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2.1 概述

多层建筑在我国应用广泛,如机械、化工、仪表、电子产品等多层厂房,以及教学楼、办公楼、商场、旅馆、宿舍等民用建筑等。按照《高层建筑混凝土结构技术规程》的定义,10层以下或房屋高度不大于28m的住宅建筑以及不大于24m的其他民用建筑为多层建筑。

多层框架结构按建筑材料可以划分为钢筋混凝土框架(以下简称“多层框架”)、钢框架、混合框架等,目前我国的多层建筑采用的结构体系以现浇钢筋混凝土框架结构为主。工程实际中的多层框架均是三维空间结构,如图2.1所示。多层空间框架结构一般由基础、框架柱、框架梁、次梁、现浇楼板组成,其中梁柱相交的部位为节点。在竖向荷载、水平荷载作用下,梁、板为受弯构件,柱为偏心受压构件。

图2.1 多层框架结构实例及模型示意图

多层空间框架一般基于有限元软件进行结构设计。首先建立空间杆系有限元模型[图2.1(b)和(c)],然后根据结构力学的位移法基本原理计算空间框架的内力、变形,最后完成配筋计算。由于计算机内存、运算速度飞速发展,结构有限元计算方法也不断进步,采用这种方法已可完成非常复杂的实际建筑结构的计算、设计。

为了清楚地理解多层框架的受力、变形特点,掌握梁、柱的主要内力分布特征以及结构设计的基本概念和方法,在学习阶段一般采用另一种方法对多层空间框架进行结构分析,这种方法在计算机尚未用于结构设计的年代曾被普遍采用。以图2.2(a)所示的空间框架为例(将图中平行于短轴方向的平面框架称为横向框架,平行于长轴方向的平面框架称为纵向框架),当空间框架布置规则,且刚度和荷载分布较均匀,可采用以下假定:

①每榀框架抵抗平面内的水平荷载,平面外刚度很小,可以近似忽略;

②楼板在其自身平面内刚度很大,可近似为刚度无限大的平板,但在平面外的刚度很小,可近似忽略。

通过假定①,整个框架结构可划分成若干平面框架,共同抵抗该方向的水平荷载,垂直于该方向的平面框架不参与受力,相当于忽略了横向框架、纵向框架之间的空间联系,不考虑各构件的抗扭贡献。假定②则通过平面内刚度无限大的楼板将各榀平面框架联系成整体。由于楼盖仅发生刚体位移,楼盖平面内各榀平面框架没有相对变形,故每个楼层仅3个自由度即可确定每榀平面框架的楼层变形,可大幅度减少计算量。

在以上两点假定的基础上,可按下述方法将空间框架结构简化为二维平面框架结构进行内力、变形计算以及结构设计。首先,将楼面竖向荷载导算至相邻梁上,如图2.2(b)所示;其次,将作用于整个结构的楼层水平力分配给每一榀平面框架[如图2.2(c)所示,其中为了简化计算可暂忽略扭转的影响]。由此得到的平面框架计算简图如图2.2(d)和图2.2(e)所示,横向框架和纵向框架均分别承受各自分配到的竖向力、水平力。其中,作用在节点的竖向集中力是由正交方向的框架梁传给柱的,一般是考虑框架梁承担的竖向荷载,并按简支梁计算其支反力后确定该节点竖向集中力[图2.2(d)和图2.2(e)中已省略];水平荷载(地震作用、风荷载)均需简化为节点集中力。上述计算的详细过程可参见本章附2.16的框架设计实例。

下面以平面框架为例,介绍多层框架的内力计算、结构设计方法。

图2.2 多层框架结构的计算简图 bNMO6/By+yu+emBwIjN8C9AKd+AAHzTW9U+naYNxdpVFlCoMSDYvC439vocCCxoW



2.2 多层框架结构的组成和特点

框架结构的竖向抗侧力构件为柱、梁。由于构件截面尺寸偏小,框架的抗侧刚度小,为控制框架结构在强烈地震作用下的损伤和变形,一般将有抗震设防要求的钢筋混凝土框架结构的最大高度限制在60(6度设防)~24m(9度设防)。

多层框架是杆系结构,梁、柱相连处为框架节点,工程中一般采用现浇节点,在其计算简图中可将节点简化为刚性连接,因此框架结构为高次超静定结构,如图2.3(a)—图2.3(f)所示。有时,为便于施工或其他构造要求,也可将部分节点做成铰节点[图2.3(h)]或半铰节点[图2.3(i)],从而形成有铰接节点的框架[图2.3(g)]。

为利于结构受力,框架结构应注意规则性,框架梁宜拉通、对直,框架柱宜上下连通、对齐。实际工程中由于使用功能、建筑造型等要求,框架结构也可以布置成有坡屋面的框架[图2.3(b)]、局部抽柱或抽梁的框架[图2.3(c)和图2.3(d)]、有退台的框架[图2.3(e)]等。

混凝土框架结构按施工方法不同可分为现浇式、装配式和装配整体式。

现浇式框架结构的柱、梁、楼板全部在现场浇筑混凝土,整体性好,抗震性能好。缺点是现场施工的工作量大,人工成本高,模板、支撑需求量大,噪声和对环境的影响较难克服,工期长。我国在过去几十年主要采用现浇式框架结构,但随着建筑工业化、绿色建筑施工的不断推进,装配整体式框架结构正越来越受到重视。

装配式框架结构是指柱、梁、楼板全部为预制,将构件吊装就位后通过拼装、焊接、螺栓连接等方式将各类构件连接成整体框架结构。由于构件为预制,可实现建筑工业化(即柱、梁、楼板可按标准化、工厂化、机械化生产),并具有施工速度快、效率高的优点;与此同时,现场施工基本避免了钢筋加工、绑扎以及混凝土浇筑等,可显著减小施工中的扬尘、噪声对环境的影响。但装配式框架结构各构件之间的联系相对较弱,整体性较差,抗震性能较弱,且需要大量的运输、吊装工作。

图2.3 框架结构组成示例

装配整体式框架结构是指柱、梁、楼板全部或部分为预制,构件吊装就位后,通过在构件连接区(例如梁柱节点区,或钢筋桁架叠合楼板的后浇叠合层等)焊接、绑扎钢筋,并局部浇筑混凝土,使各构件连接成整体框架结构。这种框架结构具有良好的整体性和抗震性能,又可采用预制构件,湿作业少,且模板、支撑需求量明显减小,因此同时兼有现浇式框架和装配式框架的优点。装配整体式框架的缺点是连接区的构造做法、施工较为复杂。

在多层框架中,框架梁的截面形式一般为矩形,当楼板为现浇时,应将一部分现浇楼板(包括平行于梁轴向的钢筋)作为框架梁的翼缘共同受力,即框架梁截面为Т形或倒L形。当采用预制楼板时,为增加建筑净空,框架梁截面常为十字形[图2.4(a)]或花篮形[图2.4(b)];也可将预制梁作成Т形截面,待预制板安装就位后,再现浇剩余部分混凝土,使后浇混凝土与预制梁共同工作,形成叠合梁[图2.4(c)]。采用叠合梁除有利于减小楼盖结构高度外,还可将梁、板有效地连成整体,改善结构的抗震性能。

图2.4 预制楼板时框架梁的截面形式示例

框架柱的截面形式常为矩形或正方形,由于建筑要求,有时也设计成圆形、正多边形等。

由于我国目前仍以现浇式框架结构为主,且与装配整体式框架结构的计算、设计方法相似,本章主要介绍现浇式钢筋混凝土框架结构。 bNMO6/By+yu+emBwIjN8C9AKd+AAHzTW9U+naYNxdpVFlCoMSDYvC439vocCCxoW

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