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'框架结构设计指导书(土木工程专业)二○一四年三月14
第一部分结构设计提纲一、首先要编写结构设计提纲俗话说“纲举目张”,实践证明结构设计提纲是指导结构施工图设计的纲领性文件。结构设计提纲是为开展结构施工图设计工作而编写的.因此,一切有关亊项,相关数据,甚至重大问题的决策过程都应该编写进去。内容包括:(一)工程概况1.建设单位和工程项目的名称,或子项目工程的名称.2.建设地点,该地区的地震烈度.3.结构平面划分区段,每个区段的结构类型、层数,主要使用功能、主要生产设备。4.相邻建筑物的情况和影响关系,施工时深基坑的围护措施和其它注意如项。(二)设计依据1.本工程应遵循的主要结构设计规范的名称和代号。2.察报告3.各种结构设计等级的确定抗震设防烈度、设计近震和远震、建筑物抗震重要性的分类、现浇钢筋混凝土结构的抗震等级;混凝土结构的安全等级;防火的建筑物分类和耐火等级;应用其它规范时的相应等级。4.特殊的设计要求.如耐高温、防渗漏、楼面机械派动、结构或构件的变形限制等。(三)荷载取值1.风荷载、雪荷载、楼面荷载和特殊荷载的标准值,必要时说明其分项系数和组合系数。2.地震荷载的调整系数.例如次长周期(=2~3秒)高层建筑的地震荷载调整系数可取1.5~1.8(自振周期越长、系数越大)。(四)上部结构1.结构选型、根据所设计建筑物的情况,选择适合本建筑物的最佳形式。14
1.温度伸缩缝、沉降缝和防震缝的设置和做法。3.材料(框架结构说明填充材料)。4.主要计算参数5.结构计算原则、方法和手段;手算时应说明其依据或出处;电算时应说明软件的编制单位名称、代号和版本。6.主要构件的截面尺寸和控制配筋率。7.主要构造措施和施工要求。(五)地基基础1.地基处理方法,经处理后采用地基土承载力设计值。采用桩基时单桩竖向承载力标准值或设计值。2.沉降观测的布置和要求,沉降计算方法。3.基础选型。4.基础材料。5.主要计算参数。6.基础计算原则方法和手段:手算时应说明依据或出处;电算时应说明软件的编制单位名称、代号和版本。7.主要构件(或部件)的截面尺寸和控制配筋率。8.主要构造措施和特殊施工要求。(六)其它第二部分结构方案确定及结构计算一、结构体系的选择和结构布置(一)结构体系的选择在设计钢筋混凝土多层及高层地筑结构时.可供选择的结构体系有;框架结构;框架——剪力墙结构;剪力墙结构;框支剪力墙结构;筒体结构和巨型结构等.目前,我国采用较多的是前5种.设计中究竟采用哪种结构体系,要经过方案比较确定,这主要要看拟建筑物的高度、用途和施工条件和经济比较等.如果拟建建筑物为宿舍,高度又比较高,那么自然要选择剪力墙结构。因为居住建筑要有足够的隔墙.如拟建建筑物为厂房或实验室,则最好采用框架结构,因为这类建筑要求开间大,多变,布置灵活,竖向构件越少越好.再如拟建建筑为高层办公楼或公寓,当高度不太高时,宜采用框架——14
剪力墙结构;当高度较高宜采用外框架内核芯筒结构;再高时最好采用筒中筒结构,即采用外框架筒和内核芯筒结构.此类结构外框架筒可以开窗以满足采光要求,在内筒中布置楼电梯井,管道竖井及生活间等.而在竖井周围布置大面积房间作为公用房,隔墙可采用轻质的或采用半隔断的,这样布设灵活、自由,(二)结构布置高层框架结构应在纵横两个方向都布置成框架,不得采用横向为框架、纵向为铰接排架的结构体系。高层建筑结构纵横两个方向都承受很大的水平力,都必须做成多次超静定的抗侧力结构。若纵向做成铰接排架结构是不适宜的。因此,高层框架柱宜采用方形截面或近似于方形截面,截面高度与宽度之比不宜大于1.5。高层框架梁、柱轴线宜在一个平面内,尽量避免梁位于柱的一侧。反之,如果梁偏置,则内力计算中必须考虑附加的偏心弯矩,而且节点构造也要考虑偏心的不利影响。框架的填充墙宜放在框架平面内,砌体墙每隔500-600mm应用2φ6水平拉结钢筋与柱子可靠拉结。当层高大于4m时,在半层高处宜加设一道水平钢筋带。如果建筑上必须将填充墙外贴在柱子上,则每层宜设一道圈梁,并沿柱子全高都要与填充墙用水平拉结钢筋可靠拉结。唐山地震中,北京百货大楼顶层角部外贴砖墙倒坍就是构造不当的典型例子,所以外贴砖墙尽量不采用。在全装配框架中,柱接头比较难处理,特别是层数多、荷载大的情况下,柱的主筋直径大、根数多,焊接工作量大,操作困难;节点的后浇混凝土往往不密实,出现孔洞、间隙。所以,装配式框架宜优先采用预制梁板现浇柱的方案,柱用工具式模板现场浇灌,施工时预制梁可以直接支承在柱内或支承在工具式钢模板上,到达指定强度后拆除柱的模板。预制梁宜采用叠合梁,使楼板锚固在粱的叠合部分中,以加强楼板的整体刚度。高层框架梁柱的混凝土强度不宜低于C25级(25MPa)。柱的混凝土强度一般用C30级以上。当层数多、荷载大时,混凝土强度可用至C40级(40MPa)。节点区的混凝土强度应与柱的混凝土强度一致。因此,最好柱的施工缝留在梁上皮标高上,柱与节点区的混凝土同时浇筑。但目前许多工程的施工方法常常是将柱的施工缝留在梁下皮标高上,节点区的混凝土与框架梁一并浇筑。这种情况下如果梁的混凝土强度低于柱混凝土强度太多,节点区的混凝土强度必然也会低于柱子混凝土强度太多,就会形成节点区的薄弱点,对抗震非常不利。所以,如果没有采用专门措施来浇筑节点区混凝土,有可能使节点区的混凝土强度较低,梁、柱混凝土强度相差不应大于5MPa。14
(三)框架柱的截面尺寸框架柱截面宜采用正方形或接近于正方形,在两个主轴方向上,刚度不宜相差太大,矩形柱的边长比不宜超过1:1.5。柱截面尺寸应考虑以下要求:(1)截面高度不宜小于400mm;截面宽度不宜小于350mm;(2)柱净高与截面高度之比宜大于4,在有抗震设计要求时不得小于3;(3)柱承受的水平剪力应符合以下要求:(无地震作用组合)(1)(有地震作用组合)(4)地震作用和重力荷载共同作用下产生的轴压比应满足表1的要求。抗震等级一二三最大轴压比0.70.80.9初估柱子的轴向力(2)式中—分项系数,取为1.25;当柱的净高与截面长边尺寸之比小于4时,轴压比限值应予减小0.05。Ⅳ类场地土的较高建筑物也应从严控制。不作抗震设计时,柱的轴压比可以放宽至不超过1.0。当轴压比不能满足要求时,首先应考虑加大柱的截面面积,其次可以提高混凝土的强度。框架结构的重量约为12—14,所以在初步设计中,估算柱子截面可按下列公式一单位面积重量,取12—14;S一柱的承载楼面面积();—截面以上楼层数;—一级、二级抗震设计角柱为1.3,其余情况为1.0;—由于水平力使轴力增大的系数:非抗震设计、6度及7度抗震设计:;8度抗震设计:;9度抗震设计。14
按式(1)决定柱截面是否满足抗剪要求时,初步设计阶段,其剪力可按下式估算(3)式中一楼层剪力;—柱截面面积;—楼层全部柱截面面积;一分项系数,风荷载取为1.4;地震作用取为1.3;—柱剪力的增大系数,按表2取值。为估算柱子的偏心受压承载能力,首先估算柱的弯矩的大约数值(4)式中—层高;一柱弯矩增大系数,按表3取值。的数值表2抗震等级底层以上各层一级二级、角柱二级、一般柱三、四级、非抗震1.951.551.451.001.801.451.201.00的数值表3抗震等级底层以上各层一级二级三、四级、非抗震1.501.501.001.351.101.00轴力可按式(2)估算。然后计算偏心距e和混凝土受压区高度x:14
要求偏心距e满足下式条件:(5)式中—在抗震设计时取为0.8;非抗震设计时不考虑。—柱截面宽度、有效高度;一混凝土轴心受压强度设计值;—钢筋强度设计值。柱截面尺寸满足轴压比要求(表1)、抗剪要求(式(1))、偏心受压要求(式(5))后,大体上认为合适,待正式计算时最后确定。按国内工程实践经验,框架柱底层总截面面积与楼面面积之比大约在1.5%-3%范围内较合适。(四)框架梁的截面尺寸(1)基本尺寸要求框架梁的最小截面尺寸为250mm×400mm,一般情况下,梁高可取为跨度L的1/8~1/12。梁的截面高度不宜大于宽度的4倍。由于要求框架梁柱的轴线尽量处于同一平面内,最大偏心e不应大于柱截面边长的L/4,所以当粱边与柱边相齐时,梁宽至少为柱宽的一半。此外,为保证梁有足够的刚度与柱连为整体,使节点区可靠工作,梁宽宜不小于柱宽的一半。(2)抗剪要求梁的截面尺寸应符合抗剪的要求,在估算梁的截面时,梁的剪力可按下式估算:(6)式中—梁由于直接的重力荷载产生的剪力的标准值;—分项系数,取为1.25;—由于地震作用、风力作用使剪力增大的系数,取1.5-2.5;—14
梁的剪力调整系数,一级抗震时取为1.3;二级取为1.05;其余情况下取1.0。梁的剪力应满足以下条件:无地震组合:有地震组合:(7)式中,取为0.85。(3)抗弯要求梁的弯矩可近似按下式估算(8)式中—由直接静力荷载产生的弯矩标准值;—分项系数,取为1.25;—由于地震作用和风力作用使梁端弯矩增大的系数,可取为1.5—3.0;由此可近似估算其配筋是否超筋:有地震组合(9)无地震组合要求如不能满足最大配筋率的限制,宜加大截面高度。受压区混凝土高度可按下式计算:(10)要求受压区高度不超过0.25(一级抗震设计)和0.35(其他情况),不满足时宜加大截面尺寸,也可以提高混凝土强度等级。(五)、适宜周期和适宜地震作用力14
当然,上述梁、柱截面尺寸的估计方法还是比较粗略的,只用于方案阶段和初步设计阶段初估截面,以便进行详细的结构计算。进行结构分析、截面设计后,如果设计结果符合下列要求时,可以认为设计是可行的:(1)位移不超过限值;(2)梁抗剪符合要求,没有超筋,受压区高度满足要求;(3)柱抗剪满足要求,没有超筋,轴压比符合要求。另一方面,框架设计是否合理也可以由它的综合指标——自振周期和底部地震剪力反映出来。从国内的设计经验来看,框架的基本自振周期在下列范围内认为是较合理的:式中,为框架的层数。相应地,底部剪力系数在表4范围内较为合适。的适宜范围表4烈度场地789Ⅰ0.01~0.020.0.02~0.040.06~0.08Ⅱ015~0.030.03~0.050.08~0.10Ⅲ0.02~0.040.04~0.080.10~0.15Ⅳ0.03~0.050.06~0.120.15~0.20二、框架结构的计算(一)横向水平地震力计算。1.重力荷载代表值的计算计算地震作用时,建筑物的重力荷载代表值,可按表5取用。重力荷载代表值取值表514
项次荷载类别荷载代表值取值1横载(自重等)100%2雪荷载50%3层面、积灰荷栽50%4屋面活荷载不考虑5楼面荷载当按实际情况计算时取100%,当按等效楼面均布活荷载计算时:对藏书库,档案库取80%。6吊车荷载对软钩吊车取桥架自重100%2.框架在水平荷载作用下的计算在进行内力与位移计算时,现浇楼板可作为框架梁的有效翼缘,每侧翼缘的有效宽度为板厚的6倍,然后按T形截面或L形截面计算梁的惯性矩。为简化计算,也允许按下式计算梁的惯性矩:边框架梁中框架梁式中,为矩形部分的惯性矩。当采用装配式楼盖时,视装配式楼盖与梁连接的整体性,取等于或小于上述数值;当板与梁无可靠连接时,不考虑翼缘的作用,惯性矩按矩形部分计算。①D值法的基本原理D值指框架柱的抗推刚度,即柱子产生单位位移所需施加的水平力。柱子的D值越大,产生单位位移时要施加的水平力就越大。所以在同一楼层中,各柱水平位移相等时,楼层水平力就按各柱的D值分配到各柱上,从而直接求得各柱的剪力。柱剪力求得后,框架全部内力便可由平衡条件逐一求出。用D值法进行框架内力计算的步骤如下:(1)将外荷载产生的楼层剪力巧按备柱的D值比例分配,得柱剪力l。(2)求出柱的反弯点高度y,由几及y可得柱端弯矩。(3)由节点平衡条件,节点上下柱端弯矩之和应等于节点左右粱端弯矩之和,由此求得梁端弯矩。(4)将梁左右端弯矩之和除以梁跨,可得梁的剪力。(5)从上到下,逐层叠加左右梁的剪力,得柱的轴力。14
至此,框架全部内力即可求得。这里的关键问题是如何计算柱的抗推刚度D和如何求出柱的反弯点高度y。②柱子的抗推刚度抗推刚度D是使柱子产生单位水平位移所施加的水平力,即(11)式中—施加在柱上的水平力;—柱子的水平位移。由结构力学的位移法计算单柱(柱端有梁)剪力与位移的关系,可得值的计算公式:(12)式中—层高;—柱的线刚度;—与梁柱刚度比有关的系数,参见文献12计算。当同一层中有个别柱子的高度与一般柱高不等时,特殊柱的抗推刚度可按式(13)计算:(13)式中—按计算的参数;—特殊柱的线刚度,③框架柱的反弯点高度框架柱的反弯点高度按(14)式计算(14)式中—标准反弯点高度;(参见文献12)—上、下层梁刚度不等时的修正值;(参见文献12)—上、下层层高不等时的修正值;(参见文献12)④框架内力的计算1.第i层第j柱的柱剪力按式(15)计算:14
(15)式中—由外荷载产生的第i层层剪力;—第j柱的抗推刚度,按式(12)计算。1.柱端弯矩按式(16)计算:(16)式中—柱的剪力;—反弯点高度,由式(14)计算:2.梁端弯矩按式(17)计算:(17)式中—左梁及右梁的梁端弯矩;—上柱及下柱的柱端弯矩;一左梁及右梁的线刚度。4.梁剪力可由梁左端弯矩与右端弯矩之和除以梁跨求得。5.柱轴力可从上到下逐层叠加左右梁的剪力求得。⑤水平位移的计算高层框架的水平位移,可分为两部分:由于框架梁柱弯曲变形产生的位移和由于柱轴向变形产生的位移(18)可由D值法求得。框架第i层的层间位移为(19)式中一第i层层剪力;—第i层所有柱子D值之和:14
框架的顶点位移为若框架顶点作用有水平力P,边柱轴力为土N,产生水平位移,这时外力作功为,它变为边柱的变形能,由内外功相等的条件可得式中,f(x)是表示顶层柱与底层柱刚度比的函数,为底层柱的刚度。三、框架结构在竖向荷载作用下的计算在竖向荷载作用下的框架内力,作为简化计算方法可用分层法。此时,每层框架梁连同上下层框架柱作为基本计算单元,柱的远端按固定端考虑。竖向荷载产生的梁固端弯矩只在本单元内进行弯矩分配,单元之间不传递。分配完毕后梁的端弯矩可直接采用,柱的弯矩取相邻两个单元中同一柱对应弯矩之和。梁端负弯矩求得后,可以考虑梁端由于塑性变形而产生的内力重分布,将梁端弯矩以降低,同时相应加大梁的跨中弯矩。调幅系数对现浇框架取0.8-0.9;对装配式框架取0.7—0.8。将调幅后的梁端弯矩叠加简支梁弯矩即可得到梁的跨中弯矩。为使梁跨中钢筋不至于过少,保证梁跨中截面有足够的安全度,至少取简支梁弯矩的50%。只有竖向荷载作用下的梁端弯矩可以调幅,水平荷载作用下的梁端弯矩是不允许调幅的,因此,必须将竖向荷载作用下产生的梁端弯矩先行调幅,然后再与水平地震作用或风力产生的弯矩叠加。如果先将它们组合在一起以后再乘上调幅系数,则变成水平地震作用和风荷载产生弯矩予以折减,这是不正确的。由于只进行了梁端弯矩调幅,柱端弯矩未变动,所以节点弯矩之和不再为零。因此,节点的平衡校核必须在调幅之前进行;调幅后,节点的内力不再保持平衡。一般情况下,高层框架的活载比恒载小得多,因此高层框架计算中活载可不考虑其不利布置,按全部满布计算。计算得的梁跨中弯矩可乘以系数1.1—1.2以考虑活载不利布置的影响。14
四、截面设计和配筋构造参见《高层建筑结构设计》教材。三、电算部分说明(一)采用程序的名称及版本(二)输人的主要计算参数(三)整体分析(四)构件分析(五)设计总信息及计算结果保存14'
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