混凝土框架结构设计笔算方法.docx

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混凝土框架结构设计笔算方法

混凝土框架结构设计笔算方法

袁宗新

一．确定结构方案与结构布置

（一）.建筑物结构选型

选用何种结构应先进行比较。

一般对于不需要电梯的多层采用框架结构者较多，住宅、旅馆则首选剪力墙，非抗震及抗震设防烈度六级现浇建筑物130米以内高度，首选框剪结构（武汉地区抗震设防烈度等级一般选用六级，基本上是非抗震设计，湖北省历史上基本上无大地震），而抗震设防烈度九级，选用框剪结构则只能做到50米的高度。

筒体剪力墙、密排柱建筑物可做到180米高度。

（二）．平面布置注意如下关系。

1、高层建筑宜选用风作用效应较小的平面形状。

在高层建筑的一个独立结构单元内，结构平面形状宜简单、规则，质量、刚度和承载力分布宜均匀。

不应采用严重不规则的平面布置。

2、抗震设计的混凝土高层建筑，其平面布置宜符合下列规定：

（1）　平面宜简单、规则、对称，减少偏心；

（2）　平面长度不宜过长（图1），L/B宜符合表1的要求；

图1　建筑平面示意图

表1　平面尺寸及突出部位尺寸的比值限值

设防烈度

L/B

l/Bmax

l/b

6、7度

8、9度

≤6.0

≤5.0

≤0.35

≤0.30

≤2.0

≤1.5

　　（3）　平面突出部分的长度l不宜过大、宽度b不宜过小（图1），l/Bmax、l/b宜符合表1的要求；

　　（4）　建筑平面不宜采用角部重叠或细腰形平面布置。

3、　抗震设计时，B级高度钢筋混凝土高层建筑、混合结构高层建筑及规程第10章所指的复杂高层建筑结构，其平面布置应简单、规则，减少偏心。

4、　结构平面布置应减少扭转的影响。

在考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下，楼层竖向构件最大的水平位移和层间位移，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍；B级高度高层建筑、超过A级高度的混合结构及规程第10章所指的复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.4倍。

结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比，A级高度高层建筑不应大于0.9，B级高度高层建筑、超过A级高度的混合结构及规程第10章所指的复杂高层建筑不应大于0.85。

注：

当楼层的最大层间位移角不大于规程第3.7.3条规定的限值的40％时，该楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与该楼层平均值的比值可适当放松，但不应大于1.6。

5、　当楼板平面比较狭长、有较大的凹入或开洞时，应在设计中考虑其对结构产生的不利影响。

有效楼板宽度不宜小于该层楼面宽度的50％；楼板开洞总面积不宜超过楼面面积的30％；在扣除凹入或开洞后，楼板在任一方向的最小净宽度不宜小于5m，且开洞后每一边的楼板净宽度不应小于2m。

6、　“艹”字形、“井”字形等外伸长度较大的建筑，当中央部分楼板有较大削弱时，应加强楼板以及连接部位墙体的构造措施，必要时可在外伸段凹槽处设置连接梁或连接板。

7、　楼板开大洞削弱后，宜采取下列措施：

（1）　加厚洞口附近楼板，提高楼板的配筋率，采用双层双向配筋；

（2）　洞口边缘设置边梁、暗梁；

　　（3）　在楼板洞口角部集中配置斜向钢筋。

8、　抗震设计时，高层建筑宜调整平面形状和结构布置，避免设置防震缝。

体型复杂、平立面不规则的建筑，应根据不规则程度、地基基础条件和技术经济等因素的比较分析，确定是否设置防震缝。

9、　设置防震缝时，应符合下列规定：

（1）　防震缝宽度应符合下列规定：

A、框架结构房屋，高度不超过15m时不应小于100mm；超过15m时，6度、7度、8度和9度分别每增加高度5m、4m、3m和2m，宜加宽20mm；

B、框架-剪力墙结构房屋不应小于本款A项规定数值的70％，剪力墙结构房屋不应小于本款A项规定数值的50％，且二者均不宜小于100mm。

（2）　防震缝两侧结构体系不同时，防震缝宽度应按不利的结构类型确定；

　　（3）防震缝两侧的房屋高度不同时，防震缝宽度可按较低的房屋高度确定；

　　（4）　8度抗震设计的框架结构房屋，防震缝两侧结构层高相差较大时，防震缝两侧框架柱的箍筋应沿房屋全高加密，并可根据需要沿房屋全高在缝两侧各设置不少于两道垂直于防震缝的抗撞墙；

（5）　当相邻结构的基础存在较大沉降差时，宜增大防震缝的宽度；

　　（6）　防震缝宜沿房屋全高设置，地下室、基础可不设防震缝，但在与上部防震缝对应处应加强构造和连接；

　　（7）　结构单元之间或主楼与裙房之间不宜采用牛腿托梁的做法设置防震缝，否则应采取可靠措施。

10、　抗震设计时，伸缩缝、沉降缝的宽度均应符合规程第3.4.10条关于防震缝宽度的要求。

11、　高层建筑结构伸缩缝的最大间距宜符合表3.4.12的规定。

　　（三）．竖向布置

注意高宽比、最大高度（分A、B两大类，B类计算和构造有更严格的要求），非抗震设计一般选5-6倍，力求规则，侧向刚度沿竖向均匀变化。

（四）．三缝的设置

按规范要求设置，尽量做到免缝或三缝合一。

　　（五）．基础选型

对于高层不宜选用独立基础。

但根据经验，对于小高层当地基承载力标准值300kpa以上时可以考虑用独基，从上海楼房倾覆事件看，冲积平原的沉积层地质，使用桩基有待商榷，应慎用桩基；筏型基础和箱型基础应是一个好的选择。

（六）．楼屋盖选型

　　高层最好选用现浇楼盖，常用楼盖如下：

　　1、梁板式：

最多的一种形式。

有时门厅，会议厅可布置成井式楼盖，其平面长宽比不宜大于1.5，井式梁间距为2.5~3.3m，且周边梁的刚度强度应加强。

采用扁梁高度宜为1/15~1/18跨度，宽度不超过柱宽50，最好不超过柱宽。

　　2、密肋梁：

方形柱网或接近方形，跨度大且梁高受限时常采用。

肋梁间距1~1.5m，肋高为跨度的1/30~1/20，肋宽150~200mm。

　　3、无梁楼盖：

地震区不宜单独使用，如使用应注意可靠的抗震措施，如增加剪力墙或支撑。

　　4、无粘结预应力现浇楼板：

一般跨度大于6m，板厚减薄降低层高，在高层中应用有一定技术经济优势。

在地震区应注意防止钢筋端头锚固失效。

　　5、其他这里其它主要指坡屋面和穹屋面，通常有两坡屋面和四坡屋面，有欧式、有中式，中式传统屋面可分为庑殿屋面，歇山屋面，悬山屋面和硬山屋面；欧式的除有两坡屋面和四坡屋面外，还有多坡屋面和穹，现代主要还是平顶屋面、四坡屋面和两坡屋面用的比较多，也比较普遍。

　　二．重力荷载计算

（一）．屋面及楼面永久荷载标准值分别计算各层。

（二）．屋面及楼面可变荷载标准值。

　　（三）．梁柱墙门窗重力计算。

　　（四）．重力荷载代表值=自重标准值+可变荷载组合值+上下各半层墙柱等重量

　　可变荷载组合值系数：

雪、屋面积灰为0.5，屋面活荷载不计，按实际考虑的各楼面活荷载为1，将各层代表值集中于各层楼面处。

初步确定梁柱截面尺寸及材料强度等级

　　三．框架梁、柱的截面尺寸的估算

框架梁、柱的截面尺寸，应根据承受竖向荷载大小、跨度、抗震设防烈度、混凝土强度等级等诸多因素综合考虑确定。

（一）.柱截面按层高初估

可从柱高进行估算，其截面高h为柱高H的1/15~1/20进行估算，

（二）.柱截面按轴压比初估

分抗震和非抗震两种情况

1、对于抗震，Ac=N/μfc

N=nB*F*Ge

B为柱位置系数，边柱B=1.3，等跨中柱B=1.2，不等跨中柱B=1.25，Ge=12~15kN/m2为折合标准楼面面荷载，μ为柱轴压比限值系数，fc为砼抗压强度设计值，F为柱承受的荷载面积，n为柱负荷层数，抗震设计时框架柱截面边长不宜小于300mm，柱宽b=（1-2/3）h

2、对于非抗震，按照轴心受压初定截面，Ac=N/fc。

也就是非抗震的轴压比取μ=1，其它见上述。

3、框架柱上下截面高度不同时，每次缩小100~150为宜。

为方便尺寸标注修改，边柱一般以墙中心线为轴线收缩，中柱两边收缩。

柱截面与标号的变化宜错开。

减少柱截面尺寸通常采用：

（1.）采用高强度混凝土。

（2）采用钢管混凝土。

（3）采用型钢混凝土。

（三）．梁截面按跨度的初定初步确定梁高h为跨度的1/8~1/14，不宜小于400mm，也不宜大于1/4净跨Ln，梁宽b通常为1/2~1/3梁高，且不宜小于200mm。

其余见前述。

对于宽扁梁首先应注意满足挠度要求，否则存在梁板协调变形的复杂内力分析问题。

框架梁宽不宜小于1/2柱宽。

框架梁的截面中心线宜与柱中心线重合，当必须偏置时，同一平面内的梁柱中心线间的偏心距不宜大于柱截面在该方向的1/4。

　（四）．砼强度等级一级现浇不低于C30，其余不低于C20。

四．框架结构的内力计算

（一）　计算梁柱线刚度

（2）计算梁柱的弯矩

（三）绘制弯矩图

（四）框架侧移刚度计算

计算各层D值，判断是否规则框架。

分别计算框架纵横两个方向。

　　五．计算自振周期

　　T1=（0.6或0.7）X1.7Xsqrt（Ut）

　Ut___假想把集中在各层楼面处的重力荷载代表值作为水平荷载而算得的结构顶点位移。

0.6或0.7为考虑填充墙的折减系数。

对于带屋面局部突出的房屋，Ut应取主体结构顶点位移，而不是突出层位移。

此时将突出层重力荷载折算到主体结构的顶层。

　　Ge=Gn+1（1+1.5h1/H）+Gn+2（1+1.5（h1+h2）/H）

　　分别计算纵横框架。

　　六．风荷载作用下弹性位移验算

　　对于框架结构应将所得的分布风荷载按静力等效的原则化为楼面处的集中荷载，以便于内力计算。

由水平集中风荷载计算内力及位移（D值法），检查是否满足层间位移及顶点位移要求。

如不满足，应返回修改梁柱截面尺寸强度等级。

应分别计算纵横向框架内力位移。

　　七．多遇地震作用下弹性位移验算

　40m以下采用底部剪力法等计算水平地震作用，T1>1.4Tg时考虑顶部附加地震作用。

计算各质点水平地震作用。

水平地震作用下位移验算。

检查是否满足弹性位移限制，如不满足应返回修改梁柱截面尺寸强度等级。

D值法分别计算纵横向框架内力位移。

　　八．竖向荷载作用下框架内力计算

　　活荷载不利布置。

当活荷载与恒载之比不大于1时可按满布考虑，跨中弯矩乘1.1~1.2系数予以调整。

常用弯矩分配法计算纵横向框架内力。

对计算出的内力进行弯矩调幅。

　　九．内力组合60m及9度以下几种组合方式

（一）．1.2恒+1.4活

（二）．1.2恒+0.9*1.4（活+风）

　　（三）．1.35恒+1.0活

　　（四）．1.2恒+1.3地震水平力

　　通常1.2恒+1.4风不起控制作用

　　十．竖向荷载作用下楼屋盖设计

高层最好选用现浇楼盖。

楼屋盖常用形式如下：

（一）梁板式

最多的一种形式。

有时门厅，会议厅可布置成井式楼盖，其平面长宽比不宜大于1.5，井式梁间距为2.5~3.3m，且周边梁的刚度强度应加强。

采用扁梁高度宜为1/15~1/18跨度，宽度不超过柱宽50，最好不超过柱宽。

（二）密肋梁

方形柱网或接近方形，跨度大且梁高受限时常采用。

肋梁间距1~1.5m，肋高为跨度的1/30~1/20，肋宽150~200mm。

　　（三）无梁楼盖

地震区不宜单独使用，如使用应注意可靠的抗震措施，如增加剪力墙或支撑。

（四）无粘结预应力现浇楼板

一般跨度大于6m，板厚减薄降低层高，在高层中应用有一定技术经济优势。

在地震区应注意防止钢筋端头锚固失效。

　　（五）其他

主要指坡屋面，有欧式、有中式，中式可分为庑殿屋面，歇山屋面，悬山屋面和硬山屋面，欧式的有多坡屋面和穹。

十一.梁柱截面配筋

　　节点构造框架柱首先验算轴压比，剪跨比，如不满足要求应调|整截面和等级。

柱端弯矩设计值的调整（梁柱节点，柱脚弯矩节点调整），以符合强柱弱梁；柱端剪力值调整以符合强剪弱弯；角柱地震作用效应调整以抗扭转引起角柱内力增大。

梁抗弯截面设计取抗震和非抗震弯矩大值进行配筋。

注意跨中弯矩不小于1/2（按简置梁计算的跨中弯矩）。

梁的斜截面设计注意验算截面尺寸是否符合要求。

　　十二.基础设计

对于高层不宜选用独立基础。

但根据经验，对于小高层当地基承载力标准值300kpa以上时可以考虑用独基，从上海楼房倾覆事件看，冲积平原的沉积层地质，使用桩基有待商榷，应慎用桩基；筏型基础应是一个好的选择。

十三.罕遇地震作用下薄弱层弹塑性变形验算

　　7度区竖向不规则，3，4类场地考虑。

7~9度楼层屈服强度系数小于0.5时的框架结构应进行薄弱层的抗震变形验算。

其余见规范。

12层以下有简化计算方法。

如不满足变位角限值，应重新调整梁柱截面配筋。

所谓竖向不规则即为下层刚度小于上层相邻的70%，承载力小于上层80%。