建筑结构(上册)12多层框架结构房屋

12多层框架结构房屋本章主要介绍:多层及高层房屋的结构体系；结构的计算简图及荷载确定；简单框架的内力计算；无抗震设防要求时框架结构构件设计；非抗震设计时框架节点的构造要求；结构施工图平面整体表示方法。重点是施工图的识读。本章提要多层与高层房屋之间没有明确的界限，我国通常将8层及８层以下的房屋称为多层房屋，8层以上的房屋称为高层房屋钢筋混凝土框架结构，是指由钢筋混凝土横梁、纵梁和柱等构件所组成的结构。墙体不承重，内、外墙只起分隔和围护作用，见图12.1。按施工方法的不同，框架可分为整体式、装配式和装配整体式整体式框架也称全现浇框架，其优点是整体性好，建筑布置灵活，有利于抗震，但工程量大，模装配式框架的构件全部为预制，在施工现场进行吊装和连接。其优点是节约模板，缩短工期，有装配整体式框架是将预制梁、柱和板现场安装就位后，在构件连接处浇捣混凝土，使之形成整体。其优点是，省去了预埋件，减少了用钢量，整体性比装配式提高，但节点施工复杂。图12.1框架结构图(a)平面图；(b)Ⅰ-Ⅰ本章内容12.1框架结构布置12.2框架结构的计算简图及荷载12.3竖向荷载作用下的内力近似计算－分层法12.4水平荷载作用下的内力和侧移的近似计算－反弯点法和D值法12.5框架的内力组合12.6现浇框架的一般构造12.1框架结构布置（1）结构平面布置宜简单、规则和对称。（2）建筑平面长宽比不宜过大，L/B宜小于6。（3）结构的竖向布置要做到刚度均匀而连续，避免刚度突变。（4）建筑物的高宽比不宜过大，H/B不宜大于5。（5）房屋的总长度宜控制在最大伸缩缝间距以内，否则需设伸缩缝或采取其它措施，以防止温度应力对结构造成的危害。12.1.1结构布置原则（6）在地基可能产生不均匀沉降的部位及有抗震设防要求的房屋，应合理设置沉降缝和防震缝。框架结构是由若干个平面框架通过连系梁的连接而形成的空间结构体系。在这个体系中，平面框架是基本的承重结构，按其布置方向的不同，（1）横向框架承重方案在这种布置方案中，主要承重框架沿房屋的横向布置。沿房屋的纵向设置板和连系梁，见图12.2(a)。12.1.2框架结构方案（2）纵向框架承重方案在这种布置方案中，主要承重框架沿房屋的纵向布置。沿房屋的横向设置板和连系梁，见图12.2(b)。（3）纵横向框架混合承重方案在这种布置方案中，主要承重框架沿房屋的纵、横向布置，见图12.2(c)。图12.2框架体系的布置(a)横向布置；(b)纵向布置；(c)（1）工业厂房一般采用6m柱距，跨度则随柱网的布置方式不同分为内廊式和跨度组合式，见图12.3。厂房的层高一般根据车间的工艺设备、管道布置及通风采光等因素决定。常用的底层层高有4.2m、4.5m、4.8m、5.4m、6.0m、7.2m和8.4m。（2）民用建筑民用建筑类型较多，功能要求各有不同，柱网及层高变化也较大，尺度一般较工业厂房为小。柱网和层高通常按300mm进级。12.1.3柱网尺寸及层高图12.3柱网的布置(a)内廊式；(b)跨度组合式变形缝分为伸缩缝和沉降缝，在地震设防区还需按《建筑抗震设计规范》伸缩缝是为了避免温度应力和混凝土收缩应力使房屋产生过大伸缩变形或裂缝而设置的，伸缩缝仅将基础以上的房屋分开。钢筋混凝土框架结构的伸缩缝最大间距如表12.1。沉降缝是为了避免地基不均匀沉降在房屋构件中产生裂缝而设置的，沉降缝必须将房屋连同基础一起分开。12.1.4变形缝的设置在建筑物的下列部位宜设置沉降缝：①土层变化较大处；②地基基础处理方法不同处；③房屋在高度、重量、刚度有较大变化处；④建筑平面的转折处；⑤沉降缝由于是从基础断开，缝两侧相邻框架的距离可能较大，给使用带来不便，此时可利用挑梁或搁置预制梁、板的方法进行建筑上的闭合处理，见图12.4表12.1钢筋混凝土框架结构伸缩缝最大间距（m)环境条件框架类别室内或土中露天装配式7550现浇式5535图12.4沉降缝做法(a)设挑梁（板）；(b)设预制板（梁）12.2框架结构的计算简图及荷载承受主要竖向荷载的框架主梁，其截面形式在全现浇的整体式框架中以T形（见图12.5(a)）为多；在装配式框架中可做成矩形、T形、梯形和花篮形（见图12.5(b)~(g)）等。不承受主要竖向荷载的连系梁，其截面形式常用T形、Γ形、矩形、⊥形、L形等，见图12.6。框架柱的截面形式一般为矩形或正方形。12.2.1.1截面的形状12.2.1梁柱截面的选择图12.5框架横梁截面形式图12.6框架连系梁截面形式（1）框架梁梁截面尺寸可参考受弯构件来初步确定。梁高hb一般可取(1/10~1/18)lb(lb为梁的计算跨度），梁净跨与截面高度之比不宜小于4。梁的宽度bb=(1/2~1/3)hb，一般不宜小于200mm。选择梁截面尺寸还应符合规定的模数要求。（2）柱截面的宽度bc和高度hc一般取（1/15~1/20)层高。为了提高框架抗水平力的能力，矩形截面的hc/bc不宜大于3，柱截面的边长不宜小于250mm。12.2.1.2截面尺寸（1）对现浇楼面的整体框架，中部框架梁I=2I0；边框架梁I=1.5I0。其中I0为矩形截面梁的惯性矩（图12.7(a))。（2）对做整浇层的装配整体式框架，中部框架梁I=1.5I0；边框架梁I=1.2I0（图12.7(b))（3）对装配式楼盖，梁的惯性矩可按本身的截面计算，I=I0（图12.7(c)）。12.2.1.3梁截面的惯性矩图12.7框架结构的刚度取值框架结构是由横向框架和纵向框架组成的空间结构。为了简化计算，通常忽略它们之间的空间联系，而将空间结构体系简化为横向和纵向平面框架计算，并取出单独的一榀框架作为计算单元，该单元承受的荷载如图12.8中阴影部分所示。在计算简图中，框架节点多为刚接，柱子下端在基础顶面，也按刚接考虑。杆件用轴线表示，梁柱的连接区用节点表示。等截面轴线取截面形心位置（图12.9(a)），当上下柱截面尺寸不同时，则取上层柱形心线作为柱轴线（图12.9(b)）。12.2.2框架结构的计算简图图12.8框架的计算单元图12.9框架柱轴线位置多层结构房屋一般受到竖向荷载和水平荷载的作用。竖向荷载包括横荷载、楼层使用活荷载、雪荷载及施工活荷载等。竖向荷载包括风荷载和水平地震作用。（1）在设计住宅、宿舍、旅馆、办公楼等多层建筑的墙、柱和基础时，由于楼面活荷载在所有各层同时满载的可能性很小，所以作用于楼面上的使用活荷载应乘以表12.2所规定的折减系数。12.2.3框架上的荷载（2）与单层工业厂房类似，作用在多层房屋外墙表面的风荷载标准值wkwk=βzμsμzw0表12.2楼面活荷载折减系数墙、柱、基础计算截面以上的楼层数12~34~56~89~20＞20计算截面以上各楼层活荷载总和的折减系数1.00(0.90)0.850.700.650.600.5512.3竖向荷载作用下的内力近似计算－分层法多层多跨框结构在竖向荷载作用下，用位移法或力法等精确方法计算的结果表明，框架的侧移是极小的，而且作用在某层横梁的影响也很小，为了（1）在竖向荷载作用下，框架的侧移可忽略不（2）每层梁上的荷载对其它各层梁的影响可忽12.3.1分层法的计算假定根据上述假定，计算时可将各层梁及其上、下柱作为独立的计算单元分层进行计算（图12.10)。分层计算所得梁弯矩即为最后弯矩，由于每一层柱属于上、下两层，所以柱的弯矩为上、下两层计算弯矩相叠加。图12.10分层法的计算单元12.3.2计算步骤（1）画出结构计算简图，并标明荷载及轴线尺（2）按规定计算梁、柱的线刚度和相对线刚度，除底层柱外，其余各层柱的线刚度遍乘0.9的折减系数；（3）用弯矩分配法自上而下分层计算各计算单（4）叠加柱端弯矩，得出最后杆端弯矩。如节（5）【例12.1】图12.11所示一个两层两跨框架，用分层法作框架的弯矩图，括号内数字表示每根杆线刚度的相对值。【解】将第二层各柱线刚度遍乘0.9，分为两层计算，各层计算单元如图12.12和图12.13所示。用弯矩分配法计算各杆端的弯矩，其计算过程见图12.14。最后将图12.14中的各杆端弯矩叠加并绘弯矩图如图12.15图12.11例12.1计算简图图12.12例12.1二层计算单元图12.13例12.1底层计算单元图12.14图12.15M图（单位：kN·m)12.4水平荷载作用下的内力和侧移的近似计算－反弯点法和D值法多层多跨框架所受水平荷载主要是风荷载及水平地震作用。一般可简化为作用在框架节点上的集中荷载，其弯矩图如图12.16(a)所示。它的特点是，各杆的弯矩图都是直线形，每杆都有一个零弯矩点，称为反弯点。框架在水平荷载作用下的变形情况如图12.16(b)所示。12.4.1.1反弯点法基本假定12.4.1反弯点法（1）在进行各柱间的剪力分配时，假定梁与柱的线刚度之比为无穷大，即各柱上下两端的转角为（2）在确定各柱的反弯点位置时，假定除底层柱以外的各层柱，受力后上下两端将产生相同的转图12.16水平荷载下的框架弯矩图和变形（1）反弯点高度的确定反弯点高度为反弯点至该层柱下端的距离。对于上层各柱，根据假定（2），各柱的上下端转角相等，此时柱上下端弯矩也相等，因而反弯点在柱中央。对于底层柱，当柱脚为固定时，柱下端转角为零，上端弯矩比下端弯矩小，反弯点偏离中央而向上移动，通常假定y=2h/312.4.1.2反弯点法的基本内容（2）侧移刚度d的确定侧移刚度d表示柱上下两端有单位侧移时在柱中产生的剪力。根据假定（1），梁柱线刚度之比无穷大，则各柱端转角为零，由结构力学的两端无转角但有单位水平位移时杆件的杆端剪力方程，柱的侧移刚度d212=cciVdhEIih（3）同层各柱剪力的确定设同层各柱剪力为V1、V2、…、Vj、…，根据V1+V2+…+Vj+…=∑P可得：于是有12=......jPPddddjd=jVPd（4）柱端弯矩的确定根据各柱分配的剪力及反弯点位置，可确定柱底层柱上端Mj上=Vj×hj/3下端Mj下=Vj×2hj/3上下端Mj上=Mj下=Vj×hj/2（4）梁端弯矩的确定柱端弯矩确定以后，根据节点平衡条件可确定对于边柱节点（图12.17(a)），有Mb=Mc1+Mc2对于中柱节点（图12.17(b))Mb1=ib1/(ib1+ib2)(Mc1+Mc2Mb2=ib2/(ib1+ib2)(Mc1+Mc2)【例12.2】用反弯点法求图12.18所示框架的弯矩图。图中括号内数字为各杆的相对线刚度。【解】（1）当同层各柱h相等时，各柱剪力可直接按其线刚度分第3∑P=10kNVAD=3.33kNVBE=4.45kNVCF=2.22kN第2∑P=10+19=29kNVDG=9.67kNVEH=12.89kNVFI=6.44kN第1∑P=10+19+22=51kNVGJ=17kNVHK=20.4kNVIL=13.6kN(2)计算柱端弯矩第3MAD=MDA=6.66kN·mMBE=MEB=8.9kN·mMCF=MFC=4.44kN·m第2MDG=MGD=24.18kN·mMEH=MHE=32.23kN·mMFI=MIF=16.1kN·m第1MGJ=34kN·mMJG=68kN·mMHK=40.8kN·mMKH=81.6kN·mMIL=27.2kN·mMLI=54.4kN·m(3)第3MAB=MAD=6.66kN·mMBA=3.42kN·mMBC=5.48kN·mMCB=MCF=4.44kN·m第2MDE=30.84kN·mMED=15.82kN·mMEF=25.31kN·mMFE=20.54kN·m第1MGH=58.18kN·mMHG=28.09kN·mMHI=44.94kN·mMIH=MIF+MIL=16.1+27.2=43.3kN·m根据以上结果，画出M图如图12.19所示图12.17节点杆端弯矩图12.18图12.19M图（单位：kN·m)12.4.2D值法反弯点法是梁柱线刚度比大于3时，假定节点转角为零的一种近似计算方法。提出了修正框架柱的侧移刚度和调整反弯点高度的方法，称为“改进反弯点法”或“D值法”（