毕业设计总结

毕业设计总结：多层和高层框架结构设计

毕业设计目标：

1、了解框架结构的特点和适用范围；

2、熟悉框架结构的布置原则和方法；

3、熟悉梁、柱截面尺寸及框架计算简图的确定方法；

4、掌握框架结构在竖向和水平荷载作用下的内力计算方法；

5、掌握框架结构的内力组合原则；

6、熟悉框架结构在水平荷荷载作用下的侧移验算方法；

7、熟悉梁、柱配筋计算和构造要求。

（难点：框架结构的内力组合方法和梁、柱、节点的配筋构造。）

概述：

框架结构是由横梁和立柱组成的杆件体系，节点全部或大部分为刚性连接。框架结构是最常见的竖向承重结构，具有以下优点：

1）结构轻巧，便于布置；

2）整体性比砖混结构和内框架承重结构好；

3）可形成大的使用空间；

4）施工较方便；

5）较为经济。

框架结构特别适合于办公楼、教学楼、公共性与商业性建筑、图书馆、公寓以及住宅类建筑。但，由于框架结构构件的截面尺寸一般都比较小，它们的抗侧移刚度比较弱（即结构较柔），随着建筑物高度的增加，结构在风荷载和地震作用下，侧向位移将迅速加大。为了不使结构构件的截面尺寸过大和截面内钢筋配置过密，框架一般只用于层数不超过20层的建筑物中。（在非抗震地区，现浇钢筋砼框架结构房屋适用的最大高度为70m；对于软弱场地的建筑或不规则建筑，上述高度应适当降低。）

高宽比要求：房屋建筑的高宽比是对结构刚度、整体稳定、承载力和经济合理性的宏观控制。《高规》规定，非抗震区钢筋砼框架房屋的最大高宽比为5。

（多层和高层是一个相对概念；《高规》将10层和10层以上或高度超过28米的钢筋砼房屋，称之为高层建筑）

高层建筑承受的荷载比多层建筑大，刚度比多层建筑小，水平荷载对高层建筑的影响比对多层建筑的影响大；因此对高层建筑，特别是高层框架结构建筑的整体性要求，比对多层框架结构建筑要高。

但是，从设计计算来说，高层框架结构除风荷载取值、楼面活荷载布置等与多层框架结构略有不同，水平荷载下应补充侧移验算外，在结构布置、计算简图的确定、竖向和水平荷载下的内力计算方法、内力组合原则、截面配筋计算及构造要求等方面，二者基本相同。

框架结构设计大纲归纳：

一、结构布置方法（Arrangement Method of Structures）

1、结构布置的一般原则（General Arrangement Principle of Structures）

结构布置在建筑平、立、剖面和结构的形式确定以后进行。对于建筑剖面不复杂的结构，只需进行结构平面布置；对于建筑剖面复杂的结构，除应进行结构平面布置外，还须进行结构的竖向布置。进行结构布置时，应满足以下一般原则：

1）满足使用要求，并尽可能地与建筑的平、立、剖面划分相一致；

2）满足人防，消防要求，使水、暖、电各专业布置能有效的进行；

3）结构应尽可能简单、规则、均匀、对称，构件类型少；

4）妥善的处理温度、地基不均匀沉降以及地震等因素对建筑的影响；

5）施工简便；

6）经济合理。

结构选型和结构布置结构设计中起着至关重要的作用。结构选型好，布置合理，不但使用方便，而且受力好，施工方便，造价也低。因此，要根据上述原则进行多个结构布置方案的比较，反复推敲，选择一个比较合理的结构布置方案。

2、结构布置方法（Arrangement Method of Structures）

框架结构有横向承重布置、纵向承重布置和双向承重布置三种常用结构布置方法。

房屋平面一般横向尺寸较短，纵向尺寸较长，横向刚度比纵向刚度弱。当将框架结构横向布置时，可以在一定程度上改善房屋横向与纵向刚度相差较大的缺点，而且由于联系梁的截面高度比一般主梁小，窗户尺寸可以设计得大一些，室内采光、通风较好。因此，在多层框架结构中，常采用这种布置形式。

框架结构纵向承重方案中，楼面荷载由纵向梁传至柱子，横梁高度一般较小，室内净高较大，且便于管线沿纵向穿行。此外，当地基沿房屋纵向不够均匀时，纵向框架可在一定程度上调整这种不均匀性。纵向框架承重方案的最大缺点是房屋的横向抗侧刚度小，因而工程中很少采用这种结构布置形式。

框架结构双向承重方案因在纵横两个方向中都布置有框架，因此整体性和受力性能都很好。特别适合于对房屋结构的整体性要求较高和楼面荷载较大的情况下采用。

（高层建筑承受的水平荷载较大，也应设计为双向抗侧力体系，主要结构不应采用铰接。）框架结构的填充墙及隔墙宜选用轻质隔墙，并且与框架有可靠的拉结。此外，其布置宜符合下列要求：

1）避免形成上、下层刚度变化过大；

2）避免形成短柱；

3）减少因抗侧刚度偏心所造成的扭转。

当房屋的平面尺寸较大、地基不均匀或各部分高度和荷载相差较大时，要考虑是否需要设置变形缝的问题。

二、截面尺寸估算（Estimation of Section Dimensions）

框架结构属于超静定结构。框架的内力和变形除取决于荷载的形式与大小之外，还与构件或截面刚度有关，而构件或截面的刚度又取决于构件的截面尺寸，因此要先确定构件的截面尺寸。反过来，构件的截面尺寸又与荷载和内力的大小等有关，在构件内力没有计算出来以前，很难准确地确定构件的截面尺寸大小。（因此，只能先估算构件的截面尺寸，等构件的内力和结构的变形计算好后，如果估算的截面尺寸符合要求，便以估算的截面尺寸作为框架的最终截面尺寸。如果所需的截面尺寸与估算的截面尺寸相差很大，则需要重新估算和重新进行计算。）

注：根据结构构件最小刚度条件、轴压比以及实际工程经验等因素估算截面尺寸。

1、框架梁（Estimation of Beam Dimensions）

框架梁的截面尺寸应该根据承受竖向荷载的大小、梁的跨度、框架的间距、是否考虑抗震设防要求以及选用的砼材料强度等诸多因素综合考虑确定。

2、框架柱（Estimation of Column Dimensions）

框架柱截面一般采用矩形或方形截面；

框架柱的截面边长不宜小于250mm，圆柱的截面直径不宜小于350mm，剪跨比宜大于2，截面高度比不宜大于3。

为了减少构件类型，以简化施工，多层房屋中柱截面沿房屋高度不宜改变；高层建筑中柱截面沿房屋高度可以根据房屋层数、高度、荷载等情况保持不变或1~2次改变。当柱截面沿房屋高度变化时，中柱宜使上、下柱轴线重合，边柱和角柱宜使截面边线重合。

注意：估算尺寸时，构件杆长（即梁跨或柱高）尺寸一般为径尺寸（即梁高或柱宽）的15±3倍。

三、计算简图的确定（Determination of Computational Figures）

框架各构件在计算简图中均用单线条代表。各单线条代表各构件形心轴所在的位置线。因此，梁的跨度等于该跨左、右两边柱截面形心轴线之间的距离。

当上、下截面发生改变时，取截面较小的截面形心轴线作为计算简图上的柱单元，待框架内力计算完成后，计算杆件内力时，要考虑荷载偏心的影响。

四、荷载计算（Calclation of loads）

作用在框架结构上的荷载通常为恒载和活荷载。横载包括结构自重、结构表面的积灰重、土压力、预加应力等；活荷载包括楼面和屋面活荷载、风荷载、雪荷载、安装荷载等。

五、内力计算（Calclation of internal Forces）

框架结构的内力计算可分为竖向荷载作用下的内力计算和水平荷载作用下的内力计算。竖向荷载包括恒载、楼面和屋面活荷载、雪荷载、施工荷载等；水平作用指风荷载，在地震设防中还包括地震作用。

1、竖向荷载作用下的内力计算

（Calclation of internal Forces under Vertical Loads）

1）楼面荷载分配原则

进行框架结构在竖向荷载作用下的内力计算之前，先要将楼面上的竖向荷载分配给支承它的结构。

2）竖向活荷载最不利布置

作用在框架结构上的竖向荷载有恒载和活荷载。恒载的大小和位置是不变的，因而不存在最不利布置的问题，可以将所有恒载满布在框架上一次计算。活荷载的大小和位置是变化的，由于他的作用位置不同，框架结构构件不同截面或同一截面不同类型的内力将发生改变，因此，要对其进行最不利布置，以求得控制截面上的最大内力。（《高规》允许当楼面活荷载不大于4kN/m2时，可不考虑楼面活荷载不利布置引起的梁弯矩的增大，对多层建筑结构则应考虑活荷载的最不利不值的影响。）

活荷载最不利不值的方法：（1）逐跨布置法；（2）最不利荷载布置法；（3）分层布置法或分跨布置法；（4）满布荷载法。

3）竖向荷载作用下的内力计算方法

框架结构的内力与位移可按弹性方法计算；框架梁及连梁等构件可考虑局部塑性变形引起的内力重分布。

当采用计算机进行计算时，框架结构宜按空间结构计算其内力与变形。

当采用手算方法计算时，框架结构可沿两个正交主轴划分为若干个平面结构计算其内力和变形。

（当框架的间距相等，外形尺寸与荷载大小相同时，可取出其中一榀框架进行计算。）

常用的手算方法：（1）分层法；（2）迭代法。

2、水平荷载作用下的内力近似计算方法

（Approximate Methods for Calculation of Internal forces under Vertical Loads）

1）反弯点法；

2）D值法；

3）门架法。

六、内力组合（Combination of Internal Forces）

1、控制截面（Control Sections）

框架在恒载、楼面活荷载、屋面活荷载、风荷载作用下的内力求出后，要计算各主要截面可能发生的最不利内力。这种计算各主要截面可能发生的最不利内力的方法，称为内力组合。框架每一根杆件都有许多截面，但内力组合只需在每根杆件的几个主要截面进行。这几个主要截面的内力求出后，按此内力进行杆件的配筋便可以保证此杆件足够的可靠度。这些主要截面称为杆件的控制截面。

每一根梁一般有三个控制截面：左端支座截面、跨中截面和右端支座截面；每一根柱一般只有两个控制截面：柱顶截面和柱底截面。

2、控制截面最不利内力类型（Typles of Most Un-favorable Internal Forces of Control

Sections）

梁的支座截面一般要考虑两个最不利内力：一个是支座截面可能的最不利负弯矩-Mmax；另一个是支座截面可能的最不利剪力Vmax。用前一个最不利内力进行支座截面的正截面设计，用后一个最不利内力进行支座截面的斜截面设计，以保证支座截面有足够的承载力。梁的跨中截面一般只考虑截面可能的最不利正弯矩Mmax。

（如果由于荷载的作用，有可能使梁的支座截面出现正弯矩和跨中截面出现负弯矩时，亦应进行支座截面正弯矩和跨中截面负弯矩的组合。）

与梁相比，柱的最不利内力类型要复杂一些。柱的正截面设计不仅与截面上弯矩M和轴力N的大小有关，还与弯矩与轴力的比值即偏心距有关。柱控制截面上最不利内力的类型为：1）Mmax及其相应的轴力N和剪力V；

2）-Mmax及其相应的轴力N和剪力V；

3）Nmax及其相应的弯矩M和剪力V；

4）Nmin及其相应的弯矩M和剪力V；

5）Vmax及其相应的弯矩M和轴力N；

（为了施工的简便以及避免施工过程中可能出现的错误，框架柱通常采用对称配筋。）3、控制界面最不利内力计算（Calculation of Most Un-favorable Internal Forces of

Control Sections）

七、侧移验算（Checking of Horizontal Drifts）

框架结构的弹性变形验算是指对其在正常使用条件下的侧移进行验算。框架结构的侧移主要是由风荷载和水平地震作用所引起。

框架结构的侧移是由梁柱杆件弯曲变形和柱的轴向变形产生的。在层数不多的框架中，柱轴向变形引起的侧移很小，可以忽略不计。在近似计算中，一般只需计算杆件弯曲一起的变形。（框架的结构变形是一种剪切变形）

每一层的层间侧移值求出以后，就可以计算各层楼板标高处的侧移值和框架的顶点侧移值，各层楼板标高处的侧移值是该层以下各层层间侧移之和；即顶点侧移是所有各层层间侧移之和。

（框架结构正常使用条件下的变形验算要求各层的层间侧移值与该层的层高之比Δu/h不宜

超过1/550的限值。

八、框架结构配筋计算及构造要求

（Reinforcing Calculation and Detailing Requirements of Frame Structures）

1、框架结构配筋计算（Reinforcing Calculation of Frame Structures）

2、框架结构的构造要求（Detailing Requirements of Frame Structures）

设计例题中的主要步骤：（A Design Example）

1、设计资料（Design Data）

2、结构选型（Selection of Structural Typles）

3、框架计算简图及梁柱线刚度（Computational Figure of the Frame and Linear Stiffness

of Beams and Columns）

4、荷载计算（Calculation of Loads）

5、风荷载作用下的位移验算（Checking of Horizontal Drifts under Wind Loads）

6、内力计算（Calculation of Internal Forces）

7、内力组合（Combination of Internal Forces）

8、截面设计与配筋计算（Section Design and Reinforcing Calculation）