混凝土框架时,结构的整体性、刚度较好,设计处理好也能达到较好的抗震效果,而且可以把梁或柱浇注成各种需要的截面形状。
框架的结构缺点为:框架节点应力集中显著;框架结构的侧向刚度小,属柔性结构框架,在强烈地震作用下,结构所产生水平位移较大,易造成严重的非结构性破性;钢材和水泥用量较大,构件的总数量多,吊装次数多,接头工作量大,工序多,浪费人力,施工受季节、环境影响较大;不适宜建造高层建筑, 框架是由梁柱构成的杆系结构,其承载力和刚度都较低,特别是水平方向的(即使可以考虑现浇楼面与梁共同工作以提高楼面水平刚度,但也是有限的),它的受力特点类似于竖向悬臂剪切梁,其总体水平位移上大下小,但相对与各楼层而言,层间变形上小下大,设计时如何提高框架的抗侧刚度及控制好结构侧移为重要因素,对于钢筋混凝土框架,当高度大、层数相当多时,结构底部各层不但柱的轴力很大,而且梁和柱由水平荷载所产生的弯矩和整体的侧移亦显著增加,从而导致截面尺寸和配筋增大,对建筑平面布置和空间处理,就可能带来困难,影响建筑空间的合理使用,在材料消耗和造价方面,也趋于不合理,故一般适用于建造不超过15层的房屋。 框架结构设计方法
一、理论基础:
钢筋混凝土框架结构的设计方法先后经历了容许应力设计方法、破损阶段设计方法和极限状态设计方法。
容许应力法以线弹性设计方法为基础,要求在使用荷载作用下构件截面的应力不大干容许应力,截面应力按线弹性设计方法求出,容许应力是用材料的强度除以安全系数求得。容许应力法仅考虑材料的弹性性质,容许应力取值也无科学依据,框架结构设计是否安全可靠无法用实验来验证。
破损阶段法以塑性设计方法为基础,要求在使用荷载作用下构件截面的内力不大于破坏时内力除以某一安全系数,破损阶段法使构件有了总的安全度的概念,可以说它开创了一个新局面。但它仍存在一些重大的缺点:只保证了构件的强度,但却无法了解构件正常使用是否满足要求;安全系数取值仍须经验,并无严格科学依据;单一安全系数不能对不同荷载、材料、构件区别对待,从而正确地度量框架结构的安全度。
极限状态法是破损阶段的发展,它规定了框架结构的极限状态,并把单一安全系数改为三个分项系数,即荷载系数、材料系数和工作系数,从而把不同荷载、材料、构件区别对待,使构件具有比较一致的安全度。从本质上讲,破损阶段设计法和极限状态设计法中的承载力极限状态设计所依据的都是极限强度设计方法。极限强度设计方法的基本原则是求出截面破坏时的极限承载力,然后控制截面在使用荷载作用下的内力不大于破坏时的极限承载力除以某个考虑安全的系数。系数可用单一系数,即破损阶段法;也可用分项系数,即极限状态法。随着可靠度设计方法的发展,安全系数的取值已经从传统的定值设计法发展到今天的半概率设计法,又在向近似概率设计法发展,
使框架结构设计的极限状态设计方法向更完善、更科学的方向发展。但是,只有框架结构的极限承载力得以准确评估后,框架结构安全系数更为精确、科学的取值才会更有意义,框架结构安全度才能得到充分保证。
框架结构在承受水平荷载作用下属剪切型破坏。近年来,有关学者对框架结构在地震作用下的分析表明多层框架的震害可分为8种整体破坏情况,4中构件部位破坏、6种构件受力破坏情况,2种短柱破坏情况,现分述如下: 1. 整体破坏:
(1)、柱筋拔断、整幢倾倒:一侧柱筋在一楼拔断,整幢房屋向另一侧倾倒。
(2)、全柱溃断、整幢压扁:框架弱柱强梁,全部柱每层折断或压溃,整幢房屋压扁成层叠状。
(3)、局柱溃断、整幢倾斜:局部柱压溃或折断,其它柱完好,整幢房屋因局部下陷而倾斜。
(4).部分压扁、部分破坏:同幢房屋中部分柱压溃折断压扁成层叠状,部分柱严重破坏,但未压溃折断,故成部分压扁、部分破坏 (5)、底柱压溃、底层压扁:底层柱压溃,底层压扁,整幢房屋下陷。 (6)、底柱折断、底层扁移:底层柱折断,底层压扁,整幢房屋侧移。 (7)、柱端破坏、底层倾斜:底层柱上下成塑性铰破坏,底层倾斜、上部房屋平移。
(8)、柱顶破坏、底层平移:底层仅柱上端破坏成塑性铰,柱成弯曲状,
柱下端完好,整幢房屋平移。 以部位分为4种破坏情况 (1)、柱头破坏 (2)、柱中破坏 (3)、柱底破坏。 (4)、节点破坏
以受力分为6种破坏情况: (1)、柱剪切破坏。 (2)、柱剪压破坏 (3)、柱压屈破坏 (4)、柱压弯破坏 (5)、柱塑性铰破坏。 (6)、梁剪切破坏
短柱破坏主要为剪切破坏。
分析震害现象发现,多层框架中8种整体破坏、构件破坏中的4种部位破坏、5种受力破坏、短柱中的2种受力破坏,都说明在多层框架的震害中,整体破坏的全部、构件破坏的大部分都因柱构件的破坏而引起,故柱在多层框架的抗震中占据十分重要的位置,是框架抗震的主要矛盾。
二、设计步骤: 1、框架梁柱的截面设计原则
根据震害分析,以及近年来国内外试验研究资料,应把框架设计
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