分层法的两个基本假定已不再适用。基本假定：基本假定：1）求个各柱的剪力时，假定各柱的上下端都不会发生角位移，即认为梁的线刚度与柱的线刚度之比为无限大；（ib3ic）2）在确定柱的反弯点位置时，假定除了底层柱外，各个柱的上下端节点转角均相同；即认为除底层外，各层反弯点位于层高的中点，底层柱位于距支座2/3层高处；3）梁端弯矩可由各节点平衡条件求出，并按节点左右梁的线刚度进行分配；反弯点剪力的计算：反弯点剪力的计算：反弯点处的弯矩为零，剪力不为零，剪力可按下述方法计算：设框架有n层，每层有m个柱为两端固定柱的侧向刚度，表示柱上下端产生单位相对位移时，需要在柱顶施加的水平力，框架第j层的层间侧向位移再按假定2求各柱的杆端弯矩，然后根据节点弯矩平衡条件并根据假定3，求得梁端弯矩：5、水平荷载作用下的、水平荷载作用下的D值法值法1、改进后的柱侧向刚度D 柱的侧向刚度是当柱的上下端产生单位相对位移时，柱所承受的剪力。1.柱AB及其上下相邻柱的线刚度均为ic2.柱AB及其上下相邻的层间水平位移均为3.柱AB两端节点及其上下左右相邻的各节点的转角均为4.与柱AB相交的横梁的线刚度分别为i1、i2、i3、i4 假定框架横梁的线刚度、框架柱的线刚度和层高沿框架高度保持不变求出各层反弯点的高度y0h称为标准反弯点高度。y0hy1hY2h、y3h3.6、框架结构侧位移计算及限值、框架结构侧位移计算及限值1、侧位移的近似计算第j层框架层间水平位移：框架顶点的总水平位移：u 只考虑梁柱的弯曲变形，未考虑轴向变形和截面的剪只考虑梁柱的弯曲变形，未考虑轴向变形和截面的剪切变形切变形2、弹性层间位移角限值3.7 3.7 多层框架内力组合多层框架内力组合3.7.1 控制截面柱：取各层柱的上下端截面梁：两端及跨间最大正弯矩（简化为跨中）截面最不利内力组合：最不利内力组合：对于框架结构梁、柱不利内力组合为：梁端截面：梁跨中截面：柱端截面：及相应的N、V及相应的M及相应的M梁端弯矩调幅梁端弯矩调幅对于现浇框架可取0.8-0.9，对于装配整体式框架可取低一点0.7-0.8。梁端弯矩调幅后，在相应荷载作用下，跨中弯矩必将增加，要满足：规范规定：调幅只对竖向荷载作用下的内力进行，因此，弯矩调幅应在内力组合之前进行框架结构的构造要求框架结构的构造要求 框架结构的构造分为非抗震构造和抗震构造，而抗震构造又与框架结构的抗震等级有关。框架结构梁柱的有关构造规定在混凝土结构设计规范GB 500102002、建筑抗震设计规范GB 500112002、高层建筑混凝土结构技术规程JGJ 32002 以及全国民用建筑工程设计技术措施结构篇中有非常严格和详尽的表述。