1、第六节 多层框架一、多层框架体系多层框架结构在工业建筑中用作矿井地面建筑。石油焦化结构和电子工业、机械工业的多层厂房。在民用建筑中用于停车场、办公楼等建筑。多层框架结构型式繁多，主要分为刚架、支撑框架和简体结构等三大类。其中筒体结构主要用在高层建筑，以控制水平位移。刚架和支撑框架结构的主要组成部分是柱与梁和与此相关的楼盖结构、支撑结构、墙板或墙架结构（图439）。图439 多层框架结构的组成多层框架结构的支撑体系主要有刚架式支撑（图440a）和桁架式支撑（图 440b）两种。刚架式支撑是梁与柱连接全部或局部做成刚接；桁架式支撑则在多层框架结构中适当布置各种形式的支撑。刚架式支撑结构平面布置灵活
2、，构件标准化，与桁架式支撑比较刚度较小，材料较费，一般只用在高度较小的多层框架结构中。二、多层框架支撑多层框架支撑布置原则是：承受各个方向的水平荷载，保证结构的整体稳定和安装过程中的局部和整体稳定。避免结构出现较大的次应力和温度应力。支撑布置在多层框架的纵向与横向，并最好与框架主轴对称，以便承受任意方向的水平力和扭矩。图440 多层框架结构支撑布置当结构平面为正方形时，桁架式支撑可布置在房屋中央和四角（图441a）；在长方形平面中，桁架式支撑则宜布置在短边两端及中部，以保证短边方向的刚度，在长边方向可布置少量支撑（图441b）。图441 多层框架的支撑平面布置图442支撑结构形式沿高度布置支撑
3、时，最好从上到下贯通，如果桁架式支撑不能这样布置时，可将支撑移到相邻的区格中，并搭接一层以利水平力的传递。桁架式支撑形式基本上有3种：即X形支撑、K形支撑和华伦氏有架（图 742）。X形支撑是3种形式中最差的一种，因为两根交叉斜杆都必须承受全部楼层的水平力，材料用量增加，而且还有次应力。K形支撑抗挠曲比较有效，基本上无次应力。华伦氏桁架最有效，受压斜杆与柱一起参与承受垂直荷载，但分析比较困难。三、外墙钢面板多层框架的外墙钢面板是用钢墙板幕墙通过和框架主梁的结合而发挥加劲作用，钢墙板是同时满足建筑防水、美观和增加刚度的多功能要求的最佳方案（图443）。图443 外墙钢面板构造外墙钢面板常采用喷漆
4、的碳钢钢板，或风化后能在表面形成保护层的抗腐蚀钢板。喷漆钢板可任选色彩，丰富了建筑设计。钢面板的厚度为810mm，用间距为 300 mm、长度为 7080mm的栓钉与主梁连接。为了维持钢面板的平整并易于安装，以角钢作为水平和垂直加劲肋组合件。在主梁（过梁）周围包以钢筋混凝土，使钢面板、楼板和主梁联结成整体，共同形成组合梁而增加刚度，外包钢筋混凝土兼作防火材料。外墙钢面板配合框架，在不增加主梁截面情况下，可减少结构侧移，使所有构件均能满足强度和刚度要求，并能达到最经济的效果。四、楼盖结构多层框架结构中的楼盖是由主梁、次梁和楼面板组成，其中主梁、次梁为钢结构，楼面板常用钢筋混凝土板，梁和板可以分离
5、作用或联合作用（图444）。图444 楼盖结构的组成钢筋混凝土板与钢梁联合作用的称为组合梁，其中混凝土翼板的有效宽度b e可按下式计算（图 444b）。beb 0b 1b 2 （712）式中 b0板托顶部宽度：当板托倾角45时，应按实际角度计算板托顶部宽度；当板托倾角45时，应按45计算板托顶部的宽度；当无板托时，则取钢梁上翼缘的宽度；b1、b 2梁外侧和内侧的翼缘计算宽度，各取梁跨度l 的l/6和翼缘板厚度h c1的6倍中较小值。此外b 1尚不应超过翼板实际外伸宽度s 1；b 2不应超过相邻梁板托间净距12；中间梁，b 1=b2。组合梁受弯时其塑性中和轴可能在混凝土翼板内或在钢梁截面内，应分
6、别计算其抗弯强度。1塑性中和轴在钢筋混凝土翼板内的组合梁（图445）图445 塑性中和轴在混凝土翼缘板内的组合梁截面及应力图形当 时：cmefhbAf1（413）yxfbMcme式中x组合梁截面塑性中和轴至混凝土翼缘板顶面的距离应按下式计算：（414）cmefbAxM全部荷载产生的计算弯矩；A钢梁的截面面积；y钢梁截面应力的合力至混凝土受压区截面应力的合力间之距离；f塑性设计时，采用的钢材抗拉、抗压和抗弯强度设计值；fcm混凝土弯曲抗压强度设计值。图446塑性中和轴在钢梁内的组合梁截面及应力图形2塑性中和轴在钢梁截面内的组合梁（图446）当 时：cmefhbAf1（415）211fyAyfMc
7、ce式中 Ac钢梁受压区截面面积，应按下式计算：（416）)/(5.01ffhbcmecy1钢梁受拉区截面应力的合力至混凝土翼板截面应力的合力间之距离；y2钢梁受拉区截面应力的合力至钢梁受压区截面应力的合力间之距离。组合梁截面上的全部剪力，假定仅由钢梁腹板承受，则可按普通实腹梁的腹板受剪计算公式验算其剪应力。组合梁的特点是混凝土翼板与钢梁共同受力，因此板与梁之间有较大剪力，单靠梁翼缘狭窄连接面中粘结摩擦受力是不够的，需要用键或锚组成一个特殊的抗剪结构，称之为连接件（图447）。图747 组合梁中的抗剪连接件连接件（又称剪力件）是钢与混凝土组合结构的重要组成部分，由于有焊在钢梁翼缘上的连接件。才
8、能使钢梁与钢筋混凝土板连接成为一个整体而共同发挥结构作用。连接件形式很多，主要有栓钉、槽钢和弯起钢筋等。栓钉连接件长度不小于 4d（d为钉直径），布置时沿梁跨度方向间距不小于6d ，垂直于梁跨度方向间距不小于4d。槽钢连接件的翼缘肢尖方向应与混凝土翼板对钢梁的水平剪应力方向一致。弯起钢筋用直径d不小于 12 mm的I 级钢筋成对对称布置。用两条长度为至少 4d的侧焊缝焊接，弯起角度一般为 45，弯折方向应与混凝土翼板对钢梁的水平应力方向一致。连接件的受剪承载力设计值按下列公式计算。1栓钉连接件（图447 a）；（417）fAfEANscescu 7.043.0式中 As栓钉焊钉截面面积；f栓钉
9、的抗拉强度设计值；栓钉抗拉强度最小值与屈服强度之比；当栓钉材料性能等级为4.6级时，取f=215N/m2， =1.67；Ec混凝土的弹性模量；fce混凝土的轴心抗压强度设计值。2槽钢连接件（图447b）：（418）cecwcv fElttN)5.0(26.0式中 t槽钢翼缘的平均厚度；tw槽钢腹板的厚度；lc槽钢的长度。3弯起钢筋连接件（图447c）：（419）stcvfAN1式中 A1弯起钢筋的截面面积；fst钢筋的抗拉强度设计值。组合梁中钢筋混凝土板，其混凝土强度等级一般不低于 C20，预制时为 C30。刚性连接件与钢梁用3号钢或16锰钢。柔性连接件采用I 级钢、II级钢或5号钢。钢梁截面
10、高度一般不小于组合梁截面总高度的125，组合梁板托高度不大于混凝土翼板厚度的15倍，板托顶面宽度不小于板托高度的15倍。楼盖结构另一种新形式是填块主梁体系（图448）。在钢筋混凝土楼板与钢主梁之间，用很多短型钢构件分隔开来，这种短型钢构件称为填块。填块与钢梁焊在一起，并用抗剪连接件与钢筋混凝土板连接起来。图448 填块主梁楼盖体系填块主梁楼盖体系使主梁与钢筋混凝土板之间造成一个空间，可在其间分别布置机械、电器、给排水等管线。与通常组合梁楼盖体系比较有下列几个优点：（1）由于主梁与钢筋混凝土楼板间有填块，组合楼板的惯性矩可以大大增加，从而减小主梁的高度；（2）梁高减小，而且又可把各种管线放入结构
11、空间，减少楼层高度约 150250 mm，并节约钢材及墙、电梯、机电设备管线所用的材料；（3）在填块主梁楼盖结构中，次梁可直接放在主梁之上，连接费用大大减少，次梁安装方便，可加快安装进度，而且次梁可设计成连续梁。以上优点可补偿采用填块和施工支架的附加费用。例43 验算图449所示多层框架楼层中组合梁的强度。按塑性设计。已知梁的跨长l6m，计算弯矩M150kNm，楼板厚80mm，托板厚70mm。采用混凝土C35，钢梁 I20a，截面A=3550 mm2，为3号钢，钢筋连接件为I 级钢筋。图449 组合梁计算【解】：（1）计算混凝土翼板的有效宽度b e。按式（42）： mbbe 120482402
12、0 （2）判别中和轴位置，按式（413）： kNfhbcme 1824019801231 A67.53则 kAfkNfhbcme 818241 故中和轴在翼板之内，可根据图445塑性中和轴在钢筋混凝土翼板内计算。（3）计算组合梁的承载力，按式（414）：中和轴至混凝土翼缘板顶面的距离： mfbAfxcme 13.0)1920/(6870/ 钢梁截面合力至混凝土受压区合力间之距离： xy 935.2413.0252)80710( mkNxfbcme .69.3413.2安全mkNMmkNyfce 150916（4）连接件设计采用弯起钢筋，混凝土翼板与钢梁间的纵向剪力为： kNAfV 687109
13、.2153503钢筋直径12，连接件的受剪承载力设计值按式（419）计算，为： kNfANstcv 18.23102561 组合梁上最大弯矩处至梁端区段内的连接件总数为：根，取 32根放两排，63.2918.23/687/ cuNVn每排16根。连接件之间的间距： mhmla c320845.18763012/ 1连接件构造如图450所示。图750 组合梁连接件构造五、梁与柱连接构造多层框架梁的截面多用工字形（图451a），柱的截面则常用宽翼缘工字钢或3块板焊成工字形（图451b），使柱在平面内外的惯性矩比较接近。此外，在受力很大而且主要是强度控制的柱中，采用焊接十字形截面（图451c）。图4
14、50 多框架的梁和柱截面梁与柱的连接构造可以设计成铰接、柔性连接和刚性连接，前两种连接在平台结构中已有叙述，在多层框架中用得不多，这里主要介绍梁与柱的刚性连接。梁与柱的刚性连接有下列几种构造形式：（1）梁与柱丁字形连接（图452），柱上焊有安装用支托，柱的腹板用横向加劲肋加强，这种连接刚度较大，但梁的长度必须制造精确，安装焊缝有仰缝。图452 梁与柱丁字形连接（2）梁与柱通过宽翼缘T形钢连接（图453），T形钢起竖向加劲肋作用，特别适合于十字形横梁的连接。T形钢可用工字钢在腹板上裁开而得，接头长度大于横梁高度，并使柱的抗扭刚度得到加强，与柱翼缘直接焊接的东西向横梁，要比通过T 形加劲肋连接的南
15、北向横梁刚度大一些。图453 有T形加劲肋的梁与柱四个方向连接（3）梁与柱通过盖板和角钢连接（图454）。在柱的东西方向，通过盖板与梁翼缘连接，以传递弯矩。通过竖直角钢与梁腹板连接，以传递剪力。柱上有安装支托，为避免仰焊，上部水平板小于梁翼缘，下部水平板大于梁翼缘。图454 有盖板与角钢的梁柱四向连接在柱的南北方向，盖板兼肋板与柱翼缘和腹板焊接，为避免仰焊，可在上部水平板中间开箱进行焊接。下部水平板下有竖向肋板作为支托，承受剪力。梁与柱焊接前均有安装螺栓定位。（4）对于柱为十字形截面，亦可用水平面盖板与竖向板和梁连接，水平板传递弯矩，竖向板传递剪力。下部水平板与竖向板先焊在柱上起支托作用，上部
16、水平板做成楔形与梁柱连接。十字形柱截面完全对称，因此四个方向构造完全相同（图455）。图455 梁与十字形截面柱的连接六、柱的拼接构造多层框架结构中，上下层的柱总是要做拼接连接的。柱的拼接有时放在楼层半高的地方，以避开风载下的大弯矩区，柱的拼接有用焊缝传力、端部铣平传力、连接板传为或使向填板传力。图456所示为上下柱用焊缝传力，施焊前先用空位角钢安装螺栓定位，施焊后割去引弧板和空位角钢，再补焊撤除空位角钢的焊缝，此法用于上下柱同型号或翼缘不等厚的柱。图456 柱的焊缝连接图457所示为端部铣平传力，上下柱截面相等首先在柱端磨平，上柱剖口作成平整支承面，用角钢定位连接，再对上柱下端翼缘剖口处焊接
17、，最后去掉定位角钢再补焊。图457 端部铣平柱拼接上下柱截面或宽度不相等时，可用竖向连接板传力（图458）或横向填板传力（图459）。上柱宽度与丁柱腹板宽度相等时，可将下柱翼缘板向上伸出，以便上柱插入焊接，腹板则另加拼接板。若板厚不等，则填以垫板变成横向填板拼接，此时需在下柱加肋板来传递上柱压力。图458有竖向连接板的柱拼接 图459 有横向填板的柱拼接七、多层框架结构分析方法多层框架结构分析方法有两大类，即弹性设计方法和塑性设计方法。前者仅局限于理想弹性范围内分析，后者考虑到弹塑性工作阶段的极限状态。在结构分析时，一般还要考虑到P 效应和二阶理论。当多层框架布置支撑系统后，结构的水平刚度大于
18、5倍无支撑系统的结构水平刚度，则可认为这种框架是有支撑架结构。框架柱可按承受一阶弯矩和轴力计算，设计支撑时则应考虑二阶效应。无支撑框架的分析方法较多，可按弹性阶段分析，也可按弹塑件阶段分析。主要分析方法有：一阶弹性理论分析；考虑P效应的弹性分析；二阶弹性理论分析；二阶弹塑性分析等等，由于计算时假定不同，各种方法会有不同的精确程度。第七节 框架柱脚（一）一般柱脚计算柱脚的作用是把柱固定于基础上，并把柱的内力传给基础，由于柱下基础用钢筋混凝土结构，其强度比钢材要低，所以必须把柱的底部放大，以增加基础顶部的接触面积。柱脚有铰接和刚接两种形式。在平台结构中，平台柱主要是轴心受压，故多用铰接形式；只有在
19、框架结构中，柱要承受压力和弯矩，才用刚接形式。最简单的柱脚是将柱的端部铣平，直接放在支承底板上（图460a），依靠铣平的柱端直接传力，柱与底板再用焊缝连接，以免滑移。由于大型柱铣平困难，故这种方法用得很少。图460实腹柱的柱脚构造比较常用的是用靴梁的柱脚，（如图460b、c、d）。靴梁的作用 是将柱身端部放宽，使内力均匀地通过底板传到基础上。工字形截面柱和钢管柱也有用肋板（图461a、c）来传递柱的内力，肋板与靴梁功用相同。图461带肋板的实腹柱柱脚格构柱柱脚构造原理与实腹柱相同，都用靴梁传力，一般是柱的内力通过与靴梁连接的焊缝传给靴梁，然后再通过与底板连接的焊缝传给底板（图462）。图462
20、格构柱柱脚构造柱脚在基础上固定都用锚栓，其直径按构造要求确定，一般采用 2025 mm，底板上锚栓孔的直径应比锚栓直径大11 5倍，使柱安装时容易就位。基础的计算需要确定底板平面尺寸和厚度、靴梁和肋板尺寸以及连接焊缝。（1）底板的计算假定底板与基础之间接触面上的压应力是均匀分布，底板的平面尺寸L（长度）和 B（宽度）的计算式为： 0AfNLc式中N柱的轴心压力；fc基础所用混凝土的抗压强度设计值；A0 锚栓孔的面积。图463柱脚的计算有靴梁的柱脚底板宽度可按下式计算（图463）：B=a2t 12c （420）式中a柱的截面高度即靴梁间距；t1靴梁厚度；c底板伸出部分宽度，通常取锚栓直径（d20
21、30 mm）的34 倍。最好取B 为整数 ，再确定柱脚底板的长度L。底板的厚度由板的抗弯强度决定。可以把底板看做是一块支承在靴梁，隔板和柱身上的平板，它承受从下面传来的基础的均匀反力。底板被划分为几个部分，有四边支承部分，如图464中的柱身截面范围内的板，或者在柱身与隔板之间的部分；有三边支承部分，如图中在隔板至底板的自由边之间的部分，还有悬臂部分。这几部分板承受的弯矩可能很不相同，要先分别计算然后通过比较取其中的最大弯矩用来确定底板厚度。图464柱脚计算简图底板厚度由下式确定：（421）fMtmax6式中 Mmax底板划分成三边支承，四边支承和悬臂跨板，取其中最大的弯矩（见式422424）。
22、四边支承的板为双向弯曲的板，在板中央的短边方向的弯矩比长边方向的为大，取宽度为1cm 的板条作为计算单元，其弯矩为：四边支承板的弯矩为： M4=qa 2 （422）式中 作用在底板单位面积上的压力；0ALBNqa四边支承板中短边的长度；系数，由边长比b/a查表42，b为长边宽度；四边支承板弯矩系数 表42当四边支承板b/a4.0时，相当于两边支承板，即按跨度为a的简支板计算。三边支承的板，其最大弯矩位于自由边的中央，该处的弯矩为：三边支承板的弯矩为： （423）213qaM式中a 1三边支承板中自由边的长度；系数，由b 1a 1查表43，b 1为三边支承板垂直于自由边的长度；q同上。三边支承板
23、弯矩系数 表43当三边支承板b 1a 102时，可按悬臂长为b 1的悬臂板计算。悬臂板的弯矩为： （424）21qcM式中 c悬臂长度；q同上。设计时，靴梁和隔板的布置尽可能使M 1、M 3和M 4接近，以便底板不致太厚，底板厚度一般取2040 mm，最小厚度 14 mm。底板太薄，下面基础反力将分布不均匀。焊缝承受柱的内力，采用角焊缝，其长度应不大于 60hf。计算时焊缝分成 两部分，一部分是柱与靴梁连接的竖直焊缝，按柱的轴心压力N计算。另一部分是靴梁与底板连接的水平焊缝，也按柱的轴心压力N计算。至于柱与底板直接连接的焊缝，因质量不能保证，柱端与底板可能有较大的缝隙，故可偏安全地不考虑受力。
24、靴梁可作为承受底面焊缝传来的均布力并支承于柱边的双悬臂简支梁计算。肋板可按悬臂梁计算强度和与靴梁间的焊缝。隔板作为底板的支承边，应有一定刚度，可取与靴梁同厚度，不必计算。（2）靴梁的计算 靴梁板的厚度宜与被连接的柱子的翼缘厚度大致相同。靴梁的高度由连接柱所需要的焊缝长度决定。但是每条焊缝的长度不应超过角焊缝焊脚尺寸h f的 60倍，而h f也不应大于被连接的较薄板厚的12倍。二块靴梁板承受的最大弯矩 M=qBl22 （425）二块靴梁板承受的剪力可取 V= qBl （426）应根据M和V之值验算靴梁的抗弯和抗剪强度。式（425）与（426）中的l为靴梁的悬臂长度。（3）隔板计算 为了支承底板，
25、隔板应具有一定刚度，为此其厚度不应小于隔板长度的150，但可比靴梁板的厚度略小。隔板的高度取决于连接焊缝要求，其所传之力可偏于安全地取图464中阴影部分所承受的基础反力。例58 设计格构柱的柱脚，采用混凝土强度等级为C20，已知荷载N2532kN ，柱截面如图465。图465【解】：（1）底板计算假定底板宽度Ba2t 12c=36 2142 5650cm500mm已知 C20混凝土上抗压强度设计值f c=10 Nmm 2mAfNBLc 4.516)5010253(0)(10 设锚栓孔面积A 0=5000mm2取 L700 mm（按构造需要）。作用在底板单位面积上的压力： 220 /10/34.750723 mNfmNABLNq c四边支承板的弯矩：ba4083601133 查表4-2 0057M=qa 20.0577.34 3602=54222Nmm三边支承板的弯矩：b1a 11463600406 查表4-3 =0 043mNqM 409364.743. 221悬臂板的弯矩： qa 15095634.721212柱与靴梁的竖直焊缝为：（焊缝强度设计值）2/10mNfw经比较，最大弯矩为M max=54222 Nmm（四边支承板）底板厚度为： ，采用mfMt 9.38215466max 40mm。
