10001227004-框架结构的设计及优化.

1郑州大学现代远程教育毕业设计题目：框架结构的设计及优化入学年月___2010秋_____姓名___陈岳荣_学号_100001227004_专业__土木工程__联系方式_13806776209_学习中心_浙江今明学习中心_指导教师__郎晟颉___完成时间_2012_年_6_月_22_日2目录框架结构的设计及优化1．框架结构概述1.1.1框架结构的主要特点1.1.2框架房屋的最大适宜高度1.1.3框架结构概念设计要点1.1.4框架结构的计算要点2．提高框架结构刚度的方法3．框架柱的设计及优化3.1.1框架柱截面的确定3.1.2框架柱的剪跨比3.1.3框架柱的配筋及构造要求3.1.4框架柱设计的优化4．框架梁的设计4.1.1框架梁截面的确定4.1.2框架梁的配筋及构造要求4.1.3框架梁设计的优化5．“强柱弱梁”设计理念的实现5.1.1“强柱弱梁”的概念5.1.2实际工作中“强柱弱梁”未实现的原因5.1.3工程中“强柱弱梁”实现的手段6．浙江兰溪一单体建筑结构设计、结构计算书、施工图纸6.1.1结构计算书6.1.2施工图纸3框架结构的设计及优化[摘要]框架结构是指由梁和柱以刚接或者铰接相连接而构成承重体系的结构，即由梁和柱构成框架，共同抵抗使用过程中出现的水平荷载和竖向荷载。对于框架结构设计而言，柱网的优化、梁的配筋是重点。框架结构设计要点：1.框架结构的传力路线应简捷明了、柱网尺寸应合理经济；2.框架结构应当保证延性；3.强柱弱梁强节点；4.强剪弱弯；5.注意混凝土强度等级取值；框架结构设计时还应当注意一些问题。“强柱弱梁”设计理念的实现。1.“强柱弱梁”的概念，2实际工程中“强柱弱梁”未实现的原因，3.工程中“强柱弱梁”实现的手段。本文对框架结构的设计以及优化作一定的分析，学以致用。制作浙江兰溪一单体框架结构计算书和结构图纸。关键词：框架结构设计优化一、框架结构概述由梁和柱为主要构件组成的承受竖向和水平作用的结构为框架结构（一）框架结构的主要特点框架结构是指由梁和柱以刚接或者铰接相连接而构成承重体系的结构，即由梁和柱组成框架，共同抵抗使用过程中出现的水平荷载和竖向荷载。在地震区，梁和柱节点宜设计成刚性节点个别部位也可设计成铰接。框架结构中的墙体不承重，仅起到围护和分隔作用，要求采用轻质墙体材料。框架是由梁和柱构成的杆系结构，其承载力和刚度与剪力墙结构相比较都较低。它的受力特点类似于竖向的悬臂剪力梁，其总体水平位移上大下小，但相对于各楼层而言，层间变形上小下大，设计时如何提高框架的抗侧刚度及控制好结构侧移是首先应该考虑的。对于钢筋混凝土框架，当高度大，跨度大，层数较多时，结构底部各层柱的轴力很大，梁和柱水平荷载所产生的弯矩和整体的侧移都显著增加，从而导致截面尺寸和配筋增大，会给建筑平面布置和空间处理带来困难，同时在材料消耗和造价方面，也逐渐趋于不合理。因此框架结构存在经济适宜的最大结构高度，该高度小于规范规定的框架结构高度限值。4框架结构按跨数可以分为单跨，多跨；按层数可分为单层，多层；按所用材料可分为钢框架、钢筋混凝土框架与钢与钢筋混凝土混合框架等。其中最常见的是多跨多层钢筋混凝土框架。框架结构建筑的主要优点：空间分布灵活，自重轻，合理的框架设计可有利于抗震，节省材料；具有较灵活地配合建筑平面布置的优点，有利于安排较大空间；框架结构的梁、柱构件易于标准化、定型化，便于采用装配整体式结构，以宿短施工工期。还可以把梁和柱浇筑成各种所需要的截面形状。框架结构体系的缺点：框架节点应力集中效应显著；框架结构的侧向刚度小，属于柔性结构，在强烈地震作用下，结构所产生的水平位移较大，易造成严重的结构性和非结构性破坏；钢材和水泥用量较大，构件的数量多，接头工作量大，工序多，浪费人力，工程施工受季节环境影响较大；不适宜建造较多层数的高层建筑。框架结构的用钢量一般在40—80KG/M²（不包括地下车库），对于框架结构而言，梁用钢量所占比例较高，水平构件梁与板所占的比例一般超过75%。框架结构中，柱的含钢量占结构总含钢量的15%-30%，梁的用钢量一般占30%-65%，是框架结构中含钢量最大的构件，与柱网的布置有关。板的用钢量一般占15%-35%。因此对于框架结构设计优化而言，柱网的优化、梁的配筋是重点。（二）框架结构房屋的最大适宜高度《建筑抗震设计规范》GB50011-2010规定了现浇框架结构的最大高度限值，是从安全、经济等诸方面综合考虑的结果，当房屋层数较多、高度较高时，尤其是当房屋高度接近规范规定的最大限值时，需对框架结构采取特殊加强措施，不仅结构设计难度较大，而且结构设计的经济性也差。满足《建筑抗震设计规范》GB50011-2010对房屋适用最大高度限制时，设计合法，但不一定合理，不一定有较好的经济性。采用框架结构的主要问题是结构抗侧刚度不足，需要通过加大梁柱截面来提高结构的侧向刚度，以满足规范对框架结构弹性层间位移小于等于1/550的要求。实践证明，单纯采用加大构件的截面积来提高框架结构侧向刚度的做法，效率很低，应调整结构体系。当房屋高度较高时，虽然房屋高度并没有超出规范对框架结构的高度限值，但设计的各项技术、经济指标均不理想。这种情况下，应避免采用纯框架结构，应采用抗侧刚度较大、抗震性能更好的框架-剪力墙结构或含少量剪力墙的框架结构。综前所述，对于纯框架结构而言，在建筑形体基本合理的情况下，存在着一个经济5适宜的最大高度，根据工程实践经验，这一经济适宜最大高度一般为抗震规范规定的框架结构高度限值的50%-60%。由于框架结构受地震作用时，侧向变形较框架-剪力墙结构大很多，容易导致非结构构件（如填充墙、高级装修等）破坏，同时框架结构在材料用量上，尤其是在钢材用量上，比同样层数的框架-剪力墙结构大。（三）框架结构概念设计要点1、框架结构的传力路线应简捷明了、柱网尺寸应合量经济框架结构方案应结合工程地质情况和建筑功能要求综合考虑。框架结构的传力路线应简捷明了。在荷载作用下，结构的传力路线越短、越直接，结构的工作效能就越高，所耗费的建材也就越少。从力学观点看，在民用和公共建筑的平面布局中，应当尽量使柱网按开间等跨和进深等距（或近似于等距）布置，并相应减少边跨柱距，充分利用连续梁的受力特点以减少结构中的弯短，使各跨梁截面趋于一致，从而提高结构的整体刚度。框架结构的柱网尽寸可以做的大些，常用的高层框架结构适宜的柱网尽寸宜为7.0-12.0m，一方面便于地下室停车场的有效布置，另一方面有利地上部商业柜台的布置和办公室内景观视野。小柱网尺寸4.0-6.0m，对于现代建筑来说已不太适应建筑功能的要求。从结构角度看，柱网尺寸放大些，可以使结构无需转换，传力直接；可以使框架柱截面比较大，有利于框架梁钢筋的抗震锚固；可以使框架梁柱刚度比较匹配；还可以减少框架柱的数量，加快施工进度。2、框架结构应保证延性框架结构的延性设计包括规范的内力调整和构造两个方面，也称为能力设计法。它是20世纪70年代后期，新西兰知名学者T·Paulay和Park提出的钢筋混凝土结构在设计地震作用取值偏低的情况下，保证具有够迄性的方法。其核心思想为：（1）通过“强柱弱梁”引导结构形成“梁铰机构”或者“梁柱铰机构”；（2）通过“强剪弱弯”避免结构在达到预计延性能力前发生剪切破坏；（3）通过必要构造措施使可能形成塑性饺的部位具有必要的塑性转动能力和耗能能力。通过以上三个方面保证使结构肯有必要的延性。框架结构作为常见的结构形式，其延性设计也主要是从这三个方面来体现的。63、强柱弱梁强节点框架结构的设计要做到“强柱弱梁强节点”。这是为了实现在罕遇地震作用下，让梁端形成塑性铰，柱端处于非弹性工作状态，而没有屈服，节点还处于弹性工作阶段。“强柱弱梁”措施中所指的强弱，也就是相对于梁端截面实际抗弯能力而方柱端截面抗弯能力增强幅度的大小，是决定由强震引起柱端截面屈服后塑性转动能否不超过其塑性转动能力，而且不致形成“层侧移机构”，从而使柱不被压溃的关键控制措施。柱强于梁的幅度大小取决于梁端纵筋不可避免的构造超配程度的大小，以及结构在梁、柱端塑性铰逐步形成过程中的塑性内力重分布和动力特征的相应变化。因此，当建筑许可时，尽可能将柱的截面尺寸做得大些，使柱的线刚度与梁的线刚度的比值尽可能大于1，并保证柱的轴压比满足规范要求，以增加延性。设计时采取的措施包括，验算截面承载力时，人为地将柱的设计弯矩按强柱弱梁原则调整放大，加强柱的配筋构筋。梁端纵向受拉钢筋的配筋不得过高，以免在罕遇地震中进入屈服阶段不能形成塑性铰或塑性铰转移到框架柱上。加强节点构造，让塑性铰向梁跨内移。规范规定的提高柱端弯矩增大系数的方法作为保证“强柱弱梁”的实现重要途径。4、强剪弱弯框架结构设计中“强剪弱弯”是何证构件延性，防止脆性破坏的重要原则，它要求人为加大各构件相对于其抗弯能国的抗剪承载力，使这些部位在结构经历罕遇地震的过程中不出现脆性剪切失效。对于框架结构中的框架梁必须重视抗剪验算和构造，使其满足相关规范要求。5、混凝土强度等级的取值框架柱作为主要竖向承重抗侧力构件，一般以压应力为主，为有利于控制和满足轴压比的要求，有利于提高建筑平面利用系数，改善建筑使用功能，常规的做法是混凝土强度等级尽量高些，下部楼层可取C35-C50，上部楼层可取C30。柱梁宜相同或梁低于柱C5，变柱截面处不同时改变混凝土强度等级，以免刚度突变。整个工程的竖向构件混凝土强度等级种类不宜太多，混凝土强度等级的变化不与竖向构件截面的变化同步。水平构件的混凝土强度等级取值要符合规范要求，同时要与竖向构件相配搭，使施工处理简单化，尽量避免出现节点区单独浇注混凝土的情况。6、框架结构的高宽比不宜过大框架结构的变形特征是剪切型变形，一旦高宽比过大，框架边柱的轴向变形效应加7大，波及框架弯矩分布二次调整，使得框架结构的刚度退化较在，整体结构的抗侧稳定将很难得到满足，结构选型不经济不合量。此时不应采用纯框架结构，可增设剪力墙。（四）框架结构的计算要点1、框架结构的计算简图的处理在结构计算时，计算简图选取的正确与否，直接影响到计算结果的正确性和准确性。对框架结构来说，基础梁的处理应予重视。一般情况下，基础梁设置在基础高度范围内，作为基础的一部分，此时结构的底层计算高度可取基础顶面至一层楼板顶面的高度，基础梁仅考虑承担首层墙体荷载，构造满足普通梁的要求即可。当按规范要求需设置基础拉梁时，其断面和配筋可按构造要求设计，基础拉梁截面高度取柱中心距的1/12-1/18，纵向受力钢筋取所连接的柱子的最大轴力设计值的10%作为拉为来计算。当基础埋深过大时，为了减少底层的计算高度和底层的位移，设计者往往在±0.000m以下的某个适当位置设置基础拉梁。此时，基础拉梁应作为一层输入，底层计算高度应取基础顶面至基础拉梁顶面的高度，二层计算高度应取基础拉梁顶面至一层楼板顶面的高度。因拉梁层无楼板，应按楼板开洞处理，并采用总刚分析方法进行计算，同时应考虑该层回填土层的影响。基础拉梁截面及配筋按实际计算结果采用。若因此造成底层框架柱形成短柱，应采取构造措施予以加强。另一个需要注意的是，当框架结构的电梯井道采用钢筋混凝土结构时（设计时应尽量避免），计算简图一定要按实际情况输入，否则可能会造成结构顶部框架柱设计的不安全。2、框架结构计算分析软件的选取在用PKPM系列软件计算梁柱时，应尽量采用TAT或SATWE三维设计软件。相对平面框架PK来讲，计算结果更接近实际受力状态，如地震作用或风力是按抗侧移刚度分配，而不是按框架的楼面从属面积，从框架柱出挑的梁和从次梁出挑的梁，因次梁的支座（框架梁）发生下觉变形，内力重分布，从框架柱出挑的挑梁配筋将较大。利用三维软件整体计算，不必生成单榀框架，再人工归并，可整楼归并。3、框架结构计算参数的选取框架结构计算参数较多，仅强调以下三个参数的选取。8（1）结构周期折减系数。框架结构由于填充墙的存在，使结构的实际刚度大于计算刚度。计算时若不考虑填充墙的影响，将导致计算周期大于实际周期，算出的地震作用效应偏小，使结构偏于不安全，因而对结构的计算周期进行折减是必要的。折