框架结构设计(土木工程)

框架结构设计指导书（土木工程）

第一部分结构设计提纲

一、首先要编写结构设计提纲

俗话说“纲举目张”，实践证明结构设计提纲是指导结构施工图设计的纲领性文件。结构设计提纲是为开展结构施工图设计工作而编写的．因此，一切有关亊项,相关数据，甚至重大问题的决策过程都应该编写进去。内容包括：

（一）工程概况

1. 建设单位和工程项目的名称，或子项目工程的名称．

2. 建设地点，该地区的地震烈度．

3. 结构平面划分区段，每个区段的结构类型、层数,主要使用功能、主要生产设备。

4. 相邻建筑物的情况和影响关系，施工时深基坑的围护措施和其它注意如项。

（二）设计依据

1．本工程应遵循的主要结构设计规范的名称和代号。

2．察报告

3．各种结构设计等级的确定

抗震设防烈度、设计近震和远震、建筑物抗震重要性的分类、现浇钢筋混

凝土结构的抗震等级；

混凝土结构的安全等级；

防火的建筑物分类和耐火等级；

应用其它规范时的相应等级。

4. 特殊的设计要求．如耐高温、防渗漏、楼面机械派动、结构或构件的变形限制等。

（三）荷载取值

1. 风荷载、雪荷载、楼面荷载和特殊荷载的标准值,必要时说明其分项系数和组合系数。

2. 地震荷载的调整系数．例如次长周期（

T=2～3秒）

1

高层建筑的地震荷载调整系数可取1.5～1.8（自振周期越长、系数越大）。

（四）上部结构

1.结构选型、根据所设计建筑物的情况，选择适合本建筑

物的最佳形式。

2.温度伸缩缝、沉降缝和防震缝的设置和做法。

3. 材料（框架结构说明填充材料）。

4. 主要计算参数

5. 结构计算原则、方法和手段；手算时应说明其依据或出处；电算时应说明软件的编制单位名称、代号和版本。

6. 主要构件的截面尺寸和控制配筋率。

7. 主要构造措施和施工要求。

（五）地基基础

1．地基处理方法,经处理后采用地基土承载力设计值。采用桩基时单桩竖向承

载力标准值或设计值。

2．沉降观测的布置和要求,沉降计算方法。

3．基础选型。

4．基础材料。

5．主要计算参数。

6．基础计算原则方法和手段：手算时应说明依据或出处；电算时应说明软件的编制单位名称、代号和版本。

7．主要构件（或部件）的截面尺寸和控制配筋率。

8．主要构造措施和特殊施工要求。

（六）其它

第二部分结构方案确定及结构计算

一、结构体系的选择和结构布置

（一）结构体系的选择

在设计钢筋混凝土多层及高层地筑结构时．可供选择的结构体系有；框架结构；框架——剪力墙结构；剪力墙结构；框支剪力墙结构；筒体结构和巨型结构等．目前，我国采用较多的是前5种．设计中究竟采用哪种结构体系，要经过方案比较确定，这主要要看拟建筑物的高度、用途和施工条件和经济比较等．如果拟建建筑物为宿舍，高度又比较高，那么自然要选择剪力墙结构。因为居住建筑要有足够的隔墙．如拟建建筑物为厂房或实验室，则最好采用框架结构，因为这类建筑要求开间大，多变，布置灵活，竖向构件越少越好．再如拟建建筑为高层办公楼或公寓，当高度不太高时，宜采用框架——剪力墙结构；当高度较高宜采用外框架内核芯筒结构；再高时最好采用筒中筒结构，即采用外框架筒和内核芯筒结构．此类结构外框架筒可以开窗以满足采光要求，在内筒中布置楼电梯井,管道竖井及生活间等．而在竖井周围布置大面积房间作为公用房，隔墙可采用轻质的或采用半隔断的，这样布设灵活、自由，（二）结构布置

高层框架结构应在纵横两个方向都布置成框架，不得采用横向为框架、纵向为铰接排架的结构体系。高层建筑结构纵横两个方向都承受很大的水平力，都必须做成多次超静定的抗侧力结构。若纵向做成铰接排架结构是不适宜的。

因此，高层框架柱宜采用方形截面或近似于方形截面，截面高度与宽度之比不宜大于1.5。高层框架梁、柱轴线宜在一个平面内，尽量避免梁位于柱的一侧。反之，如果梁偏置，则内力计算中必须考虑附加的偏心弯矩，而且节点构造也要考虑偏心的不利影响。框架的填充墙宜放在框架平面内，砌体墙每隔500-600mm应用2φ6水平拉结钢筋与柱子可靠拉结。当层

高大于4m时，在半层高处宜加设一道水平钢筋带。如果建筑上必须将填充墙外贴在柱子上，则每层宜设一道圈梁，并沿柱子全高都要与填充墙用水平拉结钢筋可靠拉结。唐山地震中，北京百货大楼顶层角部外贴砖墙倒坍就是构造不当的典型例子，所以外贴砖墙尽量不采用。

在全装配框架中，柱接头比较难处理，特别是层数多、荷载大的情况下，柱的主筋直径大、根数多，焊接工作量大，操作困难；节点的后浇混凝土往往不密实，出现孔洞、间隙。所以，装配式框架宜优先采用预制梁板现浇柱的方案，柱用工具式模板现场浇灌，施工时预制梁可以直接支承在柱内或支承在工具式钢模板上，到达指定强度后拆除柱的模板。预制梁宜采用叠合梁，使楼板锚固在粱的叠合部分中，以加强楼板的整体刚度。

高层框架梁柱的混凝土强度不宜低于C25级(25MPa)。柱的混凝土强度一般用C30级以上。当层数多、荷载大时，混凝土强度可用至C40级(40MPa)。节点区的混凝土强度应与柱的混凝土强度一致。因此，最好柱的施工缝留在梁上皮标高上，柱与节点区的混凝土同时浇筑。但目前许多工程的施工方法常常是将柱的施工缝留在梁下皮标高上，节点区的混凝土与框架梁一并浇筑。这种情况下如果梁的混凝土强度低于柱混凝土强度太多，节点区的混凝土强度必然也会低于柱子混凝土强度太多，就会形成节点区的薄弱点，对抗震非常不利。所以，如果没有采用专门措施来浇筑节点区混凝土，有可能使节点区的混凝土强度较低，梁、柱混凝土强度相差不应大于5MPa。(三)框架柱的截面尺寸

框架柱截面宜采用正方形或接近于正方形，在两个主轴方向上，刚度不宜相差太大，矩形柱的边长比不宜超过1:1.5。柱截面尺寸应考虑以下要求：

(1)截面高度

h不宜小于400mm；截面宽度c b不宜小于

c

350mm；

(2)柱净高

H与截面高度c h之比宜大于4，在有抗震设计要

0c

求时不得小于3；

(3)柱承受的水平剪力c V 应符合以下要求：

c c c c f h b V 025.0≤ (无地震作用组合)

(1)

c c c RE c f h b V 02

.0γ≤ (有地震作用组合)

（4）地震作用和重力荷载共同作用下产生的轴压比

c c c c f h b N /=μ应满足表1的要求。

初估柱子的轴向力 21ββωγs G c SN N =

(2)

式中 G γ—分项系数，取为1．25；当柱的净高与截面长边尺

寸之比小于4时，轴压比限值应予减小0．05。Ⅳ类场地土的

较高建筑物也应从严控制。

不作抗震设计时，柱的轴压比可以放宽至不超过1.0。

当轴压比不能满足要求时，首先应考虑加大柱的截面面积

c A ，其次可以提高混凝土的强度c f 。

框架结构的重量约为12—142/m kN ，所以在初步设计中，估算柱子截面可按下列公式

ω一单位面积重量，取12—142/m kN ；

S 一柱的承载楼面面积(2m )；

s N —截面以上楼层数；

1β—一级、二级抗震设计角柱为1.3，其余情况为

1.0；

2β—由于水平力使轴力增大的系数：非抗震设计、6

度及7度抗震设计：05.12=β；

8度抗震设计：1.12=β；9度抗震设计2.12=β。

按式(1)决定柱截面是否满足抗剪要求时，初步设计阶段，其剪力可按下式估算

V A A V c c v

c ∑=γβ (3)

式中 V 一楼层剪力；

c A —柱截面面积；

∑c A —楼层全部柱截面面积；

γ一分项系数，风荷载取为1.4；地震作用取为1.3；

v β—柱剪力的增大系数，按表2取值。

为估算柱子的偏心受压承载能力，首先估算柱的弯矩的大

约数值

2

h V A A M c c M c ?=∑γβ (4)

式中 h —层高；

M β一柱弯矩增大系数，按表3取值。

v

β的数值

M β的数

值

轴力c N 可按式(2)估算。

然后计算偏心距e 和混凝土受压区高度x ：

c c

c c

c b f N x m h N M e c 1004.05.0α=-+=

要求偏心距e 满足下式条件：

[]

)04.0(008.021000m h h b f x h e c c c y c RE -+-≤

γ （5）

式中 RE γ—在抗震设计时取为0．8；非抗震设计时RE γ不考

虑。

0,c c h b —柱截面宽度、有效高度；

c f 一混凝土轴心受压强度设计值；

y f —钢筋强度设计值。

柱截面尺寸满足轴压比要求(表1)、抗剪要求(式(1))、偏

心受压要求(式(5))后，大体上认为合适，待正式计算时最后确

定。

按国内工程实践经验，框架柱底层总截面面积与楼面面积

之比大约在1.5％-3％范围内较合适。

(四)框架梁的截面尺寸

(1)基本尺寸要求

框架梁的最小截面尺寸为250mm ×400mm ，一般情况下，梁高可取为跨度L 的1／8~1／12。梁的截面高度不宜大于宽

度的4倍。

由于要求框架梁柱的轴线尽量处于同一平面内，最大偏心

e 不应大于柱截面边长的L/4，所以当粱边与柱边相齐时，梁

宽至少为柱宽的一半。

此外，为保证梁有足够的刚度与柱连为整体，使节点区可

靠工作，梁宽宜不小于柱宽的一半。

(2)抗剪要求

梁的截面尺寸应符合抗剪的要求，在估算梁的截面时，梁

的剪力可按下式估算：

b Ev G k G b V V ββγ=

（6）

式中 Gk V —梁由于直接的重力荷载产生的剪力的标准

值；

G γ—分项系数，取为1.25；

Ev β—由于地震作用、风力作用使剪力增大的系

数，Ev β取1.5-2.5；

b β—梁的剪力调整系数，一级抗震时取为1.3；二

级取为1.05；其余情况下取1.0。

梁的剪力b V 应满足以下条件：

无地震组合： c b b b f h b V 25.0≤

有地震组合： )20.0(1

c b b RE b f h b V γ≤ (7)

式中,RE γ取为0.85。

(3)抗弯要求

梁的弯矩可近似按下式估算

Eb G k G b M M βγ=

(8)

式中 Gk M —由直接静力荷载产生的弯矩标准值；

G γ—分项系数，取为1.25；

Eb β—由于地震作用和风力作用使梁端弯矩增大

的系数，可取为1.5—3.0；

由此可近似估算其配筋是否超筋：

有

地震组合 y c b s f h M A 07.075.0= (9)

无地震组合 y

c b s f h M A 07.0= 要求 025.00≤=

c b s s h b A ρ 如不能满足最大配筋率的限制，宜加大截面高度。

受压区混凝土高度x 可按下式计算：

c b y s f b f A x 1α=

(10)

要求受压区高度x 不超过0.250b h (一级抗震设计)和0.350b h

(其他情况)，不满足时宜加大截面尺寸，也可以提高混凝土强

度等级。

(五)、适宜周期和适宜地震作用力

当然，上述梁、柱截面尺寸的估计方法还是比较粗略的，

只用于方案阶段和初步设计阶段初估截面，以便进行详细的结

构计算。进行结构分析、截面设计后，如果设计结果符合下列

要求时，可以认为设计是可行的：

(1)位移不超过限值；

(2)梁抗剪符合要求，没有超筋，受压区高度满足要求；

(3)柱抗剪满足要求，没有超筋，轴压比符合要求。

另一方面，框架设计是否合理也可以由它的综合指标——

自振周期和底部地震剪力反映出来。从国内的设计经验来看，

框架的基本自振周期在下列范围内认为是较合理的：

)()12.0~08.0(1s N T s =

式中，s N 为框架的层数。

相应地，底部剪力系数α在表4范围内较为合适。

α的适宜范围

二、框架结构的计算

（一）横向水平地震力计算。

1. 重力荷载代表值的计算

计算地震作用时，建筑物的重力荷载代表值，可按表5

取用。

重力荷载代表值取值

表 5

2. 框

架

在水平荷载作用下的计算

在进行内力与位移计算时,现浇楼板可作为框架梁的有

效翼缘，每侧翼缘的有效宽度为板厚的6倍，然后按T 形

截面或L 形截面计算梁的惯性矩。为简化计算，也允许按

下式计算梁的惯性矩：

边框架梁 05.1I I =

中框架梁 00.2I I =

式中，I 为矩形部分的惯性矩。

当采用装配式楼盖时，视装配式楼盖与梁连接的整体

性，取等于或小于上述数值；当板与梁无可靠连接时，不

考虑翼缘的作用，惯性矩按矩形部分计算。

①D 值法的基本原理

D 值指框架柱的抗推刚度，即柱子产生单位位移所需

施加的水平力。柱子的D 值越大，产生单位位移时要施加

的水平力就越大。所以在同一楼层中，各柱水平位移相等

时，楼层水平力就按各柱的D 值分配到各柱上，从而直接

求得各柱的剪力。柱剪力求得后，框架全部内力便可由平

衡条件逐一求出。

用D 值法进行框架内力计算的步骤如下：

(1)将外荷载产生的楼层剪力巧按备柱的D 值比例分

配，得柱剪力l 。

(2)求出柱的反弯点高度y ，由几及y 可得柱端弯矩。

(3)由节点平衡条件，节点上下柱端弯矩之和应等于节

点左右粱端弯矩之和，由此求得梁端弯矩。

（4）将梁左右端弯矩之和除以梁跨，可得梁的剪力。

（5）从上到下，逐层叠加左右梁的剪力，得柱的轴力。

至此，框架全部内力即可求得。

这里的关键问题是如何计算柱的抗推刚度D 和如何求

出柱的反弯点高度y 。

② 柱子的抗推刚度

抗推刚度D 是使柱子产生单位水平位移所施加的水平

力，即

δV D =

（11）

式中 V —施加在柱上的水平力；

δ—柱子的水平位移。

由结构力学的位移法计算单柱(柱端有梁)剪力V 与位

移δ的关系，可得D 值的计算公式： 212h K D c c α= （12） 式中 h —层高；

c K —柱的线刚度；

c α—与梁柱刚度比有关的系数，参见文献12计算。

当同一层中有个别柱子的高度'h 与一般柱高不等时，特

殊柱的抗推刚度'D 可按式（13）计算： 2''''12h

K D c c α= （13）

式中 'c α — 按'h 计算的c α参数；

'c K —特殊柱的线刚度， ''

''h I E K c c

c = ③框架柱的反弯点高度

框架柱的反弯点高度y 按（14）式计算

3210y y y y y +++= （14）

式中 0y —标准反弯点高度；（参见文献12）

1y —上、下层梁刚度不等时的修正值；（参见文献

12）

32,y y —上、下层层高不等时的修正值；

（参见文献12）

④框架内力的计算

1． 第i 层第j 柱的柱剪力ij V 按式（15）计算：

∑=j j

j i ij D D V V （15）

式中 i V —由外荷载产生的第i 层层剪力；

i D —第j 柱的抗推刚度，按式（12）计算。

2． 柱端弯矩21,M M

按式（16）计算：

y V M y h V M ?=-=21)

( （16）

式中 V —柱的剪力；

y —反弯点高度，由式（14）计算：

3． 梁端弯矩按式（17）计算：

212

212211211)()

(b b b c c b b b b c c b K K K M M M K K K M M M ++=++= （17）

式中 21,b b M M —左梁及右梁的梁端弯矩；

21,c c M M —上柱及下柱的柱端弯矩；

21,b b K K 一左梁及右梁的线刚度。

4．梁剪力可由梁左端弯矩与右端弯矩之和除以梁跨求得。

5．柱轴力可从上到下逐层叠加左右梁的剪力求得。

⑤水平位移的计算

高层框架的水平位移，可分为两部分：由于框架梁柱弯曲

变形产生的位移M δ和由于柱轴向变形产生的位移N δ

N M δδδ+= （18）

M δ可由D 值法求得。框架第i 层的层间位移为

i

i i D V =δ （19） 式中 i V 一第i 层层剪力；

i D —第i 层所有柱子D 值之和：

∑=j ij i D D 框架的顶点位移为 ∑==n i i M 1δδ

若框架顶点作用有水平力P ，边柱轴力为土N ，产生水

平位移N δ，这时外力作功为N P δ2

1，它变为边柱的变形能，由

内外功相等的条件可得

dx x f E A B x P dx x E x A x N x N P c c H c c N )(1)

()()()(21221110222??=?=δ

式中，f （x ）是表示顶层柱与底层柱刚度比的函数，11c c E A 为

底层柱的刚度。

三、框架结构在竖向荷载作用下的计算

在竖向荷载作用下的框架内力，作为简化计算方法可用

分层法。此时，每层框架梁连同上下层框架柱作为基本计算

单元，柱的远端按固定端考虑。

竖向荷载产生的梁固端弯矩只在本单元内进行弯矩分配，单元之间不传递。分配完毕

后梁的端弯矩可直接采用，柱的弯矩取相邻两个单元中同一柱对应弯矩之和。

梁端负弯矩求得后，可以考虑梁端由于塑性变形而产生的内力重分布，将梁端弯矩以降低，同时相应加大梁的跨中弯矩。调幅系数β对现浇框架取0.8-0.9；对装配式框架取0.7—0.8。将调幅后的梁端弯矩叠加简支梁弯矩即可得到梁

的跨中弯矩'

M。

3

为使梁跨中钢筋不至于过少，保证梁跨中截面有足够的安全度，'

M至少取简支梁弯矩的50％。

3

只有竖向荷载作用下的梁端弯矩可以调幅，水平荷载作用下的梁端弯矩是不允许调幅的，因此，必须将竖向荷载作用下产生的梁端弯矩先行调幅，然后再与水平地震作用或风力产生的弯矩叠加。如果先将它们组合在一起以后再乘上调幅系数β，则变成水平地震作用和风荷载产生弯矩予以折减，这是不正确的。

由于只进行了梁端弯矩调幅，柱端弯矩未变动，所以节点弯矩之和不再为零。因此，节点的平衡校核必须在调幅之前进行；调幅后，节点的内力不再保持平衡。

一般情况下，高层框架的活载比恒载小得多，因此高层框架计算中活载可不考虑其不利布置，按全部满布计算。计算得的梁跨中弯矩可乘以系数 1.1—1.2以考虑活载不利布置的影响。

四、截面设计和配筋构造

参见《高层建筑结构设计》教材。

三、电算部分说明

（一）采用程序的名称及版本

（二）输人的主要计算参数

（三）整体分析

（四）构件分析

（五）设计总信息及计算结果打印

四、绘制施工详图

1．结构布置：包括一层，标准层结构布置图（2张1号或2号）。

2．绘制一榀横向框架配筋图（1张1号）。

3.基础平面布置图及配筋图（2张1号或2张2号）。

4．楼梯结构配筋图（2张1号或2张2号）。

5．结构设计统一说明。

五、参考文献

一、设计依据及参考书目

国家标准

1.建筑结构荷载规范 GB 50009--2001

2.混凝土结构设计规范 GB 50010--2002

3.建筑抗震设计规范 GB 50011—2010

4.高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3一2002）

5.高层建筑箱形与筏形基础技术规范 (JGJ6—99)

6.工业与民用建筑灌注桩基础设计与施工规程（JGJ4一80）

7.混凝土空心小型砌块建筑设计与施工规程（JGJ14一82）

标准图集：

9.预应力混凝土空心板XBG一G21

9.建筑物抗震构造详图97G329(一)

10.混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图(00G101)

教材：

11. 新编高层建筑结构设计包世华主编

12. 建筑抗震设计郭继武主编

13. 建筑地基基础

14.混凝土结构(上册) 天津大学、同济大学、东南大学

主编

15.混凝土结构(下册) 天津大学、同济大学、东南大学主编

16.钢筋混凝土及砖石结构康晓飞主编

17.高层建筑抗震设计刘大海等编

参考资料

18.高层建筑结构实用设计方法赵西安编筑