《建筑力学与结构》多高层结构房屋.docx

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《建筑力学与结构》多高层结构房屋

《建筑力学与结构》多高层结构房屋

【学习目标】

1、能够对多高层结构进行准确的判断，为争取应用规范条文打下基础。

2、能够正确绘制框架结构的计算简图，熟悉框架结构的设计步骤，为了解结构软件打下基础。

3、具备识读框架梁、柱、节点的构造详图的能力，为识读结构施工图打下基础。

【知识点】

多高层结构房屋的分类标准、多高层结构体系、框架结构的设计要点和节点设计。

【工作任务】

项目1框架结构的设计

【教学设计】通过带领学生参观黄冈职业技术学院框架结构房屋和识读工程照片、图纸图集两个途径，让学生对多高层房屋的分类有一个准确的标准，同时对框架结构的设计步骤，重点是非抗震和抗震构件的构造特点有一个全面的认识，为今后的识读结构施工图、胜任施工员岗位打下基础。

18.1框架结构的设计

框架结构的设计步骤，可参照图18-1框架结构设计示意图进行。

18.1.1多高层结构房屋的分类、布置及计算简图

18.1.1.1多高层结构房屋的分类

1、《民用建筑设计通则》（GB50352—2005）的规定

《民用建筑设计通则》（GB50352—2005）：

3.1.2民用建筑按地上层数或高度分类划分应符合下列规定：

●住宅建筑按层数分类：

一层至三层为低层住宅，四层至六层为多层住宅，七层至九层为中高层住宅，十层及十层以上为高层住宅；

●除住宅建筑之外的民用建筑高度不大于24m者为单层和多层建筑，大于24m者为高层建筑（不包括建筑高度大于24m的单层公共建筑）；

●建筑高度大于1OOm的民用建筑为超高层建筑。

2、《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）的规定

《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）：

2.1.1高层建筑（tallbuilding）10层及10层以上或房屋高度大于28m的建筑物。

（1.0.2本规程适用于10层及10层以上或房屋高度超过28m的非抗震设计和抗震设防烈度为6至9度抗震设计的高层民用建筑结构，其适用的房屋最大高度和结构类型应符合本规程的有关规定。

），《钢筋混凝土高层建筑结构与施工规程》（JGJ3－91），2002年9月1日废止。

18.1.1.2中国高层建筑鉴赏

随着时代、科技的发展，地少人多，高层建筑也越来越多，高层建筑逐渐成为一个城市发展的标志。

高层建筑通常采用钢筋混凝土结构、钢结构、钢与钢筋混凝土结构。

钢筋混凝土结构的高层房屋占主要地位。

目前世界最高建筑是位于中国台北的国际金融中心大厦。

台北101大楼高508米（含天线），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米）“最高使用楼层”（438米）和“最高屋顶高度”（448米）见图18-2。

即将排名世界第二、中国内地第一高的建筑是上海环球金融中心492米。

工程将于二○○七年中封顶，二○○八年初竣工，届时它将成为中国内地第一、世界第二高楼。

据悉，整幢大楼总建筑面积达三十八万一千六百平方米，地上一百零一层，地下三层。

建筑内部以办公房为主，集六星级宾馆、商业设施、美术馆、城市俱乐部、停车场等设施于一体，内部结构尤如一个小镇（见图18-3左）。

暂时排名中国内地第一的高层建筑是上海金茂大厦，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（见图18-3右）。

【工学结合】调查参观黄冈的高层建筑建造情况，结合《民用建筑设计通则》（GB50352—2005）和《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）判别多高层建筑的分类标准。

18.1.1.3多高层结构房屋的结构类型

1、框架结构体系（见图18-4）

框架结构是由梁、柱、节点及基础组成的结构形式，横梁和立柱通过节点连为一体，形成承重结构，将荷载传至基础（见图18-5（a））。

框架可以是等跨或不等跨的，也可以是层高相同或不完全相同的，有时因工艺和使用要求，也可能在某层抽柱或某跨抽梁，形成缺梁缺柱的框架。

特点：

（1）建筑平面布置灵活，可形成较大的空间，且在立面处理上，易于表现建筑艺术的要求。

因而很适合于多层工业厂房以及民用建筑中的多、高层办公楼、旅馆、医院、学校、商店和住宅建筑。

（2）框架结构在水平荷载作用下表现出刚度小、水平位移大的特点，故亦称柔性结构。

由于它的构件截面小，抗震性能较差，所以高度受限制。

（3）随着结构高度增加，水平作用使得框架底部梁柱构件的弯矩和剪力显著增加，从而导致梁柱截面尺寸和配筋量增加，到一定程度时，将给建筑平面布置和空间处理带来困难，影响建筑空间的正常使用，在材料用量和造价方面也趋于不合理。

适用范围：

非抗震设防区，其高度也不宜超过60m，7度地震区不宜超过55m，8度地震区不宜超过45m。

2、剪力墙结构体系

将房屋的内、外墙都做成实体的钢筋混凝土结构。

墙体承受全部水平和竖向荷载。

（见图18-5（b））

特点：

（1）刚度大，整体性能好，抗震性能好，属刚性结构。

适用于较高建筑，如广州的白云宾馆为剪力墙结构。

（2）剪力墙结构由于墙的间

距密，建筑平面的空间小，使用受到限制，难以满足布置大空间的使用要求。

3、框架－剪力墙结构体系

在框架结构中设置适量的剪力墙，组成框架．剪力墙结构体系。

是结合框架结构建筑布置灵活和剪力墙结构侧向刚度大的优点而形成的一种结构体系。

房屋的竖向荷载分别由框架和剪力墙共同承担，而水平作用主要由抗侧刚度较大的剪力墙承担。

（见图18-5（c））

这种结构既具有框架结构布置灵活、使用方便的特点，又有较大的刚度和较强的抗震能力，广泛应用于高层办公建筑和旅馆建筑中，如20-30层的工业与民用建筑。

4、筒体结构

随着房屋楼层数、高度的增加和抗震设防要求的提高，上述基于平面工作状态的框架、剪力墙所组成的高层建筑结构体系便不能满足要求了，在这种情况下，应使剪力墙构成空间薄壁筒体，成为竖向悬壁箱形粱，或使框架的柱子密集排列，使梁的刚度加强成为框筒，以一个或多个简体作为主要抵抗水平力的结构称为筒体结构。

18.1.1.4框架结构类型

1、纯（全）框架结构

整个房屋全部采用框架结构的称为纯（全）框架结构。

框架结构根据施工方法的不同可分为整体式、装配式和装配整体式三种。

（1）整体式框架又称全现浇框架，它由现场支模浇注而成，整体性好，抗震能力强。

（2）装配式框架的梁、柱等构件均为预制，施工时把预制的构件吊装就位，并通过节点进行连接。

（3）装配整体式框架兼有整体式和装配式框架的优点，预制构件在现场吊装就位后，通过在预制梁上浇注叠合层等措施，便框架连成整体。

2、底层框架结构

底层框架结构房屋是指底层为框架-抗震墙结构，上层为承重的砌体墙和钢筋混凝土楼板的混合结构房屋。

3、内框架结构

房屋内部由梁、柱组成的框架承重，外部由砌体承重，楼（屋）面荷载由框架与砌体共同承担。

这种框架称为半框架或内框架结构。

18.1.1.5框架结构的布置

按照结构布置不同，框架结构可以分为横向承重、纵向承重和纵横双向承重三种布置方案（见图18-6）。

根据楼板布置方式不同，框架布置方案有横向框架承重、纵向框架承重和纵横向框架承重等三种方案。

1、横向框架承重方案

    这种框架特点是楼板搁在横向框架梁上，竖向荷载主要由横向框架承担，用纵向连系梁连接各横向框架。

（见图18-6（a））

    这种方案横向框架跨数少，主梁的横向布置有利于提高横向刚度，而纵向框架跨数多，刚度大，因此，纵向只需按构造要求配置连系梁。

2、纵向框架承重方案

    这种框架特点是楼板放在纵向框架梁上，房屋的横向布置连系梁。

当为大开间柱网时可考虑采用此方案。

（见图18-6（b））

    采用该方案时，横向连系梁必须与柱子刚接，且截面不能太小，以保证房屋横向刚度。

由于在横向仅设置截面高度较小的连系梁，有利于楼层净高的有效利用，可设置较多的架空管道，适用于工业厂房。

该方案的缺点是横向刚度差，进深尺寸受到限制。

3、纵横向框架承重体系

这种框架特点是两个方向的梁都要承担楼板传来的竖向荷载，梁的截面均较大，房屋双向刚度均较大。

故当房屋柱网平面尺寸接近正方形时或当楼面上有较大活荷载时，常采用这种承重方案。

纵横向框架承重方案具有较好的整体工作性能，框架柱为双向偏心受压构件。

此种承重结构体系，地震区房屋结构采用较多。

（见图18-6（c））

4、变形缝设置

变形缝有伸缩缝、沉降缝、防震缝三种。

在多层及高层建筑结构中，应尽量少设缝或不设缝。

当建筑物平面较长，或平面复杂、不对称、或各部分刚度、高度、重量相差较大时，可设置伸缩缝、沉降缝、防震缝。

（1）伸缩缝

伸缩缝的设置，主要与结构的长度有关。

《混凝土结构设计规范》（GB50010—2002）（以下简称《规范》）对钢筋混凝土结构伸缩缝的最大间距作了规定；当结构单元的长度超过《规范》允许值时，应采取相应的构造措施。

（2）沉降缝

沉降缝的设置，主要与基础受到的上部荷载及场地地质条件有关。

当上部荷载差异较大，则应设沉降缝；沉降缝可利用挑梁或搁置预制板、梁等方法做成。

 伸缩缝与沉降缝的宽度一般大于55mm。

（3）防震缝

防震缝的设置主要与建筑平面形状、高差、刚度、质量分布等因素有关。

设置防震缝后，应使各结构单元简单规则，刚度和质量分布均匀，以避免地震作用下的扭转效应。

为避免各单元之间互相碰撞，防震缝宽度不得小于70mm。

18.1.1.6框架结构的计算简图

18.1.1.6.1计算单元的确定

框架结构体系房屋是由横向框架和纵向框架组成的空间结构。

一般情况下，横向和纵向框架都是均匀布置的，各榀框架的刚度基本相同；作用在房屋上的荷载，如恒载、雪荷载、风荷载一般也是均匀分布的。

因此，在荷载作用下，不论是横向还是纵向，各榀框架将产生大致相同的内力，相互之间不会产生大的约束力，故可单独取出一片框架作为计算单元。

在纵横向布置时，应根据结构的不同特点进行分析，并对荷载进行适当简化。

（见图18-7）

18.1.1.6.2节点的简化

框架节点一般总是三向受力的，但当按平面框架进行结构分析时，则节点也相应地简化。

框架节点可简化为刚接节点（见图18-8（a））、铰接节点（见图18-8（b））和半铰节点，要根据施工方案和构造措施确定。

对于现浇整体式框架各节点视为刚接点。

    框架支座可分为固定支座和铰支座。

当为现浇钢筋混凝土柱时，一般设计成固定支座（见图18-9（a））；当为预制杯形基础时，则应视构造措施不同分别简化为固定支座（见图18-9（b））和铰支座（见图18-9（c））。

18.1.2多高层结构房屋的分类及布置

18.1.2确定框架梁、柱截面尺寸和材料强度等级

18.1.2.1框架梁、柱截面形式

框架梁的截面形状在整体式框架中以T形和倒L形为主；在装配式框架中一般采用矩形，

也可做成T形和花篮形；装配整体式框架中常做成花篮形。

框架柱截面形状一般为矩形或正方形，也可根据需要做成圆形或其它形状。

18.1.2.2梁、柱截面尺寸

18.1.2.2.1梁截面尺寸

框架梁的截面高度可根据梁的跨度、约束条件及荷载大小进行选择，一般取梁高

～

，其中

为梁的跨度，当框架梁为单跨或荷载较大时取大值，当架梁为多跨或荷载较小时取小值。

为防止梁发生剪切破坏，梁高h不宜大于1/4净跨。

框架梁的截面宽度可取

～

为了使端部节点传为可靠，梁宽b不宜小于柱宽的1/2，且不应小于250mm。

为了降低楼层高度或便于管道铺设，也可将框架梁设计成宽度较大的扁梁，扁梁的截面高度可取

～

。

当采用叠合梁时，后浇部分截面高度不宜小于120mm。

框架连系梁的截面高度可按

～

确定，宽度不宜小于梁高的1/4。

18.1.2.2.2柱截面尺寸

柱截面高度可取

～

，H为层高；柱截面宽度可

～

，并按下

述方法进行初步结算。

框架柱承受竖向荷载为主时，可先按负荷面积估算出柱轴力，再按轴心受压柱验算。

考虑到弯矩影响，适当将柱轴力乘以1.2～1.4的放大系数。

柱的截面高度不宜小于400mm，宽度不宜小于350mm。

为避免发生剪切破坏，柱净高与截面长边之比宜大于4。

18.1.2.2.3梁截面惯性矩

梁截面惯性取值如下：

现浇整体式框架梁：

中间框架梁2.0

，边框架梁1.5

；

装配整体式框架梁：

中间框架梁1.5

，边框架梁1.2

。

18.1.2.2材料强度等级

（1）混凝土强度等级不低于C20，且梁柱混凝土强度等级相差不宜大于5MPa，纵向配筋采用I级、Ⅱ级和Ⅲ级，箍筋一般采用I级。

（2）梁柱截面尺寸应根据房屋的侧移验算是否满足《规范》要求来确定。

（3）框架梁、柱应分别满足受弯构件和受压构件的构造要求；震区还应满足抗震设计的要求。

（4）框架柱一般采用对称配筋，配筋率应满足《规范》要求。

18.1.3荷载计算

    框架上的竖向荷载和水平荷载这两种作用，应分别按下列方法确定：

18.1.3.1竖向荷载：

结构自重、使用活载、雪载、屋面活载；

18.1.3.2水平荷载：

风荷载、水平地震作用。

    荷载取值按《荷载规范》（GB50009－2006），参照绪论部分相关内容。

18.1.4框架结构的内力与位移计算

框架内力的计算方法有电算和手算两种方式。

手算（近似计算方法）有：

    垂直荷载作用的内力计算--分层法；二次力矩分配法。

    水平荷载的内力计算--反弯点法；D值法。

18.1.5梁柱截面配筋、节点构造设计（此部分内容参照）

18.1.5.1框架梁钢筋

18.1.5.1.1纵向钢筋

梁纵向受拉钢筋除应满足受弯承载力的要求外，还应考虑温度变化、混凝土收缩引起附

加应力的影响。

纵向受拉钢筋的最小配筋率在支座处不应小于0.25%，跨中处不应小于0.20%。

梁跨中截面的上部架立筋不应小于2Φ12，架立筋与梁支座负筋的搭接长度为1.2

。

框架顶层梁端节点处的负钢筋伸人边柱的锚固长度不应小于1.2

，框架其余层梁端节点处的负钢筋伸人边柱的锚固长度不应小于

，当上部纵筋在端节点内水平锚固长度不足时，应伸至柱边后再向下弯折，弯折前的水平投影长度不应小于0.40

，弯折后垂直长度不应小于15d。

梁支座截面下部至少有2根纵筋伸入柱中，伸人柱内长度不应小于人，如水平锚固长度不足需要弯折时，则弯折前的水平锚固长度不应小于15d。

梁支座截面的负弯矩钢筋自柱边缘算起的长度不应小于

/4。

18.1.5.1.2框架梁箍筋

梁的箍筋沿梁全长范围内设置，第一排箍筋一般设置在距离节点边缘50mm处。

梁的配箍率不应小于

，箍筋最小直径和最大间距的要求与一般梁相同。

18.1.5.2框架柱钢筋

18.1.5.2.1框架柱纵向钢筋

框架可能受到来自两个方向的水平荷载作用，框架柱的纵向钢筋宜采用对称配筋。

框架柱纵筋的最小直径不应小于12mm，全部纵向钢筋的配筋率

不小于0.4%，也不大于5%。

为了对柱截面核心混凝土形成良好的约束，减小箍筋自由长度，纵向钢筋的间距不应大于350mm；为了保证纵向钢筋有较好的粘结能力，纵筋之间的净距不应小于50mm。

柱纵向钢筋搭接位置应在受力较小区域，搭接长度为1.2

。

当柱每侧纵筋不超过4根时，可在同一截面搭接;每侧纵筋超过4根时，应分批搭接。

纵向钢筋直径大于22mm时，宜采用焊接接头。

框架顶层柱的纵向钢筋应锚固在柱顶或梁内，锚固长度由梁底算起不小于

。

18.1.5.2.2框架柱箍筋

箍筋应为封闭式，箍筋间距不应大于400mm，且不应大于柱短边尺寸；同时，在绑扎骨架中，箍筋直径不应小于d/4（d为纵向钢筋的最大直径），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，箍筋直径不宜小于8mm，间距不应大于10d且不应大于200mm，最好焊接成封闭式。

当柱每侧纵向钢筋多于3根时，应设置复合箍筋；但当柱的短边不大于400mm，且纵筋根数不多于4根时，可不设复合箍筋。

柱纵向钢筋搭接长度范围内，当纵筋受力时，箍筋间距不应大于10d，且不应大于

200mm；当纵筋受拉时，箍筋间距不应大于5d且不应大于100mm。

箍筋弯钩要适当加长，以绕过搭接的2根纵筋。

18.1.5.3框架节点

18.1.5.3.1现浇框架节点

框架梁上部纵向钢筋伸入中间层端节点的锚固长度，当采用直线锚固形式时，不应小于la,且伸过柱中心线不宜小于5d，d为梁上部纵向钢筋的直径。

当柱截面尺寸不足时，梁上部纵向钢筋应伸至节点对边并向下弯折，其包含弯弧段在内的水平投影长度不应小于0.4la,包含弯弧段在内的竖直投影长度应取为15d。

【实训练习】按分析任务（资讯）、确定解决方案（计划、决策）、实施、检查（自我检查、教师检查）、评价六步法完成以下实训任务。