第1章_梁板结构设计

江苏大学混凝土结构设计课件制作：刘洋江苏大学土木工程系江苏大学房屋建筑工程中混凝土结构的设计方法，主要包括：梁板结构设计单层工业厂房框架结构设计课程内容侧重于结构整体设计：结构方案和结构体系的选择，进行结构布置确定计算简图选择合适的结构分析方法计算作用、作用效应，进行作用效应组合构件截面设计及构件间的连接构造设计本课程主要内容：江苏大学受弯构件塑性铰和结构内力重分布单向板肋梁楼盖设计双向板肋梁楼盖设计单向板与双向板受弯构件的塑性铰和超静定结构内力重分布单向板肋梁楼盖设计按塑性铰线法的双向板设计第1章梁板结构设计主要内容：重点：江苏大学1.1概述1梁板结构是土木工程中常见的结构形式楼盖（屋盖）江苏大学1.1概述江苏大学1.1概述江苏大学1.1概述楼盖的主要结构功能把楼盖上的竖向力传给竖向结构；把水平力传给竖向结构或分配给竖向结构；作为竖向结构构件的水平联系和支撑。对楼盖的结构设计要求在竖向荷载作用下，满足承载力和竖向刚度的要求；在楼盖自身水平面内要有足够的水平刚度和整体性；与竖向构件有可靠的连接，以保证竖向力和水平力的传递。江苏大学1.1概述2楼盖类型按施工方法，混凝土楼盖可分为：现浇混凝土楼盖优点：现浇式楼盖整体性好、刚度大、防水性好、抗震性能好，对不规则平面的适应强，开洞容易。缺点：需要大量模板、现场的作业量大，工期较长。装配式混凝土楼盖优点：楼板采用混凝土预制构件，便于工业化生产。缺点：整体性、防水性和抗震性较差，不便于开设孔洞。装配整体式混凝土楼盖兼具现浇式楼盖和装配式楼盖的优点。其整体性较装配式的好，又较现浇式的节省模板。江苏大学1.1概述当房屋高度≥50m时，框剪结构、筒体结构及复杂高层建筑楼盖应采用现浇混凝土楼盖；剪力墙结构和框架结构宜采用现浇混凝土楼盖。当房屋高度≤50m时，对抗震设防的建筑，楼盖宜采用现浇；房屋的顶层、结构转换层、平面复杂或开洞过大的楼层，也应采用现浇混凝土楼盖。《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002)规定：江苏大学1.1概述江苏大学1.1概述2楼盖类型(a)单向板肋梁楼盖(b)双向板肋梁楼盖特点：用钢量较低，楼板上留洞方便，但支模较复杂。是现浇楼盖中使用最普遍的一种。单向板肋梁楼盖双向板肋梁楼盖按结构形式，现浇混凝土楼盖可分为：肋梁楼盖江苏大学1.1概述(c)密肋楼盖密肋楼盖2楼盖类型密肋楼盖由薄板和间距较小的肋梁组成。板厚很小，梁高也较肋梁楼盖小，结构自重较轻。江苏大学1.1概述(d)井式楼盖2楼盖类型井式楼盖井字梁楼盖由双向板和交叉梁系组成。能满足建筑物有较大空间的使用要求,受力合理,其截面高度明显低于单跨梁,可降低层高，宜用于跨度较大且柱网呈方形的结构。江苏大学1.1概述(e)无梁楼盖板直接支承于柱上，其传力途径是荷载由板传至柱或墙。结构高度小，净空大，楼板底面平整、支模简单，但楼板厚度大、用钢量较大，常用于仓库、商店等柱网布置接近方形的建筑。当柱网较小时(3～4m)，柱顶可不设柱帽；当柱网较大(6～8m)且荷载较大时，柱顶设柱帽以提高板的抗冲切能力。无梁楼盖2楼盖类型江苏大学1.1概述按预加应力情况，混凝土楼盖可分为：钢筋混凝土楼盖预应力混凝土楼盖柱网尺寸较大时，可有效减小板厚，降低层高。在具体的实际工程中究竟采用何种楼盖形式，应根据房屋的性质、用途、平面尺寸、荷载大小、采光以及技术经济等因素进行综合考虑。2楼盖类型江苏大学1.1概述3单向板与双向板单向板：荷载作用下，只在一个方向或主要在一个方向弯曲的板。双向板：荷载作用下，在两个方向弯曲，且不能忽略任一方向弯曲的板。江苏大学若假定EI1=EI2，则P1/P和P2/P随两个方向梁的跨度比L2/L1的变化。荷载沿短跨方向的传递远大于沿长跨方向的传递，此即荷载按最短路径传递原则。1.1概述荷载传递原则江苏大学若假定两个方向梁的跨度L1=L2，则P1/P和P2/P随两个方向梁的抗弯刚度比EI1/EI2的变化。1.1概述荷载沿刚度大的方向传递大于沿刚度小的方向传递，传递比例与两个方向的抗弯刚度成正比，此即荷载按刚度分配原则。江苏大学1.1概述3单向板与双向板江苏大学1.1概述《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)规定：单边嵌固的悬臂板和两边支承的板，应按单向板计算。对于四边支承的板（或邻边支承或三边支承）时，应按双向板计算；时，宜按双向板计算；按沿短边方向受力的单向板计算时，应沿长边方向布置足够数量的构造钢筋；时，可按沿短边方向受力的单向板计算。注：l－长边长度；b－短边长度/2lb/3lb2/3lb3单向板与双向板江苏大学1.1概述3单向板与双向板单向板楼盖传力路线：荷载→板→（沿短边）→次梁→主梁→柱或墙双向板楼盖传力路线：荷载→板→（沿短边和长边）→次梁和主梁→柱或墙江苏大学1.1概述4现浇整体式楼盖结构内力分析方法板和次梁：可以按塑性理论分析内力主梁：一般按弹性理论分析内力（主梁为楼盖中的主要构件，要保证使用中有较好的性能）。现浇钢筋混凝土肋梁楼盖塑性理论：考虑钢筋混凝土塑性性质，按塑性理论的计算方法。即考虑塑性内力重分布，结果比较经济，但一般情况下结构的裂缝较宽，变形较大。弹性理论：假定钢筋混凝土梁板为匀质弹性体，按结构力学的方法计算，有较大的安全储备。江苏大学1.2.1单向板肋梁楼盖设计1单向板肋梁楼盖的设计步骤（1）结构平面布置，并对梁板进行分类编号，初步确定板厚和主、次梁的截面尺寸；（2）确定板和主、次梁的计算简图；（3）荷载及内力计算、内力组合；（4）截面配筋计算及构造措施，对跨度大或荷载大或情况特殊的梁、板还需进行变形和裂缝的验算；（5）绘制施工图。江苏大学1.2.1单向板肋梁楼盖设计结构平面布置原则受力合理。例如：荷载传递宜简捷，梁宜拉通；主梁跨内最好不要只布置一根次梁，以减小主梁跨内弯矩的不均匀；应避免把梁，特别是把主梁搁置在门、窗过梁上；在楼、屋面上有机器设备、冷却塔、隔墙等荷载比较大的地方，宜设次梁承重；楼板上开有较大尺寸的洞口时，应在洞口四周布置边梁。满足建筑要求。例如：不封闭的阳台、厨房和卫生间的板面标高宜低于相邻板面30～50mm。2单向板肋梁楼盖结构布置江苏大学1.2.1单向板肋梁楼盖设计结构平面布置原则2单向板肋梁楼盖结构布置造价经济。经济跨度为：单向板1.8~2.7m；次梁4~6m；主梁5~8m.柱或承重墙的布置决定主次梁的跨度;次梁间距决定板的跨度.方便施工。例如：梁的截面种类不宜过多，梁的布置尽可能规则，尽可能划分为等跨。江苏大学1.2.1单向板肋梁楼盖设计2单向板肋梁楼盖结构布置结构平面布置方案(b)主梁纵向布置主梁纵向布置，次梁横向布置：优点是减小了主梁的截面高度，增大了室内净高。适用于横向柱距比纵向柱距大得多的情况。(c)只布置次梁只布置次梁，不布置主梁：适用于有中间走道的砌体墙承重的混合结构房屋。(a)主梁横向布置主梁横向布置，次梁纵向布置：优点是房屋的横向刚度大，整体性较好。此外，由于主梁与外纵墙垂直，使外纵墙上窗的高度有可能开得大一些，也减少了天棚处梁的阴影，对室内采光有利。江苏大学1.2.1单向板肋梁楼盖设计板厚及梁截面尺寸的确定：为满足刚度要求，截面尺寸一般取值如下：板厚:h=(1/35~1/40)L板;次梁:h=(1/12~1/18)L次梁,b=(1/3~1/2)h;主梁:h=(1/8~1/14)L主梁,b=(1/3~1/2)h现浇混凝土板的最小厚度楼盖中板的混凝土用量占50%~70%，板厚宜取较小值.江苏大学1.2.1单向板肋梁楼盖设计3单向板肋梁楼盖计算简图计算模型板、次梁、主梁的计算模型为连续板或连续梁，次梁是板的支座，主梁是次梁的支座，柱或墙是主梁的支座。支座形式按表1.1。计算假定支座可以自由转动，但没有竖向位移；在确定板传给次梁的荷载以及次梁传给主梁的荷载时，分别忽略板、次梁的连续性，按简支构件计算支座竖向反力；跨数超过五跨的连续梁、板，当各跨荷载相同，且跨度相差不超过10%时，可按五跨的等跨连续梁、板计算。计算简图应表示梁、板的支座情况，各跨跨数以及荷载的形式，位置大小等。江苏大学1.2.1单向板肋梁楼盖设计通常，板的刚度远小于次梁的刚度，次梁可作为单位板宽板带的不动铰支座。而柱子的竖向位移主要由轴向受压变形引起，通常很小，则此时柱可作为主梁的不动铰支座，主梁也可简化为连续梁。主梁对次梁的支承在计算时一般按不动铰支座处理。但实际上主梁本身的变形将使其支座成为弹性支承,主梁刚度越小,弹性支承特点越明显,按不动铰支承计算的误差也就越大。这种误差对主梁和次梁是偏于安全还是偏于不安全?影响支承性能变化的因素有哪些?江苏大学1.2.1单向板肋梁楼盖设计结论：当L1梁与L2梁的线刚度比大于8时，L2梁在交叉点处的负弯矩与连续梁L2’梁中间支座负弯矩基本接近。江苏大学对于次梁,按不动铰支承计算结果,支座弯矩偏大,跨中弯矩偏小,支座剪力也偏小。偏于不安全。对于主梁,跨中弯矩计算值均比弹性支承条件下的弯矩偏大,偏于安全,偏大值变化率小于次梁。时，可以将交叉梁系简化主梁和次梁分别进行计算。/8ii主次1.2.1单向板肋梁楼盖设计江苏大学1.2.1单向板肋梁楼盖设计假定支座可以自由转动，实际上忽略了次梁对板、主梁对次梁、柱对主梁的转动约束能力。通常，混凝土柱与主梁刚接。当主梁线刚度与柱线刚度之比大于5时，主梁的转动受柱端的约束可忽略，按连续梁模型计算。否则应按梁、柱刚接的框架模型计算。次梁、主梁的抗扭刚度将约束板、次梁的弯曲转动，实际转角比理想铰支承时的转角小，由此假定带来的误差通过折算荷载的方式来弥补。江苏大学1.2.1单向板肋梁楼盖设计各跨荷载相同，跨数超过五跨的等跨等截面连续梁，除两边第1、2跨外，所有中间各跨的内力十分接近，为简化计算，中间跨均以第三跨代表。≤5跨，按实际跨数计算；不等跨也按实际跨数计算。江苏大学1.2.1单向板肋梁楼盖设计荷载及计算单元永久荷载：结构自重、地面及天棚抹灰、隔墙及永久性设备等荷载。可变荷载：人群、货物以及雪荷载、屋面积灰荷载和施工活荷载等一般折算成等效均布荷载，在一跨内按满跨布置。荷载标准值及荷载分项系数,详见《建筑结构荷载规范》。荷载计算范围江苏大学板计算单元：1m宽板带荷载：均布荷载1.2.1单向板肋梁楼盖设计荷载计算范围江苏大学次梁荷载范围：次梁左右各半跨板，负载宽度l1荷载：均布荷载恒载：次梁左右各半跨板自重、次梁自重活载：次梁左右各半跨板上活载。1.2.1单向板肋梁楼盖设计荷载计算范围江苏大学1.2.1单向板肋梁楼盖设计荷载范围：主梁左右各半个主梁间距，次梁左右各半个次梁间距，负载面积l1×l2。荷载：集中荷载。主梁荷载计算范围江苏大学1.2.1单向板肋梁楼盖设计计算简图江苏大学计算跨度——指在内力计算时所采用的跨间长度。理论上，取两端支座处转动点之间的距离。1.2.1单向板肋梁楼盖设计计算跨度按弹性理论计算时理论上，某一跨的计算跨度应取该跨两端支座反力合力作用点之间的距离。实际上，支座反力合力作用点很难精确计算，只能取近似值。计算跨度由塑性铰的位置确定，按教材表1.2取值。按塑性理论计算时江苏大学1.2.1单向板肋梁楼盖设计注：—梁或板的计算跨度；—梁或板的净跨度；a—边支座的宽度；b—中间支座或第一内支座的宽度中间跨：边跨：当板、梁边跨端部与支承构件整浇时江苏大学1.2.1单向板肋梁楼盖设计注：—板或梁的计算跨度；—板或梁的净跨度；h—板厚；a—梁、板在墙体上的支承长度；b—中间支座或第一内支座的宽度当板、梁边跨端部搁置在支承构件上江苏大学1.2.1单向板肋梁楼盖设计折算荷载、因忽略了实际支座次梁或主梁扭转刚度的影响,计算支座转角大于实际支座转角。导致边跨跨中正弯矩计算值大于实际值；而支座负弯矩计算值小于实际值。为了考虑次梁或主梁的抗扭刚度对内力的