1、第十一章 钢筋混凝土框架结构,11.1概述,11.1.1框架结构的组成和分类,组成,梁,基础,柱,刚性节点,固定连接,框架梁、柱既承受竖向荷载，又承受水平荷载。,特点：平面布局灵活，易于满足设置大房间的需要，承受竖向荷载很合理。框架的抗侧刚度小，抵抗水平荷载能力较差。,应用： 非地震区：1520层 地震区： 10层以下,框架中的墙体属填充墙，一般采用轻质材料填充，起保温、隔热、分割室内空间作用，因此它的平面布置灵活，可提供较大的室内空间。 由于框架柱的抗侧移刚度较小，框架结构主要用在层数不多、水平荷载较小的情况适用于各种多层工业厂房和仓库及大多数民用建筑，如办公楼、旅馆、医院、学校、商店及住宅
2、。,框架结构类型,现浇整体式,装配式,装配整体式,全部构件现场浇注优点：整体性好、抗震性好、 刚度大、预埋铁少、 平面布置灵活缺点：耗模板量大、工期长、 现场湿作业量大、 冬施需防冻,全部构件预制，现场装配连接优点：省模板、工期短、 构件可标准定型化缺点：预埋件多、整体性差、 抗震性差、用钢量大、 ,预制构件，现场安装就位，在连接处现浇混凝土形成整体。优点：省模板、预埋件少、 工期短、用钢量少、 抗震整体性好缺点：施工复杂、增加了现场 混凝土二次浇注工作量 ,11.1.2框架结构的布置,结构布置原则,开间、进深尽可能统一：构件类型规格尽可能少,平面应简单、规则、对称：尽可能使受力合理,刚度沿高
3、度分布均匀：避免突变、错层、局部夹层,控制房屋高宽比H/B4：保证必要的抗侧移刚度,设置必要的变形缝,伸缩缝 沉降缝 防震缝,伸缩缝 装配式 室内75m 露天50m 整体式 装配整体式 室内55m 露天35m,变形缝对构造、 施工、结构整体性等不利，基础防水不易处理，实际采用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,布置方式：内廊式、跨度组合式,柱网应与建筑分隔墙体布置相协调,使竖载下结构内力均匀分布合理,易施工：进度快、造价低、保质量,框架结构布置的基本原则还应满足：,1、柱网布置,建筑平面布置结构受力合理施工方便,内廊式,跨度组合式等跨,跨度组合式不等跨,框架结构的柱网布
4、置既要满足生产工艺和建筑平面布置的要求，又要使结构受力合理，施工方便。柱网布置应满足生产工艺要求 在多层工业厂房设计中，柱网布置方式可分为内廊式、跨度组合式（等跨式、对称不等跨式）等，见上图。内廊式柱网常为对称三跨，边跨跨度(房间进深)常 为6、6.6、6.9、7.5、9、12m；中间跨为走廊跨度，常为2.4m、2.7m、3.0m。等跨式柱网适用于厂房、仓库、商店，其进深常为 6m、7.5m、9m、12m等，柱距常为6m。对称不等跨柱网常用于建筑平面宽度较大的厂房， 常用的柱网有( 5.8+6.2+6.2+5.8 )6.0m， (7.5+7.5+12.0+7.5+7.5)6.0m， (8.0+
5、12.0+8.0)6.0m。,柱网布置应满足建筑平面布置的要求,在旅馆、办公楼等民用建筑中，柱网布置应与建筑 分隔墙布置相协调。 四行柱三跨框架（15m左右）。三行柱两跨框架（10m左右）。开间3.3m4.5m。柱网布置要使结构受力合理跨度均匀或边跨略小时较合理。三跨框架比两跨框架内力小，较合理。柱网布置应使施工方便（对于装配式结构）构件的最大长度和最大重量，使之满足吊装，运输条件。构件尺寸的模数化、标准化，以满足工业化生产的要求现浇框架结构可不受建筑模数和构件标准的限制，但在结构布置时亦应尽量使梁板布置简单规则，以方便施工。,2、层高要求 工业厂房层高的确定需综合考虑车间工艺设备、管道布置、
6、空中传送设备、车间采光等因素。由于结构底层往往有较大的设备和产品，甚至有起重运输设备，故底层层高一般比楼层高，常用的底层层高有4.2m、4.5m、4.8m、5.4m、6.0m、7.2m、8.4m；在同一厂房中，楼层层高宜取同一尺寸，常用的楼层层高有3.9m、4.2m、4.5m、4.8m、5.4m、6.0m、7.2m等。 民用房屋的层高通常按300mm进级，层高常采用3.0m、3.3m、3.6m、3.9m、4.2m等。,承 重 框架 布 置,横向框架承重,纵向框架承重,纵横向混合承重（预制板、现浇板）,纵横向混合承重（井式楼盖）,横向框架承重：横向刚度大、有利于抵抗横向水平 荷载，纵向连系梁较小
7、，利于房屋 采光、通风。,纵向框架承重：横向连系梁较小，利于设备管线 穿行，开间布置灵活，但横向刚 度差。,纵横向混合承重：纵横向梁截面均较大(刚度大)， 整体性能好，采用较多。,11.1.3框架结构的承重方式,横向承重框架房屋横向刚度大，侧移小横梁高度大，室内有效净空小非抗震时使用纵向承重框架连系梁截面较小，框架梁截面尺寸大，室内有效净空高对纵向地基不均匀沉降较有利房屋横向刚度小，侧移大,横向框架结构的特点是，主要承重框架是由横向承重梁与柱构成，楼板支承在横向框架梁上，再由纵向连系梁将横向框架连接成一个空间结构整体。 在竖向荷载作用下，横向框架按多层刚架进行内力分析。 在水平风荷载的作用下，
8、仅对横向框架进行内力分析；而在水平地震作用下，对其横向框架和纵向框架都应进行内力分析。,横向框架承重结构其横向刚度大、有利于抵抗横向水平荷载，纵向连系梁较小，利于房屋采光、通风。,纵向框架结构的特点是主要承重框架是由纵向承重梁与柱构成，楼板支承在纵向框架梁上，再由横向连系梁将横向框架连接成一个空间结构整体。,在竖向荷载作用下，纵向框架按多层刚架进行内力分析。 在水平风荷载的作用下，仅对横向框架进行内力分析；而在水平地震作用下，对其横向框架和纵向框架都应进行内力分析。 横向连系梁较小，利于设备管线穿行，开间布置灵活，但横向刚度差。适用范围于层数不多的无抗震要求的厂房。,纵横双向承重整体性好，受力
9、好；适用于整体性要求较高和楼面荷载较大的情况。,11.2截面尺寸和计算简图11.2.1构件截面尺寸估算一、框架梁的截面尺寸,hb=(1/81/18)lb (刚度要求) hblbn/4 （避免短梁） bb=(1/21/4)hb bb200mm (构造要求) bbbc/2式中lb、lbn分别为主梁的计算跨度和净跨度。 梁高也可以按下列经验公式估算： 两端无支托的梁，按弯矩（0.60.8）M0来估算梁高； 两端有支托的梁，按弯矩（0.40.6）M0来估算梁高。 M0 按简支梁计算的跨中最大弯矩。 框架结构纵向连系梁截面高度： 可按hb=(1/141/18)lb确定(lb为连系梁计算跨度)。,二、框架
10、柱的截面尺寸,最小构造尺寸矩形截面柱：hc/bc3；剪跨比2；抗震设计时：bc300mm；非抗震设计时：bc250mm；bc=(1/121/18)h；hc250mm，hc(1/151/20)h（h为层高）。圆形截面柱：dc350mm。满足轴压比限制轴压比：柱的平均轴向压应力与混凝土的轴心抗压强度fc的比值（或指柱考虑地震作用组合的轴压力设计值与柱全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积的比值）。,11.2.2计算简图的确定,一、计算单元的确定,横向框架：一般取中间有代表性的一榀进行分析即可；纵向框架：作用于纵向框架上的荷载则各不相同，必要时应分别进行计算。,二、节点的简化,1、梁柱节点可简化为
11、： 刚接节点、铰接节点和半铰节点现浇钢筋混凝土框架刚接节点；装配式框架铰接节点或半铰节点（预埋钢板在其自身平面外的刚度很小，难以保证结构受力后梁柱间没有相对转动）；装配整体式框架刚接节点（这种节点的刚性不如现浇式框架好，节点处梁端的实际负弯矩要小于计算值）。,2、框架柱脚支座可分为 固定支座和铰支座现浇钢筋混凝土柱固定支座；预制柱杯形基础视构造措施不同分别简化为固定支座和铰支座。,三、跨度与层高的确定,跨度即取柱子轴线之间的距离（当上下层柱截面尺寸变化时，一般以最小截面的形心线来确定）。 层高(框架柱的长度)即为相应的建筑层高，而底层柱的长度则应从基础顶面算起。,为了简化计算，还可作如下规定：
12、1、当框架横梁为坡度i1/8的斜梁时，可简化为水平 直杆。 2、对于不等跨的框架；当各跨跨度相差不大于10 时，可简化为等跨框架，计算跨度取原框架各跨跨 度的平均值。3、当框架横梁为有支托的加腋梁时，如Im/I4或 hm/h0.55ho时，还应进行裂缝宽度计算。,11.7.3一般构造要求,一、混凝土的强度等级 混凝土强度等级不宜低于C15；当采用HRB335级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C20；当采用HRB400和RRB400钢筋以及对承受重复荷载作用的构件，混凝土强度等级不得低于C20。对于一级抗震等级的框架梁、柱、节点不应低于C30 ；按二、三、四级抗震等级设计时，其混凝土强度不应低于C
13、20；对剪力墙，其混凝土强度不应低于C20。,设防烈度为8度时，混凝土强度等级不宜超过C70；设防烈度为9度时，不宜超过C60 。二、钢筋 普通纵向受力钢筋宜选用HRB400级、HRB335级钢筋；箍筋宜选用HRB335级、HPB300级钢筋。,11.7.4连接构造配筋,构件连接是框架设计的一个重要部分。框架的连接构造，包括梁与柱、柱与柱、柱与基础的配筋构造。一、梁与柱的连接构造中间层中节点 框架中间节点梁上部纵筋应贯穿中间节点，该钢筋自柱边伸向跨中的截断位置应根据梁端负弯矩确定。梁下部纵筋的锚固要求：当计算中不利用其下部钢筋强度时，锚固长度可按简支梁V0.7ftbho的情况采用，否则，其下部
14、纵筋应伸入节点内锚固，见下图。,中间层端节点 框架中间层端节点应将梁的上部纵筋伸至节点外边并向下弯折，如下图所示。当柱截面尺寸足够时，框架梁的上部纵筋可采用直线方式伸入节点。梁下部纵筋在端节点的锚固要求与中间节点相同。 框架柱纵筋应贯穿中间层中节点和端节点。柱纵筋接头位置应尽量选择在层高中间和弯矩较小的区域。,顶层中节点 顶层柱的纵筋在节点内锚固。,顶层端节点,二、柱与柱连接构造 上下柱的钢筋宜采用焊接，也可采用搭接（d22mm时）。一般在楼板面（对现浇楼板）或梁顶面（对装配式楼板）设施工缝。下柱钢筋伸出搭接长度lb：当偏心距eo0.2h时，按受压钢筋取用，当eo 0.2h时，按受拉钢筋取用。
15、在搭接长度范围内的箍筋应满足搭接处箍筋要求。柱纵筋根数不同时，接头位置不同。,下注伸入上柱搭接钢筋的根数及直径应满足上柱要求，当上下柱钢筋直径不同时，搭接长度应按上柱计算；当上下柱截面不同时，按下图选择。,11.8钢筋混凝土框架的抗震设计,11.8.1框架结构的震害一、钢筋混凝土柱破坏形式柱端弯剪破坏：柱上、下端出现水平、斜裂缝，混凝土剥落，箍筋外鼓崩断，柱筋屈曲，柱端形成塑性饺。柱身剪切破坏：柱出现交叉或S形裂缝，箍筋屈服。角柱破坏：由于受弯、剪、扭共同作用，柱身错动，钢筋由柱内拨出，震害重。,短柱破坏：短柱刚度大，易产生剪切破坏。柱破坏的原因：抗弯和抗剪承载力不足；箍筋太稀，对混凝土约束很
16、差；在压、弯、剪作用下，柱的截面承载力达到极限。二、梁破坏形式 地震作用下，梁端纵向钢筋屈服，出现上下贯通的 垂直裂缝和交叉斜裂缝。梁负弯矩钢筋切断处由于抗弯能力削弱也容易产生裂缝，造成梁剪切破坏。,梁剪切破坏的主要原因：梁端屈服后产生的剪力较大；而其箍筋较稀；反复荷载作用下混凝土抗剪强度降低。三、梁柱节点破坏形式节点核心区剪切破坏：产生对角方向的斜裂缝或交叉斜裂缝，混凝土剪碎剥落；箍筋很少或没箍筋时，柱纵向钢筋压曲外鼓。梁筋锚固破坏：梁纵向钢筋锚固长度不足，从节点内拔出，将混凝土拉裂。节点连接破坏：装配式框架构件连接处容易发生坡口焊接钢筋拉断。预制构件接缝处后浇混凝土开裂或散落。,节点破坏的
17、主要原因：节点的受剪承载力不足； 箍筋太少；梁筋锚固长度不够；施工质量差。四、框架填充墙破坏形式嵌砌砖填充墙容易产生斜裂缝，特殊部位的墙体破坏会更加严重。烈度较高时墙体容易倒塌。由于框架变形属剪切型，下部层间位移大，填充墙震害呈现“下重上轻”的现象。填充墙破坏的主要原因：墙体受剪承载力低，变形能力小；墙体与框架缺乏有效的拉结。五、钢筋的搭接不合理，造成搭接处破坏,11.8.2框架抗震设计的一般规定,一、抗震结构的多道抗震设防 结构多道抗震设防的概念，一是要求结构具有良好的吸能和耗能能力，二是要求结构具有尽可能多的赘余度。结构的吸能和耗能能力，主要依靠结构或构件在预定部位产生塑性铰，一般来说，静
18、不定的次数越高，对结构的抗震越有利，这要求在结构的适当部位设置一系列容许发生的屈服区，使这些并不危险的部位有意识地首先形成塑性铰或塑性区，或发生可以修复的破坏，从而使主要的承重构件得到很大程度的保护。,二、结构布置原则 框架结构的平面布置和沿高度方向的布置原则应符合“规则结构”的规定。框架应双向设置，梁中线与柱中线之间的偏心距不宜大于柱宽的l/4；框架单独柱基有下列情况之一时，宜沿两个主轴方向设置基础连系梁：一级框架和类场地的二级框架；各柱基承受的重力荷载代表值相差较大；基础埋置较深或埋深差别较大；桩基承台之间；地基主要受力层范围内有液化土层、软弱粘性土层和严重不均匀土层。,框架结构中的填充墙
19、在平面和竖向宜均匀对称布置，砌体填充墙宜与柱脱开或采用柔性连接。砌体砂浆强度等级不低于M5，墙顶与框架梁密切结合，沿框架柱全高每隔500mm设26拉筋，其深入墙内的长度不小于墙长的1/5且不小于700mm（6、7度时）或沿墙全长贯通（ 8、9度时）.墙长大于5m时，墙顶与梁宜有拉接，墙长超过层高两倍时，宜设置钢筋混凝土构造柱；墙高超过4m时，墙体半高宜设置与柱连接且沿墙全长贯通的钢筋混凝土水平系梁。,三、截面尺寸选择,梁的截面尺寸 梁的截面宽度不宜小于200mm；截面高宽比不宜大于4；净跨与截面高度之比不宜小于4。柱的截面尺寸 柱的截面宽度和高度均不宜小于300mm；圆柱直径不宜小于350mm
20、；截面长边与短的边长比不宜大于3；剪跨比宜大于2。 柱的截面尺寸需满足柱的轴压比的要求。（轴压比是指柱组合的轴压力设计值N与柱的全截面面积A和混凝土轴心抗压强度设计值fc的乘积的比值，即 uN = N / fc A 。抗震等级为一级时不超过0.7，二级不超过0.8，三级不超过0.9。,11.8.3抗震框架的一般设计原则,一、强柱弱梁原则 梁端受拉钢筋的屈服先于柱端受拉钢筋的屈服。二、强剪弱弯原则 构件的抗剪承载能力应高于该构件的抗弯承载能力。三、强节点、强锚固原则 强节点抗剪验算，在节点区配置足够的箍筋， 并保证混凝土的强度及密实性。 强锚固处理好纵向钢筋在节点区的锚固构造。,11.8.4地震
21、作用计算,多层框架结构在一般情况下应沿两个主轴方向分布考虑水平地震作用，各方向的水平地震作用应全部由该方向的抗侧力构件承担。 对高度不超过40m，以剪切变形为主，且刚度与质量沿高度分布比较均匀的框架结构，可采用底部剪力法计算水平地震作用。,采用D值法计算框架内力和侧移。,11.8.5框架截面抗震验算,一、框架梁1、框架梁的正截面受弯承载力计算抗震设计中的正截面承载力计算直接采用静载作用下的承载力计算公式： ME MuE/ RE=Mu/ RE （或 RE ME Mu）除按计算确定外，框架梁梁端截面的底部和顶部纵向受力钢筋截面面积的比值需满足下列要求： 一级抗震等级 As底/As0.5； 二、三级
22、抗震等级 As底/As0.3。 框架梁两端（支座截面）必须是双筋截面。为保证结构延性，一级抗震等级，x/ho0.25，二、三级抗震等级，x/ho0.35；且梁端纵向受拉钢筋配筋率不应大于2.5%。,2、框架梁斜截面受剪承载力计算(1)抗震设计中采用与非抗震设计中不同的斜截面受剪 承载力计算公式（R=Vu=Vc+Vs，RE=VuE=0.6Vc+Vs) 即： VbVuE/RE=（0.6Vc+Vs)/RE 或 REVb(0.6Vc+Vs)(2)承载力计算（抗震设计） 一般框架梁： REVb 0.42ftbh0+1.25fyvAsvh0/s 集中荷载作用下(包括有多种荷载，其中集中荷载对节点边缘产生的剪力值占总剪力值的75%以上的情况)的框架梁： REVb 1.05ftbh0/(+1)+fyvAsvh0/s,梁端剪力设计值应根据强剪弱弯的原则加以调整，对以、二、三级抗震等级分别取 1.3、1.2和1.1的梁端剪力增大系数。 为防止在箍筋为充分发挥作用前混凝土过早压碎，必须限制梁的截面尺寸。当跨高比大于2.5时，应符合下式要求 Vb0.20fccbho/ RE,二、框架柱 1、柱的正截面承载力计算公式： （NE NuE/ RE=Nu/ RE） （对大偏心受压柱）,2、柱端弯矩调整计算偏心距e0时,
