高层建筑混凝土结构设计05

高层建筑混凝土结构设计第5章框架结构设计2柱距较大柱距较小5.1框架结构布置由于高层建筑纵横两个方向都承受较大水平力，因此，在纵横两个方向都应按框架设计。框架梁柱构件的轴线宜重合，如果二者有偏心，其偏心距不宜大于柱截面在该方向边长的1/4，当必须大于时，可采用水平加腋来解决，但9度区不应大于1/4h。3楼盖竖向荷载的传力路线与一般楼盖完全相同，即对普通现浇梁板结构来说可分为单向板或双向板，当时为单向板，荷载向短跨方向传递；当时为双向板，荷载向两个方向传递。双向框架承重方案横向框架承重方案纵向框架承重方案122ll122ll4横向框架承重方案：由于横向框架梁截面高度较大，使该方向的抗侧移刚度增大，有利于抵抗该方向的水平荷载，但由于梁高加大，使房屋的净高减小，不利于纵向管道布置。纵向框架承重方案：由于横向框架梁高度减小，有利于纵向管道布置，但横向框架刚度减小，对结构抗侧移不利。目前，预制板用得极少，绝大多数框架结构均为双向框架承重方案。5.2框架梁柱截面尺寸估算及材料强度等级选择一、框架梁截面尺寸估算框架梁的截面尺寸应由刚度条件初步确定。框架结构的主梁截面高度可按确定，且截面高度不宜大于1/4净跨;截面宽度不宜小于1/4hb，且不宜小于200mm。为增加房屋的净空，有时要设计宽度较大的扁梁，这时除要进行承载力计算之外，尚应验算梁的挠度和裂缝是否满足要求。bb)181~101(lh5二、框架柱截面尺寸估算框架柱宜采用正方形或接近正方形的矩形，两个主轴方向的刚度相差不宜过多，矩形截面长短边之比不宜超过3，框架柱的截面边长：20VhM矩形柱非抗震≥250mm抗震≥300mm（四级）抗震≥400mm（一、二、三级）圆形直径≥350mm（非抗震和四级）450mm（一、二、三级）柱净高与截面长边之比宜大于4。4H22H2H000000hhVhVVhM近似取高规要求6在初步设计时，柱截面尺寸可按轴压比确定。ccNfA0.65（一级）0.75（二级）0.85（三级）1.0（四级或非抗震）∵轴压比为v(1.1~1.2)NN（一～三级）v(1.05~1.1)NN（四级或非抗震）vN──框架在竖向荷载作用下的轴力估算值。vN柱支撑的楼板面积×楼层数×（12～14）×1.25∴ccNAf7三、混凝土强度等级当按一级抗震等级设计时，混凝土强度等级不宜低于C30，按二～四级和非抗震设计时，混凝土强度等级应≥C20。梁柱混凝土强度等级差别不宜过大。当柱混凝土强度等级较高时，若梁柱混凝土强度相同──由于一般框架梁不需要高强混凝土，所以导致梁造价提高；若梁比柱混凝土强度低太多──节点承载力不易满足。为降低梁（包括板）的造价，使梁具有足够的延性，梁混凝土强度等级宜≤C40。抗震设计时，一、二、三级框架应验算节点核心区的承载力。节点核心区的验算可按《混凝土结构设计规范》GB50010的有关规定执行。为保证框架结构的延性，柱在9度区混凝土宜≤C60；8度区宜≤C70。85.3计算单元及计算简图一、计算单元框架结构为空间结构，应取整体结构为计算单元，按空间框架进行内力及位移的计算，但对平面布置比较规则，柱距及跨度相差不多的框架结构，计算中可将空间框架简化为平面框架，在各榀框架中，选出一榀或几榀有代表性的平面框架作为计算单元，每榀框架按其负荷面积承担荷载。9（3）梁、柱的截面惯性矩：柱按实际截面计算；梁应考虑楼板的作用，当采用现浇楼盖时楼板可作为框架的翼缘，按T形截面计算其惯性矩。工程中为简化计算，可按下式计算梁的惯性矩：一边有楼板I=1.5I0两边有楼板I=2.0I0I0为梁矩形部分的惯性矩。（1）梁的坡度≤1/8，按直线梁计算（2）当框架梁为有加腋的变截面梁时，如，可不考虑加腋的影响。endmid4Il二、计算简图10（4）轴线：梁、柱轴线取各自的形心线；梁、板、柱均现浇时，梁截面的形心线可取至板底上、下层柱截面尺寸不同、形心轴不重合时，一般将顶层柱的形心线作为整个柱子的轴线二、计算简图11框架结构计算简图示意恒荷载竖向活荷载风荷载地震作用二、计算简图计算简图是由计算模型及其作用在其中的荷载共同构成的。框架结构的计算模型是由梁柱的截面几何轴线确定的，框架柱在基础顶面按固结考虑。125.4框架结构的内力及侧移计算一、框架在竖向荷载作用下的近似计算方法──分层法假定：1.框架在竖向荷载作用下，结点侧移忽略不计；2.本层梁上的荷载对其他各层梁内力的影响忽略不计。开口框架的支座设为固定端与实际不符。为消除由此带来的误差，除底层外，其它各层柱的线刚度均乘以0.9，并取柱的弯矩传递系数为1/3。13分层后，各开口框架的内力可由弯矩分配法计算。最终弯矩取法为：框架梁的最终弯矩即为各开口框架算得的弯矩；框架柱的弯矩，由上下两相邻开口框架同一柱的弯矩叠加而得。最后算得的各梁柱弯矩在节点处一般不平衡，但误差不大。如有需要，可将节点不平衡弯矩再分配一次。14例题一：用分层法计算下图所示框架的弯矩图，已知：g1k=9.6kN/m,g2k=12kN/m,ic1=4.01×1010N▪mm,ic2=5.21×1010N▪mm,ib1=2.6×1010N▪mm,ib2=3.26×1010N▪mm。15分层后的开口框架：1617ii)(lEIiii434ii弯矩分配法的计算步骤：1、分配系数当远端为铰接时，采用折算线刚度当远端为滑动铰支座时，采用折算线刚度2、固端弯矩：根据《建筑结构静力计算手册》表2-4、表2-5或根据结构力学教材查用，弯矩方向：对节点逆时针旋转为正（可任意，但要统一）。3、分配节点不平衡弯矩（不平衡弯矩为节点弯矩的代数和∑M）：首先分配有较大不平衡弯矩的节点（用－μ∑M计算各杆分配弯矩，并在其下划一横线，以示暂告平衡，此弯矩不再参与分配了），同时向杆的远端传递弯矩（梁和底层柱，传递系数为1/2，其他各层柱为1/3）作为远端的不平衡弯矩（此弯矩参与分配），依次分配其他各节点的不平衡弯矩并传递，待各杆不平衡弯矩小到可以忽略不计时，即可停止进行。4、各杆端的最终弯矩：即为各杆端的固端弯矩、分配弯矩及传递弯矩的代数和。18357.069.46.26.2GH309.06.269.426.326.3HI643.06.269.469.4GD分配系数：445.026.36.269.469.4HE59.026.369.469.4IF246.026.369.46.26.2HG41.069.426.326.3IH19弯矩分配法的计算步骤：1、分配系数当远端为铰接时，采用折算线刚度当远端为滑动铰支座时，采用折算线刚度2、固端弯矩：根据《建筑结构静力计算手册》表2-4、表2-5或根据结构力学教材查用，弯矩方向：对节点逆时针旋转为正（可任意，但要统一）。ii)(lEIiii434ii20m-kN361261212M22GHl2kgm-kN04.23MIH固端弯矩：m-kN361261212M22HGl2kgm-kN04.23128.41212M22HIl2kg357.069.46.26.2GH309.06.269.426.326.3HI643.06.269.469.4GD分配系数：445.026.36.269.469.4HE59.026.369.469.4IF246.026.369.46.26.2HG41.069.426.326.3IH21-3636-23.0423.0422弯矩分配法的计算步骤：1、分配系数当远端为铰接时，采用折算线刚度当远端为滑动铰支座时，采用折算线刚度2、固端弯矩：根据《建筑结构静力计算手册》表2-4、表2-5或根据结构力学教材查用，弯矩方向：对节点逆时针旋转为正（可任意，但要统一）。3、分配节点不平衡弯矩（不平衡弯矩为节点弯矩的代数和∑M）：首先分配有较大不平衡弯矩的节点（用－μ∑M计算各杆分配弯矩，并在其下划一横线，以示暂告平衡，此弯矩不再参与分配了），同时向杆的远端传递弯矩（梁和底层柱，传递系数为1/2，其他各层柱为1/3）作为远端的不平衡弯矩（此弯矩参与分配），依次分配其他各节点的不平衡弯矩并传递，待各杆不平衡弯矩小到可以忽略不计时，即可停止进行。4、各杆端的最终弯矩：即为各杆端的固端弯矩、分配弯矩及传递弯矩的代数和。ii)(lEIiii434ii23-3612.856.4336-23.0423.04-9.45-4.72→←-3.61-4.53-6.53←-1.81→-2.270.6523.15-13.591.16→0.330.931.34←0.47-0.20-0.25-0.36-24.3138.95-32.0712.2524.31-12.258.1-4.1-6.89-2.32425(单位：kN-m)265.4.2框架在水平荷载作用下的内力近似计算──反弯点法1.反弯点法的基本假定：1）在确定各柱剪力时，假定框架梁刚度无限大，即各杆端无转角，且同一层具有相同的水平位移；2）底层柱的反弯点在距柱底2/3h处，其它各层柱的反弯点在1/2h处。F3F2F1h1h2h3bc3ii272.柱剪力与位移的关系：柱的剪力与水平位移的关系：212ciVh柱的抗侧移刚度：212ciVdhV——剪力，Δ——层间侧移，h——层高，ic——柱的线刚度283.各柱剪力值的确定：FFFF3F2F1h1h2h3假设同层各柱的剪力为V1、V2……MM11Vd12iVVVFLL22VdiiVd12iFFddddLLiidVFd越靠近底层，层间剪力越大柱子分配到的剪力与其抗侧刚度成正比293hMV上23hMV下4.计算步骤：1）求框架中各柱的剪力2）求柱端弯矩，取底层柱的反弯点在距柱底2/3h处，其它各层柱的反弯点在1/2h处2hMV底层柱下端其余各层柱上、下端3）求梁端弯矩边支座处的梁端弯矩MMM下上中间支座处的梁端弯矩iMMMii左下左上右左（）iMMMii右下右上右左（）底层柱上端右右左左305.4.3框架在水平荷载作用下的内力近似计算方法──D值法又称改进反弯点法。前提条件：梁柱线刚度比不够大，节点有转角影响转角的因素：层数荷载形式梁柱线刚度比上、下梁的刚度比上、下层层高变化bc3ii315.4.3框架在水平荷载作用下的内力近似计算方法──D值法D值法的基本假定：1）假定同层各节点的转角相同2）假定同层各节点的侧移相同AB柱的相对侧移δ，转角θ弦转角φ=δ/h325.4.3框架在水平荷载作用下的内力近似计算方法──D值法ABBAACBDcccc4266MMMMiiiiAE3AG4BF1BH26,6,6,6MiMiMiMi335.4.3框架在水平荷载作用下的内力近似计算方法──D值法A0M34cc62120iiii根据节点弯矩平衡B0M12cc62120iiii22K1234c2iiiiKi梁柱线刚度比cccABBA2121212122iiiMMKKVhhhhKKggccc2212122iiVKDhhKgc2KK柱侧向刚度修正系数34节点转动影响系数352.柱的反弯点高度hyyyyyho)(321yh——y——oy——1y——、32yy反弯点高度比；标准反弯点高度比；考虑上、下层梁刚度不同时，对反弯点高度比的修正值；分别为考虑上、下层层高变化时反弯点高度比的修正值。yh(1-y)h框架柱的反弯点高度可由下式计算：36标准反弯点高度比影响因素：荷载形式、总层数、所在层、梁柱线刚度比37383940底层01y反弯点位置向转动大的方向移动！41顶层02y底层03