钢筋混凝土框架结构房屋设计2.doc

第二章 钢筋混凝土框架结构房屋设计2.1 建筑设计阶段2.1.1 建筑设计的准备工作1 熟悉设计任务书，明确建设项目的设计要求。2 收集有关的原始数据和设计资料。包括地质水文资料，气象资料，水电线网设备资料以及有关地区的定额指标。3 设计调研。学生要深入实际，调查研究，参考同类型的设计和图纸资料，或已建成的同类建筑，弄清建筑物的具体使用要求，建筑材料的供应和施工的具体条件等情况。4 学习有关的设计标准和规范。5 借阅设计参考资料。2.1.2 建筑设计的主要工作1 建筑设计的目的及任务建筑设计是建筑功能、工程技术和建筑艺术的综合。在接到设计任务书之后，首先要完成的工作是根据任务书中所规定的建筑物的规模、重要性和使用性质，确定建筑设计方案。在准备工作的基础上，进行建筑总平面设计，建筑平面设计，建筑剖面设计。2 建筑设计的基本步骤首先，分析房间组成的功能关系，进行功能分区。其次，根据任务书的要求，深入分析建筑物的特点，对建筑方案做一个初步设想，并通过勾画草图的方法表达出来。第三是确定单体建筑方案，从平面设计入手，合理进行房间的平面组合，再通过几个关键部位的剖面分析，建筑体型就可大体确定，在此基础上进行立面设计，经反复推敲、调整，以使方案逐步合理化、具体化。最后绘制正式建筑施工图。3 建筑平面设计。建筑平面设计主要是针对建筑的室内使用部分进行的。在平面设计中，需要从建筑整体空间组合的效果来考虑，紧密联系建筑剖面和立面，分析剖面、立面的可能性和合理性，不断调整修改平面，反复深入。各类建筑物，从组成平面的使用性质划分，主要为使用部分和交通联系部分，另外还有建筑的结构体系和围护体系。使用部分是由许多房间组成的。使用部分的房间由于功能上的不同又分为使用房间（包括生活用房、工作用房和公共活动用房等）和辅助房间。使用房间要考虑有较好的朝向和采光与通风，房间面积、形状和尺寸要满足室内使用活动和家具、设备合理布置的要求；房间的构成应使结构构造布置合理，施工方便，也要有利于房间之间的组合，所用材料要符合相应的建筑标准；室内空间、以及顶棚、地面、各个墙面和构件细部，要考虑人们的使用和审美要求。设计中还要注意解决安全疏散、视线、声学、照明、大跨度结构等问题。辅助用房在建筑中处于次要地位，在不影响使用的前提下，应尽量利用建筑物的暗间、死角及不利朝向，并要尽量节约面积。辅助房间的平面设计，和使用房间的设计分析方法基本相同。如厕所、盥洗室等辅助房间，通常根据各种建筑物的使用特点和使用人数的多少，先确定所需设备的个数，根据计算所得的设备数量，考虑在整幢建筑物中厕所、盥洗室的分间情况，最后在建筑平面组合中，根据整幢房屋的使用要求并确定这些辅助房间的面积、平面形状和尺寸。无论是使用房间还是辅助房间，在平面设计中都要首先根据房间内部活动特点，使用人数多少，家具和设备的多少等来确定其面积的大小。平面设计中门大小及位置的确定。应根据人流出入房间的多少和搬进房间的家具、设备的大小确定门的宽度；根据室内面积的大小、人数的多少及防火要求，按百人指标（0.65m/百人）确定房间门的数量。门的开启方式根据房间的使用特点来决定。门的位置要方便使用。除此之外，门窗的大小和位置，应考虑房间的出入方便，疏散安全。房间应有良好的采光通风；用窗地比来限制窗的最小尺寸，房间室内光线应尽量均匀，多将窗居中布置，避免死角。交通联系部分是指建筑物中各个房间之间、楼层之间和房间内外之间联系通行的面积，主要由水平交通联系部分(走廊、过道、连廊)、垂直交通联系部分（楼梯、电梯、坡道、自动扶梯）和交通联系枢纽组成（门厅、过厅）。交通联系部分的宽度应满足人流畅通和建筑防火的要求，交通路线要简洁明确，力求节约面积，还要满足一定的采光与通风要求，其位置应满足联系通行方便。交通联系部分设计的主要要求有：交通路线简洁明确，联系通行方便；人流通畅，紧急疏散时迅速安全；满足一定的采光通风要求；力求节省交通面积，结合空间处理等造型问题。进行交通联系部分的平面设计，首先需要具体确定走廊、楼梯等通行疏散要求的宽度，具体确定门厅、过厅等人们停留和通行所必须的面积，然后结合平面布局考虑交通联系部分在建筑平面中的位置以及空间组合等设计问题。防火疏散方面的要求参见建筑设计防火规范中的规定。4 建筑平面组合设计。使用房间、辅助房间和交通联系部分，在组合设计时要根据功能分析，确定其主次关系、内外关系，进行分组分区，确定其在平面中的具体位置，同时要考虑场地条件，周围环境，及建筑物的间距和朝向，并兼顾建筑的艺术表现形象，注意与结构布置的关系，使建筑物的平面组合切合实际。5 建筑剖面设计。建筑剖面设计的主要任务是确定建筑物各部分应有的高度、建筑的层数和建筑空间的组合关系。要根据房间的使用性质确定房间的高度，同时要考虑到室内的采光与通风、结构类型的特点及所占空间的高度、设备及管道的布置、室内空间的比例等因素。根据房屋本身的使用要求、城市规划的要求、选用的结构类型以及建筑防火等主要影响因素确定房屋层数。在建筑空间组合中，着重从垂直方向考虑各种高度房间的空间组合、楼梯在剖面的位置，以及建筑空间的利用等。对于高度相同、使用性质接近的房间，可以组合在一起。高度比较接近，使用上关系密切的房间，考虑到房屋结构构造的经济合理和施工方便等因素，在满足室内功能要求的前提下，可以适当调整房间之间的高差，尽可能统一这些房间的高度。高度相差较大的房间，在单层剖面中可以根据房间实际使用要求所需的高度，设置不同高度的屋顶。在多层和高层房屋的剖面中，高度相差较大的房间可以根据不同房间的数量多少和使用性质，在房屋垂直方向进行分层组合；对于其中少量高度较大的房间，根据这些房间和房屋中各部分使用联系上的具体情况，可以把高度较大的房间设置在顶层或附设在房屋的端部。6 建筑立面设计。立面设计是在满足房间的使用要求条件下，运用建筑造型和立面构图的一些规律，结合平面、剖面的内部空间组合而进行的。建筑物的体型和立面，必须受内部使用功能和技术经济条件所制约，并受基地环境群体规划等外界因素的影响。建筑物体型的大小和高低，体型组合的简单或复杂，通常总是先以房屋内部使用空间的组合要求为依据，立面上门窗的开启和排列方式，墙面上构件的划分和安排，主要也是以使用要求、所用材料结构布置为前提的。建筑物的外部形象，并不等于房屋内部空间组合直接表现，建筑体型和立体设计，必须符合建筑造型和立面构图方面的规律性，如均衡、韵律、对比、统一等等，把适用、经济、美观三者有机地结合起来。对房屋外部形象的设计要求，要反映建筑功能要求和建筑类型的特征；结合材料性能、结构构造和施工的特点；结合建筑标准和相应的经济指标；适应基地环境和建筑规划的群体布置；符合建筑造型和立面构图的一些规律。确定建筑物外部体型的主要依据是建筑物内部空间的组合方式。建筑体型组合的造型要求主要有：主次分明、交接明确；完整均衡，比例恰当；体型简洁、环境协调。建筑立面可以看成是由许多构部件所组成：它们有墙体、梁柱、墙墩等构成房屋的结构构件，有门窗、阳台、外廊等和内部使用空间直接联通的部件，以及台基、勒脚、檐口等主要起到保护外墙作用的组成部分。恰当地确定立面中这些组成部分和构部件的比例和尺度，运用节奏韵律、虚实对比等规律，设计出体型完整、形式与内容统一的建筑立面，是立面设计的主要任务。建筑立面设计的步骤，通常根据初步确定的房屋内部空间组合的平剖面关系，例如房屋的大小、高低、门窗位置，构部件的排列方式等，描绘出房屋各个立面的基本轮廓，作为进一步调整统一进行立面设计的基础。设计时首先应该推敲立面各部分总的比例关系，考虑建筑整体的几个立面之间的统一、相邻立面间的连接和协调，然后着重分析各个立面上墙面的处理，门窗的调整安排，最后对入口门廊、建筑装饰等进一步作重点及细部处理。7 建筑施工图设计和绘制。建筑施工图设计是建筑设计的最后一个阶段，即把设计意图转化为满足施工的蓝图。其工作内容如下。调整并完善尺寸。施工图中的尺寸要完全而准确，要符合建筑模数，方便施工。做好构造设计。建筑构造是施工图设计的一个重要内容，它直接影响到结构设计、建筑的使用质量、耐久年限及工程造价等。构造设计要选择合适的建筑材料，确定合理的构造层次和节点做法，并将工程做法表达出来。绘制建筑施工图。包括：图纸目录，建筑设计总说明，门窗汇总表，工程做法表，总平面图，建筑平面图，建筑立面图，建筑剖面图，节点构造详图等。2.2 结构设计阶段结构设计是在建筑设计的基础上进行的，在建筑设计阶段就应该考虑到主体结构方案，通过协调，力争将结构形式与建筑设计统一起来。结构设计主要解决的问题是：结构的形式；结构的材料；结构的安全性、适用性和耐久性；结构的连接构造和施工方法。结构设计的原则是安全适用、经济合理、技术先进、施工方便。结构设计的目的是根据建筑布置和荷载大小，选择结构类型和结构布置方案，确定各部分尺寸、材料和构造方法，同时体现结构设计原则。2.2.1 结构设计的准备工作1 正确使用工程地质勘查报告通过阅读工程地质勘查报告，对场地土层的分布和性质有完整的概念，对报告提出的基础设计方案及地基处理建议，应认真分析，若有疑问应及时提出，以保证工程质量。2 明确本地区抗震设防烈度和结构抗震等级。地震作用是建筑结构承受的主要荷载之一。地震作用分为三个水准：即多遇地震（小震），基本烈度地震（中震），罕遇地震（大震）。设计原则为：小震不坏，中震可修，大震不倒。地震的大小是用震级来表示，地震烈度是表示某一个地区地面和建筑物受到一次地震影响的强弱程度。抗震设防烈度是一个地区作为抗震设防依据的地震烈度，一般情况下可采用该地区基本烈度作为抗震设防烈度。抗震设防烈度为6度及以上地区的建筑，必须进行抗震设计。建筑物遭受的地震影响，与其所在地区的地震环境密不可分。表征地震影响的参数有设计基本地震加速度、设计特征周期或规范规定的设计地震动参数，按建筑抗震设计规范取值。由于建筑物的使用性质不同，地震破坏造成的后果也不相同，按其重要性对建筑物的抗震划分为四类：甲类建筑，属于重大建筑工程；乙类建筑，属于使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑；丙类建筑，是除甲、乙、丁类以外的一般建筑；丁类建筑，属于抗震次要建筑。甲类建筑的地震作用按专门的地震动参数进行设计计算，采取特殊的抗震构造措施。乙类建筑按本地区的设防烈度设计计算，相应提高一度采取抗震构造措施。丙类建筑按本地区设防烈度设计计算和采取抗震构造措施。丁类建筑按本地区设防烈度设计计算，抗震措施允许适当降低（6度时不应降低）。钢筋混凝土房屋由于总高度和结构体系的不同，抗震能力有很大差异，按其抗震能力将抗震等级分为四级，一级要求最严，四级要求最低。因此根据房屋总高度及结构体系决定抗震等级是设计的先决步骤。结构抗震等级根据建筑抗震设计规范确定。3 收集相应的结构设计资料结构设计的资料是设计规范，常用的结构设计规范有：混凝土结构设计规范、建筑结构荷载规范、建筑抗震设计规范、建筑地基基础设计规范、建筑结构制图标准等。2.2.2 结构设计的主要内容建筑结构设计应当保证在荷载作用下结构有足够的承载能力和刚度，能保证结构正常使用条件下的安全性和耐久性要求。结构设计时，要考虑可能发生的各种荷载的最大值，以及荷载同时作用在结构上产生的综合效应。各种荷载性质不同，发生的概率和对结构的作用也不同，因此必须采用荷载效应组合的方法。1 荷载作用下的结构设计内容建筑结构在竖向荷载及风荷载作用下，结构应满足承载能力及限制侧向位移的要求。在地震作用下，结构设计采用两阶段设计方法，达到三水准目标：第一阶段设计中，除要满足承载力及侧向位移限制要求，还要通过一系列抗震构造措施来满足延性要求；在罕遇地震作用下，要求进行第二阶段验算，以满足弹塑性层间变形的限制要求。2 承载力计算按极限状态设计的要求，承载力计算的一般表达式为：无地震作用组合时： SR （2.1）有地震作用组合时： SERE/RE （2.2）式中：R为无地震作用组合时构件的承载能力，不同的构件采用不同的承载能力计算公式，如抗弯承载力、抗剪承载力等；RE为抗震设计时的构件承载力；RE为承载力抗震调整系数（地震作用是一种偶然作用，所以对抗震设计的承载能力作相应调整），混凝土结构承载力抗震调整系数见表2.1，当仅考虑竖向地震作用组合时，各类构件均取1.0。表2.1 混凝土结构承载力抗震调整系数构件类别梁轴压比小于0.15的柱轴压比不小于0.15的柱剪力墙各类构件节点受力状态受弯偏压偏压偏压局部承压受剪偏拉受剪RE0.750.750.800.851.00.850.853 整体稳定和抗倾覆验算整体稳定性验算一般要求高层建筑的高宽比控制在5之内。对于高宽比大于5的高层建筑，需要进行整体稳定性验算。抗倾覆验算抗倾覆验算时，倾覆力矩应按风荷载或地震作用计算其设计值；计算抗倾覆力矩时，楼面活荷载取50%，恒载取90%。抗倾覆力矩不应小于倾覆力矩设计值。弹塑性变形验算过大的侧移会使结构产生附加内力，影响正常使用，严重时会加速倒塌，因此，要限制结构的侧向变形。要进行正常使用状态下的水平位移限值验算。要实现第三水准设防目标，一般可通过采取抗震构造措施来实现，但某些情况下，对于钢筋混凝土多、高层建筑结构，宜进行罕遇地震作用下薄弱层的抗震变形验算，具体验算方法见建筑抗震设计规范。2.3 钢筋混凝土框架结构设计计算结构选型及结构布置截面尺寸及材料强度确定荷载及计算简图的确定与计算水平荷载作用下结构内力及侧移的计算竖向荷载作用下结构内力的计算结构的内力组合截面的设计与计算节点与构件设计与计算钢筋混凝土框架结构设计计算的主要内容及设计流程图如图2.1所示：图2.1 钢筋混凝土框架结构设计流程图2.3.1 结构选型及布置1 结构体系的选择结构体系是指结构抵抗外部作用的构件组成方式。建筑结构抗侧力体系的确定和设计是结构设计中的关键问题。基本的抗侧力单元有框架、剪力墙、井筒、框筒和相应的支承等。由这几种单元可以组成多种结构体系。常见的钢筋混凝土结构体系有框架结构、框架抗震墙结构、抗震墙结构及筒体结构等。不同的结构体系，其抗震性能、使用效果和经济指标也不相同。建筑抗震设计规范在考虑地震烈度、场地土、抗震性能、使用要求及经济效果等因素和总结地震经验的基础上，对地震区现浇钢筋混凝土多高层房屋的结构类型和最大高度给出了相应的规定，见表2.2。表2.2 现浇钢筋混凝土房屋适用的最大高度（m）结构类型烈度6789框架60554525框架抗震墙13012010050抗震墙14012010060部分框支抗震墙12010080不应采用框架核心筒15013010070筒中筒18015012080板柱抗震墙403530不应采用注：1）房屋高度指室外地面到主要屋面板板顶的高度（不包括局部突出屋面部分）2）框架核心筒结构指由周边梁柱框架和核心筒组成的结构3）部分框支抗震墙结构指首层或底部两层框支抗震墙结构4）乙类建筑可按本地区抗震设防烈度确定适用的最大高度5）超过表内高度的房屋，应进行专门研究和论证，采取有效地加强措施6）表中的“抗震墙”即混凝土结构设计规范（GB50010）中的剪力墙。除了建筑高度等因素外，选择结构体系还要考虑建筑物的刚度与场地条件的关系。当建筑物自振周期与地基土的卓越周期一致时，容易产生共振从而加重建筑物的震害。建筑物的自振周期与结构本身的刚度有关，因此在选择结构类型时应该了解场地和地基土及其卓越周期，调整结构刚度，避开共振周期和共振现象的发生。选择结构体系时还要注意选择合理的基础型式。对建筑物层数不多且地基条件较好时可选择独立基础、十字交叉带形基础等，对软弱的地基宜选择桩基、筏基或箱基等。另外，选择结构体系，必须注意经济指标。多高层房屋一般用钢量大，造价高，因而要尽量选择轻质高强和多功能的建筑材料，以减轻自重降低造价。结构选型是一个综合性的问题，在实际设计中应根据建筑物所在地区的设防烈度、建筑物的高度及使用功能、建筑物的地基情况和工程造价等因素选择合适的结构体系。对于框架结构由于其抗侧移刚度较差，在地震区一般用于十层左右体型较简单和刚度较均匀的建筑物。对于层数较多、体型较复杂、刚度不均匀的结构，为了减小侧向变形并减小震害，应该选择抗侧移刚度更大的结构形式。2 框架结构的组成与分类框架结构在平面上布置灵活，可以做成有较大空间的会议室、餐厅、车间、营业室、教室等。需要时，可以用隔断分割成小房间，或拆除隔断改成大房间，因而在使用功能上十分灵活。框架结构的墙体一般只做围护和分割使用，因此，建筑立面的设计也灵活多变，若采用轻质隔墙，还可大大降低房屋自重，节省材料。框架是由梁、柱构件通过节点连接形成的骨架结构，由梁、柱承受竖向和水平荷载，墙仅起围护作用。框架梁一般为水平布置，有时为便于屋面排水或者建筑造型等的需求，也可布置成斜梁。为便于结构受力，同一轴线上的梁宜拉通对直，并与柱轴线位于同一铅垂平面内。框架柱的截面形式常为矩形，有时由于建筑上的要求，也可设计成圆形、八角形、L形和T形等。为便于结构受力，同一平面位置上的上下层框架柱的形心宜位于同一铅垂线上，否则上柱轴力会对下柱产生附加弯矩。同时框架柱网布置宜上下一致。框架梁柱间的节点一般为刚性连接，有时为了施工或者其它构造要求也可将部分节点设计成铰结或半铰结的形式。框架结构在水平力作用下的变形特点如图2.2所示。其侧向位移主要由两部分组成：第一部分是由柱和梁的弯曲变形产生。在水平荷载作用下，梁和柱都有反弯点，形成侧向变形。框架下部的梁、柱内力较大，层间变形也大，愈到上部变形愈小，使整个结构呈现剪切型变形。第二部分侧移由柱的轴向变形产生，在水平荷载作用下，柱的拉伸和压缩使结构出现侧移。这种侧移在上部各层较大，而愈到底部愈小，使整个结构呈现弯曲变形。框架结构中第一部分的侧向变形是主要的，随着建筑高度的增加，第二部分变形比例逐渐增加，但合成后整个结构仍主要呈现为剪切型变形特征。图2.2 框架侧向变形框架结构抗侧刚度主要取决于梁、柱的截面尺寸。通常梁柱截面惯性矩小，侧向变形较大，这是框架结构的主要缺点，也因此而限制了框架结构的使用高度。框架结构按材料可分为钢框架和钢筋混凝土框架。钢框架具有自重轻、抗震性能好、施工速度快等优点，但具有用钢量大、造价高、耐水和耐腐蚀性差等缺点，目前应用相对较少；钢筋混凝土框架结构由于其造价低、取材方便、耐久性好和可模性好等优点，在我国得到广泛的应用。钢筋混凝土框架按其施工方法可分为：现浇式框架、半现浇式框架、装配式框架及装配整体式框架；其中现浇整体式框架梁、柱、楼板全部现浇，它的优点是整体性和抗震性能好，缺点是现场施工量和支模量大，地震区的框架结构宜优先选用现浇式框架结构体系。3 框架结构布置 柱网布置及层高钢筋混凝土框架结构民用建筑的柱网和层高根据建筑使用功能确定；工业建筑的柱网布置和层高要满足生产工艺流程和建筑平面布置的要求，同时柱网布置要使结构受力合理，施工方便。、柱网布置应满足生产工艺流程的要求在多层工业厂房设计中，生产工艺流程的布置是厂房平面设计的主要依据，根据各生产工段的使用要求，厂房的平面布置一般为内廊式、统间式、大宽度式等。内廊式的边跨跨度一般为68m，中间跨为24m；等跨式的跨度一般为612m；柱距一般为67.5m；层高为3.65.4m。、柱网布置应满足建筑平面布置的要求对于各种平面的建筑物，结构布置应满足建筑功能及建筑造型的要求。建筑内部柱网的布置应与建筑分隔墙布置相协调，建筑周边柱子的布置应与建筑物外立面造型相协调。旅馆、办公室等建筑物中建筑平面一般为两边为客房或办公室，中间为走廊，这时柱网布置一般有两种方案：一种为三跨式，走道为一跨，两边的房间与卫生间为一跨；另一种是当房间进深较小时，取消中间一排柱子布置成两跨框架，即将走廊与进深较小的房间布置在同一跨内。目前，住宅、宾馆和办公楼的柱网可划分为小柱网和大柱网两种形式，小柱网指一个开间为一个柱距，大柱网指两个开间为一个柱距，常用的柱距有3.3m、3.6m、4.0m、6.0m、6.6m、7.2m等；常用的跨度为4.8m、5.4m、6.0m、6.6m、7.5等；层高一般为3.0m、3.3m、3.6m、4.2m、4.5等。、柱网布置应使结构受力合理多层框架结构主要承受竖向荷载，因此柱网布置时应考虑到结构在竖向荷载作用下内力分布较均匀合理，各构件材料均能充分的发挥作用。纵向柱列的布置对结构的受力也有很大的影响，一般取为建筑开间（小柱网），但当开间较小、层数较少时，柱距过小一方面导致柱截面设计时常按构造配筋，不能充分地发挥材料的强度，另一方面也使建筑平面布置不够灵活，所以可考虑两个开间设一个柱距（大柱网）。、柱网布置应使施工方便结构布置时还应考虑到施工方便，以加快施工进度，降低工程造价，在结构布置时应尽量减少梁板单元的种类，以方便施工。 框架结构的承重方案柱网确定后，用梁将柱子连接起来，即形成了框架结构。根据抗震要求，框架均应双向设置，即沿房屋纵横双向布置梁系，从而形成一个空间受力体系。但为了计算方便，可将实际框架结构看成纵横两个方向的平面框架。纵向框架和横向框架分别承受各自方向上的水平力，而楼面竖向荷载则依据楼盖结构布置方式按不同的方式传递。根据楼盖的平面布置及竖向荷载的传递途径，其承重方案可分为横向承重、纵向承重和纵横向承重三种。一般沿建筑物短向的称为横向框架，沿建筑物长向的称为纵向框架；称承受较大楼面竖向荷载的方向上布置的框架梁称为主梁，相应平面内的框架称为承重框架，而另一方向上则称次梁和非承重框架。横向框架承重时，主梁沿建筑物横向布置，可加大结构横向刚度，实际工程中应用较多；纵向框架承重时，主梁沿建筑物纵向布置，结构的横向刚度小，实际工程中较少采用；纵横向框架承重一般应用于现浇楼盖大柱网框架结构中，以提高结构的地震能力。 变形缝的布置在一般房屋结构的总体布置中，考虑到沉降、温度收缩和体型复杂对房屋结构的不利影响，常常用沉降缝、伸缩缝或抗震缝将房屋分成若干独立的部分，从而消除沉降差、温度应力和体型复杂对结构的危害。这三类缝统称为变形缝，设置变形缝主要是结构安全的需要。伸缩缝为防止结构由于温度变化或混凝土干缩而变形，常设置温度伸缩缝。除基础外，上部结构断开，缝宽一般常采用2030。沉降缝在结构立面有较大变化时，或地基基础有较大变化时，或竖向有高差时，或可能产生不均匀沉降时，可设置沉降缝。将两部分房屋从上部到基础全部断开，房屋层数23层时，缝宽5080，45层时，缝宽80120，大于5层时，缝宽120。抗震缝对有抗震设防要求的建筑物，当建筑物的层数、质量、刚度差异较大时，或有错层时，或平面形状不规则时，应在地面以上用防震缝分开，缝的最小宽度应符合下列要求：房屋高度在15m以下时为70mm；高度超过15m时，6度区每增高5m加宽20mm，7度区每增高4m加宽20mm，8度区每增高3m加宽20mm，9度区每增高2m加宽20mm。剪力墙结构的缝宽按以上数值的70取用。特别要注意的是，在地震区，伸缩缝和沉降缝的宽度均应做成抗震缝的宽度，一般情况下伸缩缝、沉降缝和抗震缝尽可能合并使用，并在抗震缝两侧均布置框架。变形缝将建筑物划分为若干个结构独立的部分，成为独立的结构单元。4 框架设计要点 整个框架结构要承担来自建筑物横向和纵向两个方向地震动引起的地震力，因此对于横向框架和纵向框架，梁与柱的连接都应该采用刚性连接以形成刚性框架。 框架结构横向基本周期和纵向基本周期差别不大，横向和纵向地震作用的总值也大致相等，每根柱子在纵横两个方向的地震剪力和弯矩也大致相等，因此框架柱宜采用方形柱和对称配筋。 不论是现浇框架还是预制框架，均应符合“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点弱构件”、“强压弱拉”的抗震四准则。 在布置抗侧力结构时，应使结构均匀分布，令荷载作用线通过结构刚度中心，以减少结构的扭转。在布置刚度较大的楼(电)梯间时，要注意保证结构的对称性。有时从建筑功能考虑，在平面拐角部位或端部布置电梯间时，则应采用剪力墙、筒体等加强措施。 框架房屋的围护结构，可采用非承重空心砖或轻质填充墙。框架柱与填充墙体应设置拉墙筋连结，一般采用26间距500，进入墙体的长度不少于500，有抗震要求时不少于1000。当采用砌体填充墙时，平面和竖向布置宜对称均匀，并采取措施以减少对主体结构的不利影响。 同一结构单元宜将框架梁设置在同一标高处，尽可能不采用复式框架，避免出现错层和夹层，从而造成短柱破坏。 框架梁的截面中心线宜与柱中心线重合，端部框架梁以及沿外纵墙的纵向梁可以偏置，但其最大偏心距不宜大于柱宽的1/4，同时应注意加强节点构造。框架结构的梁柱宜贯通，应避免梁上立柱、柱上顶板的结构方案。 边柱应防止被通长设置的纵向梁、过梁分隔成短柱，短柱在地震中破坏严重，不宜采用。 现浇框架的混凝土强度等级，当按一级抗震等级设计时不宜低于C30，按二四级抗震等级和非抗震设计时不应低于C20。装配整体式框架结构的混凝土强度等级不宜低于C30，其节点区混凝土强度等级还应比柱提高5MPa。梁柱混凝土强度等级相差不宜大于5MPa。如超过时，节点区混凝土强度等级应与柱相同。框架柱沿竖向分段改变截面尺寸和混凝土强度等级时，每次改变柱边长不宜大于100150，混凝土强度宜为一个等级。一般尺寸改变和强度改变应错开楼层布置，避免竖向刚度产生较大的改变。柱截面高度改变时，边柱应向内扩展，中柱应向两边扩展；柱截面宽度改变时，端柱宜向内扩展，中间柱宜向两侧扩展。 楼梯转弯休息平台宜通过“”形构件支承在下一层框架梁上，应避免设置横贯整个跨度的支承梁，防止在楼梯间出现短柱。 角柱截面尺寸可以较边柱截面尺寸放大一号，当采用同样截面时，应增加柱内纵筋数量，并按全高加倍配置箍筋。 楼层的结构标高，较建筑标高低一个楼面层的厚度。2.3.2 构件截面尺寸估算框架结构是超静定结构，它的内力和变形除与荷载的形式有关外，还与构件或截面的刚度有关，而构件或截面的刚度又取决于构件的截面尺寸，因此先要确定构件的截面尺寸。但是，构件的截面尺寸又与荷载和内力的大小有关，在构件内力没有计算出来以前，又很难准确地确定构件的截面尺寸大小。因此，只能先估算构件的截面尺寸，等内力和变形计算好后，如果估算的截面尺寸符合要求，便可作为设计尺寸。如果所需的截面尺寸与估算的截面尺寸相差很大，则要重新估算和重新进行计算。1 框架梁的截面形状和尺寸框架梁的截面形状，在现浇框架中以T形为多，在装配式框架中常做成矩形、T形和花篮形等，在装配整体式框架中常做成花篮形。框架梁的截面尺寸可参考受弯构件初步确定，单跨框架梁高h=（1/101/12）L，多跨框架梁高h=（1/121/16）L，L为梁的跨度；梁宽b=（1/21/4）h，且至少比柱宽少50。框架梁的截面高度多取为400、450、500、550、600、650、700、750、800、850、900、950、1000；其截面宽度一般为180、200、220、250、300、350。在抗震结构中，梁宽不宜小于200，梁的高宽比不宜大于4，梁净跨与截面高度之比不宜小于4。当采用预应力混凝土梁时，其截面高度可以乘以0.8的系数。特殊情况下，框架梁也可设计成宽扁梁，但梁的宽度不宜大于柱宽。为了使构件的类型尽可能少些，各层框架梁的截面形状和尺寸往往不变，而仅改变其配筋率。2 框架柱的截面形状和尺寸框架柱的截面一般采用正方形或矩形。框架柱截面宽度可先按底层柱高的1/15初选，截面高度取宽度的11.5倍，同时满足hL0/25、bL0/30，L0为柱的计算长度。框架正方形柱的截面尺寸一般为300300、350350、400400、500500、600600等；框架矩形柱的截面尺寸一般为300400、300450、300500、400500、400600、500800、600800等。在多层房屋中，柱的宽度与高度不宜小于300；在高层建筑中，柱截面高度不宜小于400，截面宽度不宜小于350。柱截面高度与宽度之比为12。柱净高与截面长边尺寸（圆柱为直径）之比宜大于4。抗震设计中，柱截面尺寸主要受轴压比的控制，初选的柱截面尺寸应按轴压比进行初步验算。轴压比的限值按表2.3采用。表2.3 轴压比的限值抗震等级抗震一级抗震二级抗震三级框架结构0.700.800.90 注：当柱净高与截面长边尺寸之比小于4时，最大轴压比可减小0.05，并采取加密箍筋，增设附加箍筋等措施，加强对混凝土的约束。3 楼板的厚度楼板厚度可按与其跨度之比进行估计，单向板取（1/251/30）L；单向连续板取（1/351/40）L；双向板(短边)取（1/401/45）L；悬挑板取（1/101/12）L；楼梯平台取1/30L；无粘结预应力板取1/40L；L为板的跨度。板的最小厚度在多层房屋中为70，高层建筑为100。2.3.3 计算简图及荷载的确定1 计算简图的确定 框架计算单元的选取框架结构是一个空间结构体系，由横向框架和纵向框架组成。为简化计算，通常忽略框架结构纵向和横向之间的空间联系，忽略各构件的抗扭作用，将纵、横向框架分别按平面框架进行分析计算。一般横向框架的间距相同，作用于各横向框架上的荷载相同，框架的抗侧刚度相同，因此，除端部框架外，各榀横向框架都将产生相同的内力和变形，设计时一般取有代表性的一榀横向框架进行分析即可；而作用于纵向框架上的荷载则各不相同，应分别进行计算。对有侧移框架，横向和纵向框架均应进行计算；无侧移框架，可只进行横向框架的计算。 梁、柱的简化在框架计算简图中，框架梁、柱是用其轴线表示的，梁、柱连接区是用节点表示的，杆件长度是用节点间的距离表示的，荷载的作用点也转移到轴线上。在一般情况下，等截面柱的轴线取截面形心线，当上、下层柱截面尺寸不同时，往往取顶层柱的形心线作为柱子的轴线。框架梁的跨度取柱轴线间的距离，当各跨跨度相差不超过10%时，可按等跨框架对待，跨度取原框架各跨跨度的平均值。斜形或折线形横梁当倾斜度不超过1/8时，可当作水平横梁。底层柱高取底部嵌固面到二层楼面间的距离，其它层柱高取层高。必须注意，按以上计算简图算出的内力是轴线上的内力，由于简图的轴线不一定是各截面的形心线，因此，在计算配筋或选择截面尺寸时，应将算得的内力转化为设计截面处的内力。 多、高层框架结构底部嵌固面的确定框架结构底部嵌固面的确定是保证计算可靠的前提，按下列情况确定嵌固面位置：结构有一层地下室为箱基时，嵌固面可取在箱基顶板面。结构有两层地下室，第二层地下室为箱基，地下室外墙为现浇钢筋混凝土，地下室一层顶板的整体性较好，地下室平面为矩形，长宽比不大于3时，嵌固面取在地下室一层顶板面。结构有一层地下室且地下室底板为筏基，当地下室顶板整体性较强、刚度较大时，嵌固面取在地下室顶板面。结构地下室顶板整体性较好、刚度较大，且地下室周围有现浇钢筋混凝土墙体，能承受上部结构通过地下室顶板传来的剪力时，嵌固面可取在地下室顶板面。结构设置半地下室，半地下室墙体截面惯性矩比半地下室上层墙体惯性矩增大75%以上，或当地下室全埋在地下，全地下室墙体截面惯性矩比全地下室上层墙体惯性矩增大50%以上时，嵌固面可取在地下室顶板面。多、高层框架结构建筑如不符合上述诸条件，则嵌固面均应取在基础顶面。 节点的简化在现浇钢筋混凝土框架结构体系中，将其简化为刚接节点。在装配式钢筋混凝土框架结构中，一般简化成铰接节点或半铰接节点。装配整体式钢筋混凝土框架结构中，也常简化成刚接节点。框架柱与基础一般采用整体现浇混凝土连接，或预制柱插入基础杯口再浇筑细石混凝土连接，故通常简化成刚接节点。 框架柱的计算长度的确定无侧移框架对现浇楼盖，无论各层， L0=0.7H对装配式楼盖 L0=1.0H有侧移框架对现浇楼盖，底层柱 L0=1.0H1 其余各层柱 L0=1.25H对装配式楼盖，底层柱 L0=1.25H1 其余各层柱 L0=1.5H式中 H1自柱底层嵌固面至一层楼盖顶面之间的距离； H上下两层楼盖之间的距离。2 荷载的确定 荷载的类型凡能使结构或构件直接产生内力、应变、位移、裂缝等效应的作用，统称为荷载。施加于结构上的荷载与作用，有竖向荷载（包括恒载与活载）、风荷载、地震作用、施工荷载、地基不均匀沉降及由于材料体积变化受阻引起的作用（包括温度、混凝土的徐变和收缩作用）等。 恒载恒载包括结构本身的自重和附加于结构上的各种永久荷载，如非承重构件的自重、各种饰面材料的重量、楼面的找平层重量、玻璃幕墙及其附件重量、吊在楼面下的各种设备管道重量等等。它可由构件和装修的尺寸和材料的重量直接计算，材料的自重应按建筑结构荷载规范取值。 活载结构的楼面活荷载应按建筑结构荷载规范取用。设计楼面梁、墙、柱及基础时，楼面活荷载标准值应乘以规定的折减系数（即组合系数）。折减系数按建筑结构荷载规范的规定取用。设计楼盖时，楼面活荷载标准值不予折减。建筑物的屋面活荷载，是其水平投影面上的均布活荷载。屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑。 施工活荷载施工活荷载一般取1.52kN/。当施工中采用附着式塔吊、爬式塔吊等对结构受力有影响的起重机械或其它施工设备时，在结构设计中应根据具体情况验算施工荷载的影响。设计屋面板、檩条、钢筋混凝土挑檐、雨蓬和预制过梁时，施工或检修集中荷载应取1.0kN，并应在最不利位置处进行验算。当计算挑檐、雨蓬承载力时，应沿板宽每隔1.0m取一个集中荷载；在验算挑檐、雨蓬倾覆时，应沿板宽每隔2.53.0m取一个集中荷载。 风荷载风荷载按建筑结构荷载规范的规定计算。需要注意的是，应同时考虑迎风面的压力及背风面的吸力。另外，一般体型较大，高度不大于30m、高宽比小于1.5的房屋结构，可取风振系数为1.0；反之，则应按建筑结构荷载规范取值。女儿墙对屋面的挡风影响不大，屋面的体型系数可近似地按没有女儿墙的屋面采用。对于高层建筑和高耸结构，基本风压可乘1.1的增大系数作为该建筑物的基本风压值；对于特别重要和有特殊要求的高层建筑和高耸结构，其基本风压可乘1.2增大系数。 雪荷载雪荷载按建筑结构荷载规范规定的地区选取基本雪压值，按不同的屋面形式选取屋面积雪分布系数。屋面板和檩条按积雪不均匀分布的最不利情况计算；屋架和拱壳可分别按积雪全跨均匀分布、不均匀分布和半跨均匀分布计算；框架梁柱可按积雪全跨的均匀分布计算。雪荷载标准值是屋面水平投影面上的值。上人屋面，雪荷载与屋面活荷载不应同时组合；不上人屋面，应将雪荷载与施工或维修荷载进行比较，取其中较大值参加组合。建筑物重力荷载代表值计算地震作用时，建筑物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组合值之和。 多层及高层结构房屋集中到楼盖及屋盖处的重力荷载代表值（Gi）为：恒载的全部、雪荷载的50%、一般楼面活荷载的50%（藏书库、档案库取活荷载的80%）。为了简化计算，楼面以下本层的柱、墙自重及楼面荷载，集中在楼盖处；顶层的柱、墙自重、屋面荷载及女儿墙、挑檐重，全部集中在屋盖处。计算地震作用时，结构总重力荷载代表值（GE）为全部重力荷载代表值之和。结构等效总重力荷载代表值：水平地震作用时，单质点取Geq=1.0GE，多质点取Geq=0.85GE；竖向地震作用时，多质点取Geq=0.75GE。建筑结构设计时，对不同的荷载效应采用不同的荷载代表值。荷载代表值主要是标准值、准永久值和组合值。当设计上有特殊需要时，也可规定其他代表值，例如，频遇值。荷载标准值是结构设计时采用的荷载基本代表值，是结构在使用期间，在正常情况下出现的最大荷载值，是现行国家标准建筑结构荷载规范对各类荷载规定的设计取值。荷载的其它代表值是以标准值乘以适当的系数得出的。可变荷载组合值是当结构承受两种或两种以上可变荷载时，由于在结构上的各可变荷载不可能同时达到各自的最大值，因此，必须考虑荷载组合，通常将某些可变荷载的标准值乘以组合系数予以折减，折减后的荷载代表值称为荷载的组合值。可变荷载准永久值是正常使用极限状态按准永久组合设计时采用的可变荷载代表值。在结构设计时，应根据不同的设计要求，选取不同的荷载代表值来计算设计荷载。永久荷载（恒载），在按承载能力极限状态设计时，应采用标准值作为代表值。可变荷载（活载），在按承载能力极限状态设计时，常以组合值为代表值；在按正常使用极限状态设计时，常以准永久值作为代表值；对偶然荷载，应根据试验资料并结合工程经验确定其代表值。计算设计荷载时，不得漏项。漏算设计荷载的后果，更为严重。 荷载效应组合所谓荷载效应，是指在荷载的作用下结构的内力或位移。通常，在结构计算时，应当首先分别计算上述各种荷载作用下产生的效应（内力和位移），然后将这些内力和位移分别按建筑物的设计要求，进行组合，得到构件效应的设计值（内力设计值和位移设计值）。不同设计要求下，所应考虑的荷载和地震作用见表2.4。 表2.4 设计中考虑的荷载和地震作用表设计要求竖向荷载风荷载水平地震作用竖向地震作用非抗震设计68度抗震设防9度抗震设防注：只有在建筑高度超过60m时，才同时考虑风与地震产生的效应。”表示参与效应组合有地震作用荷载效应组合，见建筑抗震设计规范中5.4.1中的规定。荷载分项系数与荷载效应组合系数见表2.5。表2.5 荷载分项系数及荷载效应组合系数类型编号组合情况竖向荷载水平地震作用竖向地震作用风荷载说明无地震作用1恒载及活载1.21.400002恒载、活载及风荷载1.21.4001.41.0有地震作用3重力荷载、水平地震作用1.21.30004重力荷载、水平地震作用及风荷载1.21.301.40.260m以上高层建筑考虑5重力荷载及竖向地震作用1.201.3009度区考虑，8度区大跨度考虑6重力荷载、水平及竖向地震作用1.21.30.500同上7重力荷载、水平及竖向地震作用、风荷载1.21.30.51.40.260m以上高层建筑，9度区考虑，8度大跨度考虑进行位移计算时，所有的分项系数均取为1.0。所以，非抗震设计时，分别计算出竖向荷载、风荷载所产生的位移后，总位移可直接相加。在所选定可能出现的几种组合情况下，要选最不利的荷载效应组合值进行结构构件的承载力计算。2.3.4 水平荷载作用下结构内力与侧移的计算框架结构所受的水平荷载（作用）主要包括水平地震作用和风荷载。风载和地震作用可能沿任意方向，计算时，一般将其作用沿两个主轴方向进行分解，简化为沿主轴方向的作用，可以是正方向也可以是负方向。在正交矩形平面结构中，正负两个方向荷载作用下，内力大小相等，符号相反。故只需作一次计算分析，将内力冠以正、负号即可。一般情况下，按结构的两个主轴方向分别考虑水平地震作用并进行抗震验算，各方向的水平地震作用应全部由该方向的抗侧力构件承担。在平面布置复杂或不对称结构中，一个方向的水平荷载可能对一部分构件形成不利内力，另一方向的荷载对另一部分构件形成不利内力，这时要做具体分析，选择不同方向的水平荷载，分别进行内力分析，再进行内力组合。质量与刚度不对称、明显不均匀，可能产生显著扭转的结构应考虑水平地震作用产生的扭转作用。有斜交抗侧力结构时，应按各斜交方向分别进行验算。1 基本假定与基本方法 结构计算假定实际建筑结构是一个复杂的三维空间结构，由于材料和荷载的影响均具有不同程度的随机性，使结构精确分析十分困难，因此在结构受力分析上必须进行不同程度的简化。框架结构计算时常用的计算假定包括以下几个方面：结构分析的弹性静力假定建筑结构内力与位移均按弹性静力方法计算，采用弹性方法计算结构内力，而按弹塑性极限状态进行截面设计。地震作用通过地震设计反应谱简化为地震作用的等效静力，然后再采用弹性静力方法对结构进行内力分析。作为“大震不倒”的保证，主要是通过抗震构造措施保证结构构件的变形能力，并采取对结构薄弱层进行弹塑性变形验算等手段，提高结构的安全性，防止建筑物倒塌。平面结构假定任何建筑结构都是三维空间结构，当采用规则框架结构计算时，大多可将空间结构沿两个正交主轴划分为若干平面抗侧力结构，可以认为每一方向的水平荷载和地震作用只由该方向的抗侧力结构承担，垂直于该方向的抗侧力结构不参加工作。楼板在平面内的刚性假定各个平面抗侧力结构之间，通过楼板联系而形成整体，楼板常假定为在平面内刚度为无限大，在平面外刚度很小，可以不考虑。水平荷载按位移协调原则进行分配将空间结构简化为平面结构后，整体结构上的水平荷载应按位移协调原则，分配到各片抗侧力结构上。当结构只有平移而无扭转发生时，根据刚性楼板的假定，在同一标高处的所有抗侧力结构的水平位移都相等。框架结构中各柱的水平力，按各柱的抗侧刚度D的比例分配。应当特别注意的是，各片抗侧力结构的水平力不能简单地只按其受荷面积的大小来分配。 基本计算理论水平荷载作用下的反弯点法风和地震对框架结构的水平作用，一般都可以简化为作用于框架节点上的水平力，将总风力和总地震力分配到各榀框架，按静力进行平面框架的内力分析。即可按柱的抗侧刚度将总水平荷载直接分配到柱，得到各柱剪力后，根据反弯点位置求出柱端弯矩，再由节点平衡求出梁端弯矩和剪力。1）基本假定框架结构在节点水平力的作用下，各杆的弯矩图都呈直线形，且一般都有一个反弯点。同一层内的各节点具有相同的侧向位移；同一层内的各柱具有相同的层间位移。因为在反弯点处弯矩为零，因此，如能确定各柱内的剪力及反弯点的位置，便可求得各柱的柱端弯矩，并进而由节点的平衡条件求得梁端弯矩及整个框架结构的其它内力。为此假定：a 在确定柱的侧移刚度时，认为梁的刚度无限大，上下柱端只有侧移没有转角，且同一层柱中各端的侧移相等；b在确定柱的反弯点位置时，认为除底层柱外的各层柱，受力后的上下两端将产生相同的转角。对于底层柱，反弯点高度为2/3h，其他各层柱的反弯点位于柱高的中点。c多层多跨框架在水平荷载作用下，当梁柱线刚度比值3时，认为符合上述假定，可采用反弯点法计算内力。2）计算方法a计算各柱抗侧刚度，并把各层总剪力分配给各柱。b根据各柱分配到的剪力和反弯点的位置，计算柱端弯矩。c根据节点平衡条件和梁的线刚度计算梁端弯矩和剪力。3）计算步骤a 根据刚架各柱的侧移刚度，分层计算同层各柱的剪力分配系数b 分层进行剪力分配，计算同层各柱的剪力c 根据反弯点高度计算各柱的端弯矩d 根据节点的力矩平衡条件，确定梁端弯矩水平荷载作用下的修正反弯点法（D值法）反弯点法在考虑柱的侧移刚度时，假设节点的转角为零，也就是说，横梁的线刚度假设为无穷大。当建筑物的柱子截面较大，或梁柱线刚度比小于3、考虑抗震要求有强柱弱梁的框架时，节点转角通常较大，用反弯点法计算的内力误差较大，因此提出用修正反弯点法来计算水平荷载下框架的内力，即修正柱的抗侧移刚度和调整柱的反弯点高度。因修正后柱抗侧移刚度用D来表示，故称为D值法。1）修正柱抗侧移刚度：考虑节点转角时，框架柱的侧移刚度不仅与本身的线刚度有关，而且还与梁的线刚度有关。按照梁柱线刚度比值与柱刚度修正系数的关系进行修正。2）修正柱的反弯点高度：水平荷载作用下的框架柱的反弯点不是固定不变的，它的位置是随着梁柱线刚度比而变化的，也因该层柱所处楼层位置及上下层层高的不同而异，还会受荷载形式的影响。在D值法中，通过一系列修正系数反映上述因素的影响。3）计算步骤：D值法计算步骤与反弯点法相仿，当各层柱抗侧刚度和各柱反弯点位置确定后，可把该层总剪力分配到每个柱，继而求出各杆内力。2 水平地震作用下内力与侧移的计算 地震作用的计算方法地震作用的计算方法常见的有静力法，振型分解反应谱法，时程分析法三大类。建筑结构抗震规范规定，等效地震荷载计算方法分以下三种情况：底部剪力法底部剪力法是振型分解反应谱法的一个特例，其只考虑了基本振型（第一振型）的地震作用，从而简化了计算。底部剪力法适用于高度不超过40m，以剪切变形为主，刚度与质量沿高度分布比较均匀的结构，以及近似于单质点体系的结构。这种方法是先计算出作用于结构的总水平地震作用，也就是作用于结构底部的剪力，然后将此总水平地震作用按一定的规律分配给各质点。振型分解反应谱法对高度超过40m的建筑物一般可采用振型分解反应谱法计算等效地震荷载。这种方法求地震反应时需要计算结构的各个自振频率和振型，然后将各振型的地震作用效应以平方和开方法求得结构地震作用效应，运算比较复杂。时程分析法当房屋高度较高、地震烈度较高或房屋沿高度方向质量与刚度分布特别不均匀时，要采用时程分析法进行补充分析。时程分析方法是一种动力分析方法，能直接计算出地震地面运动过程中结构的位移、速度和加速度等的变化过程。进行时程分析所耗的工作量是较大的，并且所选的地震波也不一定与结构实际所遭遇的地震影响完全一致。目前只对一些体型较复杂的建筑和一定高度的高层建筑，检验结构抗震性能时，才采用时程分析法。采用时程分析法所求得的底部剪力值，小于底部剪力法或振型分解反应谱法所求得的底部剪力值的80%时，至少按80%取用。对于一般较规则的框架结构为简化计算可采用底部剪力法进行计算，下面主要介绍如何采用底部剪力法来计算结构的水平地震作用。 底部剪力法计算水平地震作用的步骤重力荷载代表值的计算在抗震设计中，当计算地震作用的标准值和计算结构构件的地震作用效