钢筋混凝土多层及高层框架结构.doc

常用结构体系     钢筋混凝土多层及高层房屋有框架结构、框架剪力墙结构、剪力墙结构和筒体结构四种主要的结构体系。  1 、框架结构     框架结构房屋(是由梁、柱组成的框架承重体系，内、外墙仅起围护和分隔的作用。    框架结构的优点是能够提供较大的室内空间，平面布置灵活，因而适用于各种多层工业厂房和仓库。缺点：在水平荷载下表现出抗侧移刚度小，水平位移大。因此，框架结构房屋一般不超过15层。  框架结构柱网示意图  2 、剪力墙结构 剪立墙结构示意图  广州白云宾馆    当房屋层数更多时，水平荷载的影响进一步加大，可采用剪力墙结构，此种结构的刚度较大，在水平荷载下侧移小，但平面布置不灵活，适用于1535层的小开间的民用建筑高层房屋。    广州白云宾馆(33层、112米)采用的就是剪力墙结构。  3 、框架剪力墙结构     为了弥补框架结构随房屋层数增加，水平荷载迅速增大而抗侧移刚度不足的缺点，可在框架结构中增设钢筋混凝土剪力墙形成框架剪力墙结构。    在框架剪力墙结构房屋中，框架负担竖向荷载为主，而剪力墙将负担绝大部分水平荷载。多用于1625层的工业与民用建筑中(如办公楼、旅馆、公寓、住宅及工业厂房)。  4 、筒体结构     简体结构是将剪力墙集中到房屋的内部和外围形成空间封闭筒体，使整个结构体系既具有极大的抗侧移刚度，又能因剪力墙的集中而获得较大的空间，使建筑平面获得良好的灵活性，由于抗侧移刚度较大，适用于更高的高层房屋(30层，100m)。    筒体结构有单筒体结构(包括框架核心筒和框架外框筒)、筒中筒结构和成束筒结构等三种形式(图7-2)。图7-2筒体结构      (a)框架内筒结构；(b)筒中筒结构；?束筒结构 框架结构   1 、框架结构承重方案 横向框架承重    横向框架承重布置方案是板、连系梁沿房屋纵向布置，框架承重梁沿横向布置(图7-3)，有利于增加房屋横向刚度。缺点是由于主梁截面尺寸较大，当房屋需要较大空间时，其净空较小。纵向框架承重     纵向框架承重布置方案是板、连系梁沿房屋横向布置，框架承重梁沿纵向布置。优点是通风、采光好，有利于楼层净高的有效利用，可设置较多的架空管道，故适用于某些工业厂房，但因其横向刚度较差，在民用建筑中一般采用较少。纵、横向框架混合承重       纵、横向框架混合承重布置方案是沿房屋的纵、横向布置承重框架。纵、横向框架共同承担竖向荷载与水平荷载。当柱网平面尺寸为正方形或接近正方形时，或当楼面活荷载较大时，则常采用这种布置方案。纵、横向框架混合承重方案，多采用现浇钢筋混凝土整体式框架。  2 、框架结构设计与计算 一、计算简图    任何框架结构都是一个空间结构，当横向、纵向的各榀框架布置规则，各自的刚度和荷载分布都比较均匀时，可以忽略相互之间的空间联系，简化为一系列横向和纵向平面框架，使计算大大简化，如图76。在计算简图中，框架梁、柱以其轴线表示，梁柱连接区以节点表示，如图7-6(a)、(b)。梁的跨度取其节点间的长度。柱高，首层取基础顶面至一层梁顶之间的高度，一般层取层高。二、框架上的荷载竖向荷载包括恒载(结构自重及建筑装修材料重量等)及活载(楼面及屋顶使用荷载、雪荷载等)。在设计楼面梁、墙、柱及基础时，要根据承荷面积(对于梁)及承荷层数(对于墙、柱及基础)的多少，对楼面活荷载乘以相应的折减系数。墙柱基础的活载按楼层数的折减系数见下表： 计算截面以上的层数 1 23 45 68 920 >20 计算截面以上活荷载总和的折减系数 1.0(0.9) 0.85 0.70 0.650.600.55     注：当楼面梁的承荷面积大于25时，采用括号内数值。其他类房屋的折减系数见建筑结构荷载规范。    风荷载计算参见第六章。对于高层建筑，要适当提高基本风压的取值。对一般高层建筑，可按荷载规范给出的基本风压值乘以系数1.1后采用；对于特别重要的和有特殊要求的高层建筑，可将基本风压值乘以1.2后采用。  3 、框架内力近似计算方法    竖向荷载作用下分层法：    框架在竖向荷载作用下，各层荷载对其他层杆件的内力影响较小，因此，可忽略本层荷载对其他各层梁内力的影响，将多层框架简化为单层框架，即分层作力矩分配计算。   框架在水平荷载作用下的近似计算方法反弯点法、D值法：   1)反弯点法。框架在水平荷载作用下，因无节点间荷载，梁、柱的弯矩图都是直线形，都有一个反弯点，在反弯点处弯矩为零，只有剪力。因此，若能求出反弯点的位置及其剪力，则各梁、柱的内力就很容易求得。底层柱的反弯点位于距柱下端23高度处，其余各层柱反弯点在柱高的中点处。按柱的抗侧刚度将总水平荷载直接分配到柱，得到各柱剪力以后，可根据反弯点的位置，求得柱端弯矩。再由结点平衡可求出梁端弯矩和剪力。反弯点法对梁柱线刚度之比超过3的层数不多的规则框架，计算误差不大。   2) D值法。对于多高层框架，用反弯点法计算的内力误差较大。为此，改进的反弯点法即D值法用修正柱的抗侧移刚度和调整反弯点高度的方法计算水平荷载作用下框架的内力。修正后的柱抗侧移刚度用D表示，故又称为D值法。该方法的计算步骤与反弯点法相同，具体可参考相关书籍，这里不再讲述。  4 、框架侧移近似计算及限值 1.框架侧移近似计算    抗侧移刚度D的物理意义是产生单位层间侧移所需的剪力(该层间侧移是梁柱弯曲变形引起的)。当已知 框架结构第层所有柱的D值()及层剪力Vj后，则可得近似计算层间侧移的公式：              (71)框架顶点的总侧移为各层框架层间侧移之和，即              (72)式中：n框架的总层数。    以上算出的层间侧移和顶点的总侧移是梁柱弯曲变形引起的。事实上，框架的总变形应由梁柱弯曲变形和柱轴向变形两部分组成的。在层数不多的框架中，柱轴向变形引起的侧移很小，常常可以忽略。在近似计算中，只需计算由梁柱弯曲引起的变形。2.框架侧移限值    为保证多层框架房屋具有足够的刚度，避免因产生过大的侧移而影响结构的强度、稳定性和使用要求，规范规定：高度不大于150m的框架结构，其楼层层间最大位移与层高之比不宜大于1550。  5 、控制截面及最不利内力组合     框架结构承受的荷载有恒载、楼(屋)面活载、风荷载和地震力(抗震设计时需考虑)。对于框架梁，一般取两梁端和跨间最大弯矩处截面为控制截面。对于柱，取各层柱上、下两端为控制截面。最不利内力组合就是使得所分析杆件的控制截面产生不利的内力组合，通常是指对截面配筋起控制作用的内力组合。对于框架结构，针对控制截面的不利内力组合类型如下。梁端截面： +Mmax；-Mmax ；Vmax 。梁跨中截面： +Mmax；Mmin 。柱端截面： 及相应的N，V；Nmax；及相应的M，V；Nmin及相应的M，V。  6 、竖向活荷载不利布置及其内力塑性调幅     竖向活荷载不利布置的方法有逐跨施荷组合法、最不利荷载位置法和满布活载法。满布活载法把竖向活荷载同时作用在框架的所有的梁上，即不考虑竖向活荷载的不利分布，大大地简化计算工作量。经验表明，对楼(屋)面活荷载标准值不超过5.0k的一般工业与民用多层及高层框架结构，此法的计算精度可以满足工程设计要求。    在竖向荷载作用下可以考虑梁端塑性变形内力重分布而对梁端负弯矩进行调幅。装配整体式框架调幅系数为0.70.8；现浇框架调幅系数为0.80.9。梁端负弯矩减小后，应按平衡条件计算调幅后的跨中弯矩(与调幅前的跨中弯矩相比有所增加)。截面设计时，梁跨中正弯矩至少应取按简支梁计算的跨中弯矩的一半。竖向荷载产生的梁的弯矩应先进行调幅，再与风荷载和水平地震作用产生的弯矩进行组合。  7 、框架构件设计     (1)梁柱截面形状及尺寸    对于框架梁，截面形状一般有矩形、T形、I形等。    框架结构的主梁截面高度可按(1/101/18)确定(为主梁的计算跨度)，且不宜大于1/4净跨。主梁截面的宽度不宜小于1/4，且不宜小于200。    对于框架柱，截面形状一般有矩形、T形、I形、圆形等。    框架矩形截面柱的边长，不宜小于250mm，圆柱直径不宜小于350mm，截面高度与宽度的边长比不宜大于3。    (2)材料强度等级现浇框架的混凝土强度等级不应低于C20，梁、柱混凝土强度等级相差不宜大于5MPa，超过时，梁、柱节点区施工时应作专门处理，使节点区混凝土强度等级与柱相同。    纵向钢筋宜采用HRB400和HRB335级钢筋。    (3)配筋计算    1)框架梁。框架梁纵向钢筋及腹筋的配置，分别由受弯构件正截面承载力和斜截面承载力计算确定，并满足变形和裂缝宽度要求，同时满足构造规定。    2)框架柱。框架柱为偏心受压构件，其配筋按偏心受压构件计算。通常，中间轴线上的柱可按单向偏心受压考虑，位于边轴线上的角柱，应按双向偏心受压考虑。    (4)配筋构造要求    1)框架梁。纵向受拉钢筋的最小配筋率不应小于0.2%和0.45二者的较大值；沿梁全长顶面和底面应至少各配置两根纵向钢筋，钢筋直径不应小于12mm。框架梁的箍筋应沿梁全长设置。截面高度大于800mm的梁，其箍筋直径不宜小于8mm；其余截面高度的梁不应小于6mm。在受力钢筋搭接长度范围内，箍筋直径不应小于搭接钢筋最大直径的0.25倍。箍筋间距不应大于表71的规定；在纵向受拉钢筋的搭接长度范围内，箍筋间距尚不应大于搭接钢筋较小直径的5倍，且不应大于100mm在纵向受压钢筋的搭接长度范围内，也不应大于搭接钢筋较小直径的10倍，且不应大于200mm。表71非抗震设计梁箍筋的最大间距(单位：mm)     2)框架柱。柱纵向钢筋的最小配筋百分率对于中柱、边柱和角柱不应小于0.6%，同时每一侧配筋率不应小于0.2%；柱全部纵向钢筋的配筋百分率不宜大于5%。柱纵向钢筋宜对称配置。柱纵向钢筋间距不应大于350mm，截面尺寸大于400mm的柱，纵向钢筋间距不宜大于200mm；柱纵向钢筋净距均不应小于50mm。柱的纵向钢筋不应与箍筋、拉筋及预埋件等焊接；柱纵向钢筋的绑扎接头应避开柱端的箍筋加密区。框架柱的周边箍筋应为封闭式。箍筋间距不应大于400mm，且不应大于构件截面的短边尺寸和最小纵向受力钢筋直径的15倍。箍筋直径不应小于最大纵向钢筋直径的1/4，且不应小于6mm。当柱中全部纵向受力钢筋的配筋率超过3时，箍筋直径不应小于8mm，箍筋间距不应大于最小纵向钢筋直径的10倍，且不应大于200mm箍筋末端应做成1350弯钩且弯钩末端平直段长度不应小于10倍箍筋直径。当柱每边纵筋多于3根时，应设置复合箍筋(可采用拉筋)。  8 、现浇框架节点构造     现浇框架的节点构造主要是为了保证梁和柱的连接质量。框架梁、柱的纵向钢筋在框架节点区的锚固和搭接应符合图7-7要求。图7-7非抗震设计框架梁纵向钢筋在节点内的锚固与搭接    抗震设计的框架梁柱构造要求可参见第十三章“建筑结构抗震基本知识”的相关内容。