多层钢筋混凝土框架结构

多层钢筋混凝土框架结构

  1. 多层框架结构的组成和布置； 2. 多层框架结构的计算简图及荷载确定； 3. 无抗震设防要求时框架结构构件设计； 4. 非抗震设计时框架节点的构造要求； 第 10 章 多层钢筋混凝土框架结构 本章主要内容 第 10 章 多层钢筋混凝土框架结构 10.0 概述 　　全美目前的最高建筑是芝加哥西尔斯大厦，这座 110 层大厦，高 443 米；而世界最高建筑 （已建成） 是中国台北的 101 层摩天大楼，高达 503.7 米。 高层与多层的界限： 1 、 《 高层建筑混凝土结构技术规程 》JGJ3-2002 （以下简称 《 高规 》 ） 10 层及 10 层以上或大于 28m 的房屋为高层建筑； （ High-rise building ） 2 、 2-9 层且高度不大于 28 米的建筑则为多层建筑。（ Multistory building ） 世界十大典型高层： 第一（台北 101 大楼 ） 　　被称为“台北新地标”的 101 大楼于 1998 年 1 月动工，主体工程于 2003 年 10 月完工。有世界最大且最重的“风阻尼器”，还有两台世界最高速的电梯，从一楼到 89 楼，只要 39 秒的时间。　　在世界高楼协会颁发的证书里，台北 101 大楼拿下了“世界高楼”四项指标中的三项世界之最，即“最高建筑物”（ 508 Ｍ）“最高使用楼层” (438 米 ) 和“最高屋顶高度” (448 米 ) 。 　　国家石油公司双塔大楼位于吉隆坡市中心美芝律，高 88 层，是当今世界名冠的超级建筑。巍峨壮观，气势雄壮，是马来西亚的骄傲。　　它曾以 451.9 米的高度打破了美国芝加哥希尔斯大楼保持了 22 年的最高记录。这个工程于 1993 年 12 月 27 日动工， 1996 年 2 月 13 日正式封顶， 1997 年建成使用。登上双塔大楼，整个吉隆坡市秀丽风光尽收眼底，夜间城内万灯齐放，景色尤为壮美。 第 10 章 多层钢筋混凝土框架结构 世界十大典型高层：第 二（国家石油公司双塔大楼） 　　西尔斯大厦是位于美国伊利诺州芝加哥的一幢摩天大楼，楼高 442 米，共地上 108 层，由建筑师密斯 · 凡德勒所设计。　　美国伊利诺伊州的芝加哥市堪称摩天大楼的发源地。它是为西尔斯 -- 娄巴克公司建造的，于 1973 年竣工。　　西尔斯大厦由 9 座塔楼组成。它们的钢结构框架焊接在一起，这样也助于减少因其高度所造成的在风中摇动。所有的塔楼宽度相同，但高度不一。大厦外面的黑色环带巧妙地遮盖了服务性设施区。西尔斯大厦有 110 层，一度是世界上最高的办公楼。每天约的 1.65 万人到这里上班。在第 103 层有一个供观光者俯瞰全市用的观望台。它距地面 412 米，天气晴朗时可以看到美国的 4 个州。 第 10 章 多层钢筋混凝土框架结构 世界十大典型高层 ：第三（西尔斯大厦 ） 　　金茂大厦具有中国传统风格的超高层建筑，是上海迈向 21 世纪的标志性建筑之一，由美国 SOM 设计事务所主设计。 1998 年 8 月建成。占地 236 万平方米，建筑面积 28.95 万平方米。高 420.5 米， 88 层。　　金茂大厦主楼 1 ～ 52 层为办公用房， 53 ～ 87 层为五星级宾馆， 88 层为观光层。大厦充分体现了中国传统的文化与现代高新科技相融合的特点，既是中国古老塔式建筑的延伸和发展，又是海派建筑风格在浦东的再现。 第 10 章 多层钢筋混凝土框架结构 世界十大典型高层 ：第四（上海金茂大厦 ） 第五（香港国际金融中心大厦） 第六（中信广场大厦） 第七（信兴广场大厦） 第八（帝国大厦） 第九（中环广场大厦） 第十（中银大厦） 第 10 章 多层钢筋混凝土框架结构 世界十大典型高层 ： 　　位于香港中环的国际金融中心一期 1998 年竣工，高 39 层， 180 米，自建成后便吸引了不少国际金融机构进驻。国金二期 2003 年落成，高 420 米，共 88 层，为香港最高建筑物。被称为“惊世之作”的香港国际金融中心二期外形设计概念是以一个向外地的朋友“招手”的手势，向海外朋友表示“欢迎您”的意思。 　　天河中信广场是广州继 63 层广东国际大厦（查看地图）为当年全国最高建筑之后，又一次夺得 90 年代的全国之冠，楼高达 391 米， 80 层，迄今为止仍是广东省之最。 　　作为中国最高的建筑之一，中信广场有 68 部电梯上上下下，保利物业负责人称，整个中信是“立起来的街道”。 　　信兴广场地王大厦由 68 层的商业大楼、 32 层的商务公寓、 5 层的购物中心及 2 层地下停车场组成，楼高 384 米，占地 18734 平方米，总建筑面积 27 万平方米，总投资 40 亿港币。 　　 1981 年 4 月 30 日，矗立在美国纽约市中心高 1250 英尺、共 102 层的帝国大厦度过了 50 个春秋。 30 年代，美国经济处于大萧条时期，人民生活更加困苦，而华尔街的老板们却热衷于修建摩天大楼的竞赛。百万富翁拉斯科布为了显示自己的富有，决意修建一座世界最高的楼房。他找来著名的建筑师威廉 · 拉姆，问楼房能盖多高？拉姆沉思片刻后回答说：“ 1050 英尺。”拉斯科布对这个高度很不满意，因为这仅仅比当时纽约新建成的克莱斯勒大厦高 4 英尺。于是，建筑师设法增加了一节 200 英尺高的圆塔，使帝国大厦的高度为 1250 英尺。这座摩天大楼只用了 410 天就建成，也可算是建筑史上的奇迹。在很长一段时间里，帝国大厦一直是世界最高的楼房。 　　 1993 年香港中环广场大厦建成，高 374 米， 78 层，是香港目前最高的摩天大楼。也同样跻身于世界最高建筑物前 10 名之列。　　大厦看起来是三角形造型，其实并不是真三角形因为它的尖角均被切去。原因有二：首先是为了能有更多便于使用的室内面积；而更重要的是避免以其税利尖角冲向邻居而得罪他们。这样做不仅是不礼貌的更重要的是有碍风水。 　　大厦顶部以金字塔形状的坡顶以及立于其上的桅杆作收束，晚间日光照耀下闪闪发光。立面以三种不同颜色的隔热玻璃围护。金色、银色涂层的玻璃构成垂直和水平图案而形别涂饰的花玻璃穿插其间，形成典雅而又闪烁发光的形象。 香港中国银行大厦，由贝聿铭建筑师事务所设计， 1990 年完工。总建筑面积 12.9 万平方米，地上 70 层，总高 369 米。结构采用 4 角 12 层高的巨形钢柱支撑，室内无一根柱子。 仔细观察中银大厦，会发现许多贝氏作品惯用的设计，以平面为例，中银大厦是一个正方平面，对角划成 4 组三角形，每组三角形的高度不同，节节高升，使得各个立面在严谨的几何规范内变化多端，至于平面的概念，可以溯至 1973 年的马德里大厦，马德里大厦亦是以方正的正面做多边的分割，分析其组合，乃系两个平等四边形的变化。 第 10 章 多层钢筋混凝土框架结构 常用结构体系 竖向荷载 ：构件自重、人员及家具活载等 水平荷载 ：风荷载、地震作用等 随高度的增加，水平荷载产生的效应快速增加。 常用的结构体系有： 1 、框架结构 2 、框架 - 剪力墙结构 3 、剪力墙结构 4 、筒体结构 第 10 章 多层钢筋混凝土框架结构 1. 框架结构 组成 ：横梁和立柱组成 特点 ：平面布局灵活，易于设置大房间的需要，承受竖向荷载很合理。但框架的抗侧刚度小，抵抗水平荷载能力较差。 应用 ：非地震区，建 15 － 20 层，地震区，建 10 层以下。 第 10 章 多层钢筋混凝土框架结构 2 . 剪力墙结构（抗震墙） 组成 ：由钢筋混凝土的墙体，组成房屋的结构体系。 特点 ：钢筋混凝土墙体承受竖向荷载和水平荷载，有很大的抗侧刚度。但房屋被剪力墙分割成较小空间，不适用于需大空间的建筑物。 应用 ： 15-50 层，用于高层住宅、旅馆、写字楼等。 第 10 章 多层钢筋混凝土框架结构 3. 框架 - 剪力墙结构（框剪结构） 组成 ：由若干框架和局部剪力墙组成。 特点 ：竖向荷载主要由框架承担，水平荷载主要由剪力墙承担。兼有框架体系和剪力墙体系的优点。 应用 ： 15~30 层的办公楼、公寓、旅馆等。 小贴士： 北京东华金座项目，位于北京市宣武区牛街，由华尔森集团开发建设，总建筑面积约 10 万平方米，建筑高度 73.84 米，地上 20 层、地下 3 层。东华金座集商业、娱乐、居住功能为一体，地下室为人防工程及车库，裙房 12 层为商场、餐厅，裙房 3 层为会所。 4 层以上主体建筑分为三部分： 18 层的北楼为住宅， 20 层的东西塔楼为酒店式公寓。结构形式为框架剪力墙结构。 第 10 章 多层钢筋混凝土框架结构 4. 筒体结构 组成 ：由钢筋混凝土墙或框架柱（框筒）组成。 特点 ：将剪力墙集中到房屋内部或外围，形成空间封闭筒体，使结构既有极大的抗侧刚度，同时又能获得较大的空间。 应用 ：一般用于 45 层左右甚至更高的建筑。 小贴士： 美国西尔斯大厦为成束筒结构。位于芝加哥市。由 9 个 22.9 米见方的正方形组成。大厦平面随层数增加而分段收缩，在 51 层以上切去两个对角正方形， 67 层以上切去另外两个对角正方形， 91 层以上又切去三个正方形，只剩下两个正方形到顶。 第 10 章 多层钢筋混凝土框架结构 （ a ）框架核心筒结构　　　　（ b ）筒中筒结构　　　（ c ）成束筒结构 几种筒体结构： 10.1 框架结构设计 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 10.1 。 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 三种。 10.1.1 框架结构的组成 图 10.1 　框架结构图 (a) 平面图； (b) Ⅰ-Ⅰ 剖面图 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，模板耗费多，工期长。 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，有利于施工机械化。 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 。 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。 1. 承重框架 的布置 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， 框架体系可以分为下列三种： （ 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 10.4 (a) 。 10.1.2 框架结构的布置 （ 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 10.4 (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 10.4 (c) 。 图 10.4 　框架体系的布置 (a) 横向布置； (b) 纵向布置； (c) 纵横双向布置 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 》 的规定设置防震缝 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 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。 2. 变形缝的设置 第 10 章 多层钢筋混凝土框架结构 10.2 框架结构 变形缝包括伸缩缝、沉降缝、防震缝 钢筋混凝土框架结构伸缩缝的最大间距（ m ） 结构类别 室内或土中 露天 装配式框架 75 50 装配整体式现浇式框架 55 35 设置变形缝对构造、施工、造价及结构整体性和空间刚度都不利，基础防水也不易处理。因此，实际工程中常通过采用合理的结构方案、可靠的构造措施和施工措施（如设置后浇带）减少或避免设缝。 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 新建部分与原有建筑的交界处。 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。 图　沉降缝做法 (a) 设挑梁（板）； (b) 设预制板（梁） 10.2 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 (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 (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 。 框架柱的截面形式一般为矩形或正方形。 1 截面的形状 10.2.1 梁柱截面的选择 图　框架横梁截面形式 图　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 h b 一般可取 (1/10~1/18)l b (l b 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 b b =(1/2~1/3)h b ，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 ） 框架柱 　　 柱截面的宽度 b c 和高度 h c 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 h c /b c 不宜大于 3 ，柱截面的边长不宜小于 250mm 。 10.2.1 截面尺寸 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 10.5 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。 10.2.2 框架结构的计算简图 图 10.5 　框架的计算单元 2. 节点简化 现浇框架： 梁柱节点简化为刚接节点； 装配式框架： 梁柱节点简化为铰接或半铰接； 装配整体式框架： 梁柱节点简化为刚接节点，但刚性不如现浇式框架。 框架支座 现浇钢筋混凝土柱： 按固定支座计算； 预制钢筋混凝土柱： 根据构造措施按固定支座和铰支座计算 3. 跨度与高度的确定 框架梁的跨度： 取框架柱轴线间的距离；对于不等跨框架，当各跨跨度相差不大于 10 ％，可近似按等跨框架计算，简化后的跨度取原各跨跨度的平均值。 层高 ( 框架柱的长度 ) ： 本层楼面至上层楼面的高度。 为了简化计算，作如下规定： （ 1 ） 对现浇楼面的整体框架，中部框架梁 I=2I 0 ；边框架梁 I=1.5I 0 。其中 I 0 为矩形截面梁的惯性矩（ 图 (a) ) 。 （ 2 ） 对做整浇层的装配整体式框架，中部框架梁 I=1.5I 0 ；边框架梁 I=1.2I 0 （ 图 (b) ) 。 （ 3 ） 对装配式楼盖，梁的惯性矩可按本身的截面计算， I=I 0 （ 图 (c) ）。 4. 梁截面的惯性矩 图　框架结构的刚度取值 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 ） 楼面活荷载的折减 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 10.1 所规定的折减系数。 10.3 框架上的荷载 表 10.1 　楼面活荷载折减系数 墙、柱、基础计算截面以上的楼层数 1 2~3 4~5 6~8 9~20 ＞ 20 计算截面以上各楼层活荷载总和的折减系数 1.00 (0.90) 0.85 0.70 0.65 0.60 0.55 （ 2 ） 风荷载 　 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 w k 可按下式计算： 　　 　 w k =β z μ s μ z w 0 10.5 框架结构内力计算 内力计算方法主要有：弯矩分配法、无剪力分配法和迭代法 ( 精确计算 ) 。为简化计算，实际常用的方法有：分层法 ( 竖向 荷载作用 ) 、反弯点法和 D 值法 ( 水平荷载作用 ) 。 1 竖向荷载作用下的内力计算 ( 分层法 ) 1). 力矩分配法回顾 转动刚度、分配系数、传递系数的概念与计算。 基本假定： ①框架的侧移忽略不计 ; ② 每层梁上的竖向荷载对本层梁及与本层梁相连的柱产生弯 矩与剪力。 刚度修正 ： 除底层柱外其它各层柱的线刚度均乘以 0.9 的折 减系数；除底层传递系数为 1/2 外，其它各层柱的弯矩传递 系数取 1/3 。 将多层框架简化为单层框架来计算，即分层进行力矩分配计算。分层计算得出的梁的弯矩即为最终弯矩，但由于每 个柱均属于上下两层，所以柱的最终弯矩为上下两层计算结 果相加。 分层法计算步骤及要点 1. 选择某榀框架作为计算单元 2. 计算梁柱线刚度以及节点处分配系数 1 ）对于现浇框架，要考虑梁有效截面惯性矩的调整； 2 ）柱端设为固定端； 3 ）底层柱固定在基础顶面，可以视为固定端，其它层柱要 考虑到实际有柱端转动，故上层各柱线刚度乘以 0.9 修 正系数； 4 ）梁和底层柱的传递系数按远端固定，取 1/2 ；上层各柱 的传递系数取 1/3 。 3. 统计各层梁上竖向荷载设计值，并计算梁的固端弯矩。 4. 按前面规定的分配系数和传递系数，采用力矩分配法对每一层框架分别进行计算。 5. 求得每层内力后，将同属于上下两层的柱弯矩值进行叠加，作为原框架该柱的最终弯矩，梁的弯矩仅属于本层，不需叠加。 6. 得到框架最终弯矩图后，根据节点静力平衡可求得梁跨中弯矩，支座剪力以及柱剪力和轴力。 【 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 所示。 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 12.15 　 M 图（单位： kN·m) 竖向荷载作用下框架内力计算另一种方法 — 弯矩二次分配法 其实质为简化的弯矩分配法。 基本假定：节点不平衡弯矩只对与该节点相交的杆件远端有 影响，忽略它对其它杆件的影响。 计算步骤：先对节点不平衡弯矩进行分配，再将弯矩向远端 传递，最后将远端节点的新不平衡弯矩进行第二 次分配，整个过程即结束。 10.5 水平荷载作用下内力计算 ( 反弯点法与 D 值法 ) 基本假定 : ① 各柱上下端没有角位移 ;② 除底层外 , 各柱上下端节点转角相等 ;③ 忽略框架梁的轴向变形 ; 适用范围 : 梁的线刚度与柱的线刚度之比大于 3 。 该方法的两个 关键 问题为： 水平荷载在楼层各柱的分配 反弯点高度的确定。 第 10 章 多层钢筋混凝土框架结构 框架结构 1. 梁、柱截面形状及尺寸 ( 略 )2. 现浇框架节点构造 现浇框架梁、柱节点应做成刚性 10.8 框架结构的构造 （ 1 ）框架梁的纵向钢筋锚固 框架结构 10.8 框架结构的构造 （ 1 ）框架梁的纵向钢筋锚固 框架结构 10.8 框架结构的构造 （ 2 ）框架柱纵向钢筋锚固 框架结构 8.2.4 框架结构的构造 （ 3 ）顶层边节点钢筋锚固 框架结构 10.8 框架结构的构造 梁柱弯折钢筋的弯弧内半径 钢筋弯折位置 弯折钢筋直径 d （ mm ） 钢筋弯折位置 弯折钢筋直径 d （ mm ） d ≤25 d ＞ 25 d ≤25 d ＞ 25 顶层端节点上角处 6 d 8 d 其他部位 4 d 6 d