[建筑学]混凝土框架结构设计课件

混凝土框架结构设计混凝土框架结构是现代建筑工程中最为重要和广泛应用的结构体系之一本课程将系统介绍框架结构的设计原理、计算方法和构造要求，培养学生掌握混凝土结构设计的基本理论和实践技能混凝土结构发展与现状现代建筑主流选择标志性工程案例现代高层和超高层建筑广上海中心大厦、万科总部泛采用混凝土框架结构，大厦等超高层建筑均采用凭借其优良的承载性能和混凝土框架核心筒结构，经济性成为建筑结构的首展现了混凝土结构的技术选方案优势市场规模巨大框架结构基本概念结构组成承载特性框架结构主要由梁和柱构成，通过刚性连接形成空间受力体框架结构能够同时承受竖向荷载和水平荷载，具有良好的抗系梁柱节点是结构的关键部位，承担传递内力的重要作震性能竖向荷载主要通过梁板传递给柱子，水平荷载则通用过框架的整体作用来抵抗该体系具有空间整体性好、受力明确、施工便利等优点，适结构的侧向刚度主要依靠梁柱的抗弯刚度提供，变形以剪切用于多层和高层建筑型为主混凝土材料性能简介混凝土强度分级钢筋性能指标混凝土按抗压强度分为C15-钢筋主要性能包括屈服强度、C80等级，常用等级为C20-抗拉强度、延伸率等常用钢C50强度等级越高，承载能筋有HRB

400、HRB500等，具力越强，但成本也相应增加有良好的塑性和可焊性，确保高强混凝土在高层建筑中应用结构的安全性和耐久性广泛协同工作原理混凝土与钢筋具有相近的线膨胀系数，能够协同工作混凝土承担压力，钢筋承担拉力，充分发挥两种材料的优势，形成理想的复合材料体系框架结构的承重特性梁的受力特点框架梁主要承受弯矩和剪力，以受弯为主在竖向荷载作用下产生正弯矩，在不平衡荷载作用下产生负弯矩柱的受力特点框架柱同时承受轴力和弯矩，属于压弯构件轴力主要来自上部结构重量，弯矩来自梁端传递和水平荷载作用节点协调变形梁柱节点必须满足变形协调要求，确保结构整体性节点区域受力复杂，需要特殊的构造措施和配筋要求主要设计规范及技术标准1混凝土结构设计规范GB50010是混凝土结构设计的基本规范，规定了材料性能、设计方法、构造要求等核心内容，是结构设计的根本依据2建筑抗震设计规范GB50011规定了抗震设防要求、地震作用计算、抗震构造措施等，确保建筑在地震作用下的安全性和适用性3行业技术标准JGJ3高层建筑混凝土结构技术规程、各类结构技术措施等，为特定类型建筑提供了详细的技术要求和设计指导框架结构体系分类多层框架框架-剪力墙体系广泛应用于住宅、办公楼等结合框架和剪力墙的优点，连接方式差异民用建筑，层数通常为3-15适用于高层建筑，抗震性能单层框架层，经济性好，使用灵活优良，侧向刚度大刚接框架整体性好但造价主要用于工业厂房和大空间高，铰接框架构造简单但抗建筑，跨度大，构件截面尺侧能力有限，需根据具体情寸较大，施工相对简单况选择2314荷载种类与基本组合偶然荷载1地震、爆炸等极端情况可变荷载2活荷载、风荷载、雪荷载永久荷载3结构自重、装修重量、设备重量荷载组合采用分项系数法，考虑荷载的不确定性和同时作用的概率基本组合包括

1.2永久荷载+

1.4可变荷载，地震组合为

1.0永久荷载+

1.3地震作用+

0.5可变荷载风荷载按50年重现期确定，地震作用按抗震设防要求取值结构布置与柱网设计要点柱网规则性1柱距应均匀规则，避免过大的不等跨双向框架梁2纵横两个方向都应设置框架梁经济跨度控制3住宅建筑柱距6-8米，办公建筑8-12米结构布置应满足建筑功能要求，同时考虑结构的经济性和施工便利性柱网布置需要与建筑平面协调，避免柱子影响使用功能纵横向都应设置框架梁，形成双向受力体系，提高结构的整体性和抗震性能结构布置案例分析内廊式办公楼采用中间走廊两侧房间的布置方式，柱距通常为6-8米，进深12-16米结构布置规则，受力明确，是办公建筑的经典方案外墙设置框架梁，内部可采用次梁减小主梁截面等跨教学楼教学楼通常采用等跨布置，跨度6-9米，进深12-15米走廊侧可采用挑梁减少柱子数量，提高使用效率抗震设计中需要注意楼梯间的刚度突变问题大宽度工业厂房工业厂房柱距较大，通常18-24米，高度8-15米采用吊车梁系统，柱子需要承受较大的水平荷载结构设计需要考虑吊车荷载的动力效应和疲劳问题受力分析基本原理力法分析位移法分析以多余约束力为基本未知量，通过变以节点位移为基本未知量，通过平衡1形协调条件建立方程组，适用于超静条件建立方程组，是现代结构分析软2定次数较低的结构件的理论基础边界条件简化假设4确定结构的约束条件和荷载作用方假设楼板在平面内刚度无限大，忽略3式，建立准确的计算模型是分析的前轴向变形，将空间问题转化为平面问提条件题分析框架结构静力分析内力分布规律在竖向荷载作用下，梁的最大正弯矩出现在跨中，负弯矩出现在支座处柱的轴力沿高度累加，弯矩在层间变化梁端内力计算梁端弯矩受相邻跨荷载影响，需要考虑荷载的不利组合剪力在梁端最大，跨中接近零典型等跨连续梁支座负弯矩约为跨中正弯矩的

0.8-

1.2倍柱端支座反力柱的支座反力等于其承担的楼层荷载总和内柱承担的荷载面积大于边柱，设计时需要分别计算各柱的荷载分配系数水平力下结构响应抗侧移性能位移控制指标水平荷载分析框架结构的抗侧移刚度主要由梁柱的层间位移角限值为1/550，顶点位移限风荷载按静力等效计算，地震作用采抗弯刚度提供，变形呈剪切型分布值为H/500，确保结构的正常使用性能用反应谱法或时程分析法进行动力计算梁的设计与计算1/

102.0%高跨比最大配筋率梁的截面高度与跨度的经济比例受拉钢筋配筋率上限值

0.2%最小配筋率保证梁的最小承载能力梁的截面尺寸选择需要满足刚度和强度要求，截面高度通常取跨度的1/8-1/12受弯承载力计算采用极限状态设计方法，考虑材料强度的设计值配筋设计需要同时满足正截面和斜截面承载力要求，并进行裂缝宽度和挠度验算柱的设计与计算柱类型轴压比限值长细比限值配筋率范围一级抗震

0.

65251.0%-

5.0%二级抗震

0.

75250.8%-

5.0%三级抗震

0.

85300.6%-

5.0%柱子设计需要考虑压弯构件的相关计算，包括正截面承载力和稳定性验算轴压比控制是抗震设计的重要指标，限制柱子的轴向压力，保证其延性性能节点区构造详解12节点核心区定义强制性构造要求节点核心区是指梁柱交汇规范要求节点核心区必须处的关键受力区域，需要设置封闭箍筋，箍筋间距承受复杂的剪切力和约束不应大于梁柱较小截面尺力矩，是保证框架整体性寸的1/4，且不大于能的关键部位100mm3配箍加密措施节点区箍筋加密长度从柱边算起，每边不少于

1.5倍梁高，箍筋直径不小于梁纵筋直径的1/4地震作用与抗震要求抗震设计规定抗震设计遵循强柱弱梁、强节点弱构件的基本原则，确保结构在地震作用下具有良好的延性和耗能能力柱端弯矩设计值应乘以调整系数，一级抗震为

1.4，二级为

1.2，三级为

1.1梁柱节点核心区抗震等级应比框架等级提高一级采用，但不应低于二级基本构件极限状态设计承载能力极限状态正常使用极限状态结构或构件达到最大承载能力或适于继续承载的变形能力结构或构件达到影响正常使用或外观的某项规定限值包括包括强度破坏、疲劳破坏、稳定失效等情况裂缝宽度、挠度变形、振动舒适度等设计时采用荷载效应的基本组合，材料强度取设计值，确保设计时采用荷载效应的标准组合或准永久组合，材料性能取结构在设计使用期内不会发生破坏标准值，保证结构的适用性和耐久性概率理论与可靠度设计荷载统计特性材料强度分布可靠度指标荷载具有随机性，永材料强度服从正态分我国结构可靠度指标久荷载变异系数约布或对数正态分布，β=

3.2-

3.7，相当于失

0.07，活荷载变异系混凝土强度变异系数效概率10⁻⁴-10⁻⁵，数约

0.12-

0.25通过约

0.15，钢筋强度变与国际先进水平基本统计分析确定荷载的异系数约

0.05一致概率分布参数配筋原则与方法纵向钢筋配置横向钢筋布置配筋率控制受拉区配置受拉钢筋，受压区配置箍筋提供抗剪承载力并约束纵筋最小配筋率保证构件基本承载力，受压钢筋钢筋直径通常采用12-梁的箍筋间距在支座加密区不大于最大配筋率避免超筋破坏梁受拉32mm，间距不宜小于30mm，净100mm，跨中区域不大于钢筋最小配筋率

0.2%，最大配筋率保护层厚度按环境类别确定200mm柱箍筋在端部加密

2.5%梁柱节点构造要点箍筋加密1核心区箍筋间距≤100mm纵筋锚固2梁纵筋在节点内充分锚固截面限制3梁宽≤柱宽+500mm混凝土强度4节点区混凝土等级不低于柱节点构造是框架结构设计的关键环节，直接影响结构的整体性能和抗震能力合理的节点构造能够保证梁柱之间内力的有效传递，避免节点先于构件破坏，实现结构的延性破坏模式梁板一体化设计有效翼缘宽度T形截面梁的翼缘宽度取梁间距、梁跨度1/

3、梁宽+12倍板厚的最小值，确保翼缘有效参与受力力流传递路径荷载从板传递到梁，再从梁传递到柱板与梁整体浇筑，形成T形或L形截面，提高梁的承载能力边梁支座处理边梁通常为矩形截面，需要考虑扭转作用楼板边缘应设置构造边梁，避免楼板悬挑过大楼梯、阳台等次要构件设计1楼梯结构形式楼梯可采用板式或梁式结构，板式楼梯构造简单但跨度受限，梁式楼梯适用于大跨度情况2荷载与支承方式楼梯活荷载按

3.5kN/m²取值，踏步自重按水平投影面积计算支承方式有墙承式、梁承式和悬臂式3阳台节点处理阳台梁与主体结构连接需要考虑温度应力和约束弯矩悬挑阳台应验算抗倾覆稳定性，设置足够的配重钢筋锚固与连接材料选择与质量控制混凝土强度等级选择常用强度等级C30-C60，住宅建筑多用C30-C40，高层建筑采用C40-C60强度等级的选择需要综合考虑承载要求、经济性和施工难度搅拌工艺差异机械搅拌比人工搅拌强度提高15-20%，均匀性和质量更好商品混凝土采用集中搅拌、运输车送达的方式，质量稳定性高质量事故防控常见质量问题包括强度不足、蜂窝麻面、钢筋锈蚀等通过严格的原材料检验、配合比设计、施工过程控制来预防质量事故的发生模板设计与施工技术支模体系布置承载力计算要点模板支撑系统包括面板、次楞、主楞和立杆立杆间距通常模板承载力验算包括强度、刚度和稳定性三个方面荷载包为

0.9-

1.2米，根据荷载大小调整高大模板需要进行专项设括混凝土自重、施工活荷载、振捣荷载等计和验算变形控制要求模板挠度不超过跨度的1/400，立杆稳定性按支撑体系应具有足够的承载力、刚度和稳定性，确保混凝土轴心受压构件验算，需要考虑长细比限值浇筑过程中不发生变形和坍塌施工缝与后浇带设计施工缝位置要求后浇带布置原则施工缝应设置在结构受力后浇带用于解决大体积混较小的部位，梁的施工缝凝土的收缩和温度应力，宜设在跨度中间1/3范围宽度一般为800-1500mm，内，柱的施工缝应设在基位置应根据结构计算确础顶面、楼板底面或梁的定，通常设在受力较小的下方部位施工技术要求施工缝表面应凿毛并清理干净，新旧混凝土结合面需要涂刷界面剂后浇带混凝土应采用无收缩混凝土，浇筑时间不少于60天工程常见质量问题裂缝问题钢筋锈蚀包括收缩裂缝、温度裂缝、荷载裂缝由于保护层厚度不足、混凝土密实性12等类型，主要分布在梁板连接处、变差导致，表现为表面锈斑、混凝土剥截面位置和约束较大的部位落、承载力下降等现象强度不足蜂窝麻面混凝土强度达不到设计要求，原因包混凝土表面出现蜂窝状孔洞和麻点，43括原材料质量差、配合比不准确、养主要原因是振捣不充分、模板漏浆、护不当等因素配合比不当等施工问题裂缝控制与防治措施配筋措施构造措施施工管理增设温度筋和分布筋，控制钢筋间距，设置后浇带、膨胀缝等变形缝，释放控制浇筑温度，加强养护管理，避免提高配筋率采用小直径、密间距的约束应力合理选择混凝土配合比，急剧的温度变化拆模时间应满足强配筋方式有利于裂缝控制添加减水剂和防裂剂度要求，避免早期受力施工阶段结构受力变化1早龄期受力特点混凝土早期强度低，主要承受自重荷载此时弹性模量较小，徐变较大，需要充分的支撑和养护2施工荷载影响施工过程中的材料堆放、人员活动、设备荷载等会对结构产生额外作用，需要在设计中予以考虑3支撑拆除时序模板拆除应按照先支后拆、后支先拆的原则，确保结构有足够的承载能力梁板强度达到设计强度的75%方可拆除支撑高层大跨度框架设计/1/50018m位移限值大跨梁限度高层建筑顶点位移控制标准普通混凝土梁经济跨度上限B800高强混凝土超高层建筑常用混凝土等级高层建筑框架设计需要重点关注侧向位移控制，采用加大梁柱截面、提高混凝土强度等措施大跨度梁可考虑预应力技术，减小截面高度和挠度超高层建筑多采用框架-核心筒体系，提高整体抗侧刚度装配式混凝土框架简介预制构件生产现场装配施工梁、柱、板等构件在工厂预制，质量采用吊装设备将预制构件运输到现场1稳定，精度高，有利于标准化和产业进行装配，施工速度快，现场湿作业2化发展少，环境友好质量控制要点节点连接技术4重点控制构件尺寸精度、连接质量和关键在于梁柱节点的可靠连接，常用3整体性能，通过严格的验收标准保证套筒灌浆、螺栓连接、焊接等方式，装配质量确保传力路径明确环保与绿色建造高性能混凝土再生骨料应用节能减排数据采用矿物掺合料替代建筑垃圾破碎后作为绿色混凝土技术可减部分水泥，减少CO2再生骨料，可替代20-少水泥用量15-30%，排放粉煤灰、矿渣30%的天然骨料我降低碳排放25%以等工业废料的利用率国每年产生建筑垃圾上预制装配式建筑达30-50%，实现资源约20亿吨，再生利用比传统现浇减少建筑循环利用率仅10%左右垃圾70%以上技术在设计中的应用BIM三维建模优势1实现结构的三维可视化设计和展示碰撞检测功能2自动检测管线与结构的冲突问题工程量统计3精确计算材料用量和工程造价BIM技术在混凝土框架设计中能够实现设计、施工、运维的全生命周期管理通过参数化建模，可以快速生成不同设计方案，提高设计效率与结构分析软件的集成应用，实现了设计与计算的一体化，减少了重复建模的工作量智能建造与监测智能建造技术包括在线健康监测传感器、自动化施工设备和数字化管理系统传感器可以实时监测结构的应变、裂缝、温度等参数，为结构安全评估提供数据支持智能模板系统和机械化施工设备提高了施工精度和效率，减少了人工操作的误差特殊条件下框架设计抗火设计要求防爆构造措施混凝土结构耐火等级按建筑类防爆建筑要求结构具有泄压能别确定，一级耐火等级要求3小力和抗冲击性能采用钢筋混时，二级为

2.5小时保护层厚凝土墙体，厚度不小于200mm，度是关键参数，梁柱保护层不配筋率适当提高门窗等薄弱小于25mm高温下混凝土强部位设计为泄压面，避免整体度和弹性模量显著下降结构破坏高温材料行为600°C时混凝土强度保持65%，800°C时降至45%钢筋在500°C时强度开始显著下降，700°C时仅剩20%设计中需考虑高温下的材料性能折减地基与基础连接设计刚性基础特点混凝土基础与柱子刚性连接，能够有效传递弯矩和轴力适用于承载力要求高、地基条件好的情况柔性基础对比基础与上部结构采用铰接连接，只传递轴力和剪力构造简单，造价较低，但抗倾覆能力有限承台设计案例桩基承台厚度通常为柱宽的

1.5-2倍，配筋采用双向钢筋网承台受冲切控制，需验算柱下冲切承载力规范执行案例分析1初步设计审查重点检查结构方案的合理性、荷载取值的准确性、抗震设防的符合性常见问题包括柱网布置不当、荷载漏算等2施工图审查详细核查计算书、构造措施、节点详图等审查要点包括配筋计算、锚固长度、构造配筋等是否满足规范要求3整改措施实例某工程因梁柱节点配箍不足被要求整改，增加箍筋数量并调整间距另一项目因抗震等级判断错误，重新进行抗震验算框架结构加固改造成本控制与经济性45%30%材料费占比人工费占比材料费用在总造价中的典型比例施工人工费用在项目中的比重15%节约潜力优化设计可实现的成本节约幅度混凝土框架结构的经济性主要体现在材料用量的控制上通过优化梁柱截面尺寸、合理选择混凝土强度等级、控制配筋率等措施可以有效降低造价某住宅项目通过结构优化设计，混凝土用量减少12%，钢筋用量减少8%，总造价节约约180万元标准化设计和模块化施工也是控制成本的有效手段安全管理与风险防控高处作业风险框架结构施工涉及大量高处作业，坠落风险较高必须设置安全网、防护栏杆等安全措施，作业人员佩戴安全带和安全帽模板支撑风险高大模板支撑系统存在坍塌风险，需要进行专项设计和验收支撑立杆基础必须坚实平整，连接节点应牢固可靠风险评估措施建立风险评估体系，定期进行安全检查重大危险源实施重点监控，制定应急预案安全投入应占工程造价的2-3%工程实例分析一项目基本信息关键技术参数某住宅楼为11层框架结构，建筑高度33米，总建筑面积框架柱截面尺寸为400×400mm，主梁截面为300×600mm，8600平方米柱网尺寸

8.1×

4.2米，抗震设防烈度7度次梁为250×500mm楼板厚度120mm结构采用现浇混凝土框架体系，混凝土强度等级底部3层为经济指标混凝土用量52kg/m²，钢筋用量46kg/m²，总造C40，上部为C30钢筋采用HRB400级价1680元/m²结构成本占建筑总造价的22%工程实例分析二设计参数方案一方案二方案三抗震等级二级一级特一级柱截面mm600×600700×700800×800配筋率%

1.

21.

82.4造价增量%基准+15+32某办公楼根据不同抗震等级进行对比设计，随着抗震要求提高，结构构件尺寸和配筋率显著增加一级抗震比二级抗震造价增加15%，主要体现在柱截面加大和配筋增加特一级抗震要求最严格，需要采用高强混凝土和特殊构造措施国内外规范对比中国GB规范采用承载能力极限状态设计方法，安全系数相对保守抗震设计强调三水准两阶段设防目标，延性要求较高欧洲EN规范欧洲规范EN1992注重概率设计理论，采用分项系数法材料强度分级更细，设计方法更加精细化美国ACI规范ACI318规范基于试验研究，实用性强强度折减系数体系与我国略有不同，更注重实际工程经验新材料与前沿技术12高强钢筋应用超高性能混凝土HRB

600、HRB500E等高强UHPC抗压强度可达150-钢筋在高层建筑中应用增200MPa，抗拉强度8-多，屈服强度提高20-15MPa在大跨度结构、50%，可减少配筋量15-预制构件等领域应用前景25%，具有良好的经济效广阔，能显著减小构件截益面3自修复混凝土添加微胶囊或细菌等修复材料，能够自动愈合微裂缝目前处于研发阶段，有望解决混凝土耐久性问题，延长结构使用寿命框架结构常用计算软件。