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1、高层建筑结构设计第四章框架结构设计一、概念设计一、概念设计（一）定义：（一）定义：框架结构由横梁与立柱组成的杆件体系，节点全部或大部分为刚性连接,能够承受竖向和水平荷载作用的结构体系。框架结构的优点：框架结构的优点：1.1.结构轻巧、便于布置；结构轻巧、便于布置；2.2.整体性优于砖混结构和内框架承重结构；整体性优于砖混结构和内框架承重结构；3.3.可形成大的使用空间可形成大的使用空间4.4.施工方便施工方便5.5.比较经济比较经济（二）框架结构的受力变形特点：（二）框架结构的受力变形特点：1、竖向荷载作用下的受力特点：以框架梁受弯为主要受力特点，梁端弯矩与跨中弯矩成为结构极限承载力状态的控制
2、内力，跨中挠度成为结构正常使用状态的控制变形。2、水平荷载作用下的受力特点：框架柱承担水平剪力和柱端弯矩，柱上下端的偏心受压成为结构极限承载力状态的控制内力，结构水平侧移成为结构正常使用状态的控制变形框架结构在水平力作用下其侧移由两部分组成：由柱、梁的弯曲变形产生，由柱、梁的弯曲变形产生，柱和梁都有反弯点，框架下部下部的梁、柱内力大，层间变形变形也大大，愈到上部上部房间变形变形愈小小，整个结构呈剪切型剪切型，见图a 由柱的轴向变形产生，由柱的轴向变形产生，即在水平荷载作用下产生倾覆力矩，近侧柱拉伸,远侧柱压缩使结构出现侧移，侧移，是上部上部各层较大大，愈到底部底部层间变形越小小，整个结构呈弯曲
3、型弯曲型变形，见图b（三）结构布置：（三）结构布置：1、高宽比限制：非抗震时为5，设防烈度为6、7度时为4，8度时为3，9度时为2。最大适用高度：6度时为60m,7度时为55m,8度时为45m,9度时为25m。2、结构平面与竖向布置：简单、规则、对称、刚度均匀（四）截面估算与选型：（四）截面估算与选型：1、梁、柱：框架结构为超静定结构，分析内力框架结构为超静定结构，分析内力与杆件的截面尺寸有关，所以应合理初设。与杆件的截面尺寸有关，所以应合理初设。0)251181(lhb梁：bbhb)4121(取取 M=(0.6 0.8)M0，验算初估的验算初估的b h(简支状态简支状态)20c1bhfM0c
4、25.0bhfVcM、V 应满足：应满足：对于宽扁梁：对于宽扁梁：0)18181(lhb梁：bbhb)31(层高柱：)151101(cb)2(1phnMN（柱轴向力）=（1.11.2)NVccbh)21(对于多层框架柱，其截面尺寸可以按以下估算：对于高层框架柱，其截面尺寸可以按以下估算：cccfhbN1NV柱支承的楼面荷载面积上竖向荷载产生的轴向力设计值，可近似将楼板沿柱轴线之间的中线划分，恒载和活载的分项系数均取1.25,或近似取1214kN/m2计算 2、节点：框架梁、柱轴线宜重合，梁、柱轴线间的框架梁、柱轴线宜重合，梁、柱轴线间的最大偏心距不宜大于最大偏心距不宜大于柱截面柱截面在该方向边
5、长的在该方向边长的1/4，否则，否则应按下图加掖：应按下图加掖：图图3.1.3水平加掖梁水平加掖梁32/bxbb2/cbxbxbb框架节点有效宽度框架节点有效宽度bj宜符合下列宜符合下列要求：要求：bxjbbbx，021/xxlbxbbbxbxj，0 xbbxj2cxjhbb5.0（五）材料强度选择与填充墙布置要求：（五）材料强度选择与填充墙布置要求：1、材料强度：现浇框架梁、柱节点的混凝土强度等级，按一级抗震时，不应小于C30，按二四级抗震时，不应低于C20。现浇框架梁的混凝土强度等级不宜大于C40，框架柱的砼，9度时不宜大于C60，8度时不宜大于C70。2、填充墙布置要求：、填充墙布置要求
6、：框架结构的填充墙及隔墙宜选框架结构的填充墙及隔墙宜选用轻质材料，并与框架柱有可靠的拉结。用轻质材料，并与框架柱有可靠的拉结。总之，框架结构的布置原则是：总之，框架结构的布置原则是：避免形成上、下层刚度变化过大；避免形成上、下层刚度变化过大；避免形成短柱；避免形成短柱；减少因抗侧刚度偏心所造成的扭转。减少因抗侧刚度偏心所造成的扭转。3 3、填充墙、隔墙应具有自身稳定性：、填充墙、隔墙应具有自身稳定性：a、砌体的砂浆强度等级不应低于M5，墙顶应与框架梁或楼板密切结合；b、砌体填充墙应沿框架柱全高每隔500mm左右设置26500的拉筋，6、7度抗震时不应小于墙长的1/5且不应小于700mm，8、9
7、度时宜沿墙全长贯通；c、墙长5m时，墙顶与梁（板）宜有钢筋拉结，墙长层高的2倍时，宜设置钢筋混凝土构造柱，墙高4m时，墙体半高处（或门洞上皮）宜设置与柱连接且沿墙全长贯通的钢筋混凝土水平连系梁。（六）计算框图：（六）计算框图：1、框架结构一般不应采用铰接。2、框架结构宜采用正方形框架柱截面形式3、应设计成双向梁柱抗侧力体系，按双向弯曲计算框架柱截面配筋4、强柱弱梁，强节弱杆，强剪弱弯，强压弱拉5、框架结构不宜采用大底盘建筑形式，必要时可以沿塔式主楼设置抗震缝计算框图根据结构上荷载传力的途径不同，框架结构有三根据结构上荷载传力的途径不同，框架结构有三种结构布置形式。种结构布置形式。二、内力与位移
8、的近似设计二、内力与位移的近似设计（一）基本假定：（一）基本假定：1、各榀框架在其自身平面内刚度很大，、各榀框架在其自身平面内刚度很大，平面外抗侧刚度忽略不计平面外抗侧刚度忽略不计 2、楼板在其自身平面内刚度很大：、楼板在其自身平面内刚度很大：3、框架在使用荷载作用下构件材料均处、框架在使用荷载作用下构件材料均处于弹性阶段。于弹性阶段。（二）计算单元和计算简图：（二）计算单元和计算简图：1 1、计算单元、计算单元 2 2、计算简图、计算简图中间框架边框架计算单元密度框架结构计算简图框架结构计算简图 构件的抗弯刚性：EI3121bhI 考虑板参与工作及砼带裂缝工作的弹塑性性质作以下调整：梁端弯矩
9、调幅系数：cEI现浇框架 =0.80.9装配整体式框架 =0.7 0.8hlEIi或考虑楼板参与工作：考虑楼板参与工作：现浇框架现浇框架装配整体式框架装配整体式框架装配式框架装配式框架中框架中框架边框架边框架2I01.5I0I01.5I01.2I0I0I0 按矩形截面梁计算的惯性矩。按矩形截面梁计算的惯性矩。力矩力矩 叠代法叠代法 竖向荷载竖向荷载 叠代法叠代法 水平荷载水平荷载 无剪力分配法无剪力分配法 分层计算法分层计算法 反弯点法反弯点法 D值法值法 精确计算法精确计算法 无剪力分配法无剪力分配法 近似分析法近似分析法 反弯点法反弯点法 D值法值法 这里着重复习分层计算法，反弯点法和这里
10、着重复习分层计算法，反弯点法和D值法。值法。力矩分配法力矩分配法叠代法叠代法高层高层（三）计算方法：（三）计算方法：竖向荷载作用分层计算法竖向荷载作用分层计算法高层高层（1）竖向荷载作用下，框架侧移忽略不计（2）每层梁上的荷载对其它各层梁的影响忽略不计1.计算假定可以将多层框架分成多个单层框架计算，用力可以将多层框架分成多个单层框架计算，用力矩分配法进行计算，其计算结果：矩分配法进行计算，其计算结果：对梁而言即为最对梁而言即为最后结果，对柱而言，为相邻两个单层柱结果之和。后结果，对柱而言，为相邻两个单层柱结果之和。注意：注意：1由于多层框架在节点处有转角，而分由于多层框架在节点处有转角，而分成
11、单层框架时假定为嵌固，需调整，即将除底层柱成单层框架时假定为嵌固，需调整，即将除底层柱外的各柱线刚度外的各柱线刚度 0.9，传递系数由，传递系数由1/2改为改为1/3。2分层法适用于节点梁柱线刚度分层法适用于节点梁柱线刚度 ib/ic 3，结结 构和荷载沿高度比较均匀的多层框架计算。构和荷载沿高度比较均匀的多层框架计算。3在竖向荷载作用下，可以考虑梁端塑性变形在竖向荷载作用下，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，调幅系数：内力重分布而对梁端负弯矩进行调幅，调幅系数：现浇框架现浇框架0.80.9,装配式框架装配式框架0.70.8。4梁端负弯矩减少后，应按平衡条件计算调幅梁端负弯
12、矩减少后，应按平衡条件计算调幅后的跨中弯矩，其值至少应取按简支梁计算的跨中后的跨中弯矩，其值至少应取按简支梁计算的跨中弯矩的一半。弯矩的一半。5竖向荷载产生的梁弯矩应先进行调幅，然后竖向荷载产生的梁弯矩应先进行调幅，然后再与风荷载及地震作用产生的弯矩进行组合，求出再与风荷载及地震作用产生的弯矩进行组合，求出各控制截面的最大最小弯矩。各控制截面的最大最小弯矩。（2）计算步骤（1）画出框架计算简图；（2）计算梁柱线刚度及相对线刚度，除底层柱外，柱线刚度乘0.9；（3）将多层框架分成多个单层框架，用力矩分配法计算单层框架的内力；（4）将多个单层框架组成单个多层框架，梁的内力不变，柱的内力相迭加，若有
13、较大不平衡弯矩，可再分配一次；（5）画出最后弯矩图，由弯矩图求剪力、轴力图。有兴趣的同学们可试做本题有兴趣的同学们可试做本题高层高层 水平荷载作用下内力的近似计算方法水平荷载作用下内力的近似计算方法1、反弯点法、反弯点法:A、计算假定：、计算假定：（1）梁的线刚度与柱的线刚度之比大于3时，可以认为梁刚度无限大（2）梁、柱轴向变形均忽略不计B、应用前提：、应用前提：层数不多，柱轴力较小，截面也较小，层数不多，柱轴力较小，截面也较小，梁的线刚度梁的线刚度i ib b 比柱的线刚度比柱的线刚度i ic c 大很多。大很多。（1）确定反弯点：底层）确定反弯点：底层1/3h（上），下（上），下2/3h，
14、其余各层，其余各层1/2h（2）每层以上的水平荷载按剪力分配系数分配给该层每层以上的水平荷载按剪力分配系数分配给该层的各柱：的各柱：pVjjddjj212hidc抗侧移刚度：抗侧移刚度：cE Iil=梁端弯矩：对于边柱：梁端弯矩：对于边柱：柱端弯矩：柱下端柱端弯矩：柱下端 jjjyVM下)jjjjyhVM（上下上jjjMMM右左左下上左）（iiiMMMjjj右左右下上右）（iiiMMMjjj柱上端柱上端对于中柱：对于中柱：高层高层 ：第：第n 第第 j 层侧移刚度层侧移刚度 ：n 层侧移刚度总和层侧移刚度总和 线刚度：线刚度：jdd 2、D值法值法：对于框架层数较多，柱轴力较大的框对于框架层数
15、较多，柱轴力较大的框架，再用反弯点法，计算误差较大，这时要用修架，再用反弯点法，计算误差较大，这时要用修正后的柱侧移刚度，即正后的柱侧移刚度，即D值法。值法。其假定是：(1)考虑结点转角及上下结点转角的差别，但仍假定同层各结点转角相等，即假定横梁在水平荷载作用下反弯点在跨中，该点没有竖向位移 (2)梁、柱轴向变形均忽略不计高层高层 A、均匀与倒三角形水平荷载下各层柱标准反、均匀与倒三角形水平荷载下各层柱标准反弯点高比弯点高比y可查表可查表4.24.5 y=y0+y1+y2+y3 B、侧移刚度要乘以刚度修正系数、侧移刚度要乘以刚度修正系数,查表查表4.1 高层高层影响因素影响因素：1）该柱所在楼
16、层的位置该柱所在楼层的位置y02）上下梁相对线刚度的比值上下梁相对线刚度的比值y13）上下层层高的变化上下层层高的变化y2、y3212ciDha=作业：作业：用反弯点法与用反弯点法与D值法作下题的内力图，（）内为相对值法作下题的内力图，（）内为相对线刚度线刚度高层高层 多层多跨框架在水平荷载作用下侧移多层多跨框架在水平荷载作用下侧移的近似计算：的近似计算：对于高层建筑来说，控制结构的侧移是很重要的，控制框架结构侧移要计算两部分内容：一是顶层最大侧移，因侧移值一是顶层最大侧移，因侧移值过大，将影响使用；二是计算层间相对侧过大，将影响使用；二是计算层间相对侧移值过大，将会使填充墙出现裂缝，移值过大，将会使填充墙出现裂缝，当然当然在高层建筑结构中采用框架时，为了更好在高层建筑结构中采用框架时，为了更好地抵抗水平荷载，通常设置剪力墙。地抵抗水平荷载，通常设置剪力墙。高层高层21 绝对绝对位移：位移：（顶点总位移）nnn11高层高层1、计算梁、柱弯曲变形所产生的侧移、计算梁、柱弯曲变形所产生的侧移nnDPnPnD ：第n层以上水平荷载的总和 ：第n层所有柱的D（柱侧移刚度）的总和各层相对位移：各
