框架结构内力计算
横向水平荷载作用下框架结构的内力和侧移计算
结构等效总重力荷载
F
G
G
G
G3
质点i的水平地震作用Fi 若： 不考虑顶部附加地震作用 若： 考虑顶部附加地震作用 查表1.19
（3）判别
楼层位移
01
弹性角位移
02
层间位移 查表1.21 钢筋混凝土框架1/550
节点平衡
左地震M图
方向：
01
剪力：使物体顺时针转为正 轴力：压力为正
02
左地震剪力、轴力图
03
梁端剪力、柱轴力
(二）横向风荷载作用下框架结构内力和侧移计算 1、风荷载标准值 ：风振系数 ：体型系数 ：高度变化系数，表1.11 ：基本风压 0.65 压 吸 ……
03
3、水平地震作用下的位移验算
4、水平地震作用下框架内力计算
D值法（改进反弯点法）
柱端弯矩：
--标准反弯点高度比（表2.4） --上、下层梁线刚度比修正系数（表2.6） --上层层高变化的修正值（表2.7）底层 --下层层高变化的修正值（表2.7）二层 --本层层高
梁端弯矩：
柱左侧受拉为正
以梁线刚度分配
六、横向水平荷载作用下框架结构的内力和侧移计算
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（一）横向水平地震作用下框架结构的内力和侧移计算 1、横向自震周期（基本自震周期）T1 Gi 为计算单元范围内各层楼面上的重力荷载代表值及上下各半层的墙柱等重量 注：突出屋面部分面<30%屋面面积，则按附属结构计算；＞30%按一层计算 计算时，先将突出屋面部分重力荷载折算到顶层： Ge=Gn×（1+3h／2H)
自振周期计算公式：
考虑非承重墙影响的折减系数，框架0.6~0.7； 计算结构基本自振周期用的结构顶点假想位移 对于带屋面局部突出间的房屋，应取主体结构顶点的位移。
框架结构的内力和位移计算
框架梁跨中截面： T型截面
框架梁支座截面： 矩形截面
边框架：I＝I0
注：I0为矩形截面框架梁的截面惯性矩
框架结构的内力和位移计算
10
§ 3.2 竖向荷载作用下的近似计算方法——分层法 计算假定：
➢ 多层多跨框架在一般竖向荷载作用下，侧移小， 作为无侧移框架按力矩分配法进行内力分析
➢ 多层框架简化为单层框架，分层作力矩分配计算
17
2 弯矩二次分配法
具体计算步骤： （1）根据各杆件的线刚度计算各节点的杆端弯矩
分配系数，并计算竖向荷载作用下各跨梁的固端弯矩。 （2）计算框架各节点的不平衡弯矩，并对所有节
点的不平衡弯矩同时进行第一次分配（其间不进行弯 矩传递）。
框架结构的内力和位移计算
18
（3）将所有杆端的分配弯矩同时向其远端传递（对 于刚接框架，传递系数均取1/2）。
首先，将多层框架分解成一层一层的单层框架
框架结构的内力和位移计算
12
分层法 例题：
框架结构的内力和位移计算
13
分层法
力学知识回顾
➢转动刚度——对转动的抵抗能力。杆端的转动刚度以S表示 等于杆端产生单位转角时需要施加的力矩。
➢固端弯矩 方向 +
框架结构的内力和位移计算
14
分层法
➢传递系数
➢分配系数
框架结构的内力和位移计算
2
荷载和设计要求
步骤四：内力计算 ➢ 竖向恒荷载作用下内力计算 ➢ 竖向活荷载作用下内力计算 ➢ 水平风荷载作用下内力计算 ➢ 地震作用下内力计算
步骤五：侧移验算 ➢ 侧移不满足要求回到步骤一
步骤六：控制截面及控制截面内力调整 ➢ 梁柱轴线端内力调整至构件边缘端 ➢ 竖向荷载梁端出现塑铰产生的塑性内力重分布
框架和剪力墙结构的内力与位移计算
框架和剪力墙结构的内力与位移计算在建筑结构设计中，框架和剪力墙结构是一种常见且重要的结构形式。
理解和准确计算这种结构的内力与位移，对于确保建筑物的安全性、稳定性以及使用性能至关重要。
框架结构主要由梁和柱组成，通过节点连接形成空间受力体系。
在承受水平荷载时，框架结构的变形以剪切型为主，即层间位移由下至上逐渐增大。
而剪力墙结构则是由一系列的钢筋混凝土墙板组成，能够有效地抵抗水平荷载，其变形以弯曲型为主，即顶部位移较大。
当框架和剪力墙共同工作时，其内力和位移的计算就变得较为复杂。
首先，我们来探讨内力的计算。
内力包括弯矩、剪力和轴力。
在水平荷载作用下，框架和剪力墙所承担的内力会根据它们的刚度比例进行分配。
对于框架部分，其内力计算通常采用 D 值法。
D 值法考虑了梁柱线刚度比、上下层横梁线刚度比以及层高变化等因素对框架柱抗侧刚度的影响。
通过计算得到框架柱的抗侧刚度后，再根据水平荷载的大小和分布，就可以计算出框架柱和框架梁的内力。
剪力墙的内力计算则相对复杂一些。
一般来说，可以采用等效抗弯刚度法或者连续连杆法。
等效抗弯刚度法将剪力墙等效为一个悬臂梁，通过计算其等效抗弯刚度来确定内力。
连续连杆法则是将剪力墙视为一系列连续的连杆，通过建立微分方程来求解内力。
在计算框架和剪力墙结构的位移时，需要分别考虑弯曲变形和剪切变形的影响。
对于框架结构，由于其剪切变形较大，需要同时考虑梁柱的弯曲变形和剪切变形。
而剪力墙结构主要是弯曲变形，其位移计算可以基于材料力学中的弯曲理论。
在实际工程中，为了更准确地计算框架和剪力墙结构的内力和位移，通常会借助计算机软件进行分析。
这些软件基于有限元法等数值方法，能够模拟结构在各种荷载作用下的响应。
然而，软件计算结果也并非绝对准确，工程师还需要根据自己的经验和判断对结果进行分析和校核。
例如，在一些特殊的情况下，软件可能无法准确考虑结构的非线性行为或者一些复杂的边界条件。
另外，在设计过程中，还需要考虑一些其他因素对内力和位移的影响。
框架施工图—内力分析及侧移计算(建筑构造)
（2） 侧移刚度d的确定 侧移刚度d表示柱上下两端有单位侧移时在柱中产生的 剪力。根据假定（1），梁柱线刚度之比无穷大，则各 柱端转角为零，由结构力学的两端无转角但有单位水平 位移时杆件的杆端剪力方程，柱的侧移刚度d可写成：
V 12 i
d= =
c
D
h2
EI
i=
c
h
内力分析及侧移计算
（3）同层各柱剪力的确定
（5
柱端弯矩确定以后，根据节点平衡条件可确定梁的弯矩。
对于边柱节点（图(a)），有Mb=Mc1+Mc2 对于中柱节点（图1(b))
Mb1=ib1/(ib1+ib2)(Mc1+Mc2 Mb2=ib2/(ib1+ib2)(Mc1+Mc2)
内力分析及侧移计算
如图所示，从框架中任取一柱AB，根据转角位移方
内力分析及侧移计算
分层法
认为某层框架梁上的荷载只给本层梁及与本层梁相连的框架产 生剪力和弯矩
进行弯矩分配后叠加，叠加后的不平衡弯矩再分配但不传递
内力分析及侧移计算
2 框架在水平荷载作用下内力的近似计算——反弯点法和D值法
A 反弯点法 反弯点法基本假定: （1） 在进行各柱间的剪力分配时，假定梁与柱的线
（2） 在确定各柱的反弯点位置时，假定除底层柱以
多层多跨框架所受水平荷载主要是风荷载及水平 地震作用。一般可简化为作用在框架节点上的集中 荷载，其弯矩图如图(a)所示。它的特点是，各杆的 弯矩图都是直线形，每杆都有一个零弯矩点，称为 反弯点。框架在水平荷载作用下的变形情况如图(b) 所示
内力分析及侧移计算
程，柱两端剪力为：
V
=
12ic h2
6ic h
水平荷载作用下框架内力的计算——D值法资料讲解
水平荷载作用下框架内力的计算——D值法资料讲解D值法是一种常用于计算框架结构在水平荷载作用下的内力的方法。
下面是对D值法进行详细讲解的资料。
一、D值法的基本概念D值法是一种近似计算框架结构内力的方法，其基本思想是通过估算框架结构在水平荷载作用下的刚度来计算内力。
具体而言，D值法通过假设结构刚度的变化与结构的变形呈线性正比关系，将结构的刚度表示为一个D值，再通过对结构的初始刚度和变形的估计，计算出结构在水平荷载作用下的内力。
二、D值的计算步骤（一）计算结构的初始刚度1.根据结构的几何形状和材料特性，计算出结构在初始状态下的刚度矩阵。
2.对刚度矩阵进行变换，得到初始刚度矩阵。
（二）估算结构的变形1.假设结构受到线性弹性变形的影响。
2.估计结构的位移和转角。
（三）计算D值1.根据估算的位移和转角，计算出结构的变形矩阵。
2.根据初始刚度矩阵和变形矩阵，计算出结构的刚度矩阵。
3.将刚度矩阵转化为D值，即刚度指数。
（四）计算内力1.根据D值和水平荷载的大小，计算出结构的内力。
2.对结构的各个部位进行内力平衡计算，得到各个构件的内力。
三、D值法的优缺点D值法在计算框架结构内力时具有一定的优势和局限性。
（一）优点1.简洁易行：D值法不需要进行繁琐的矩阵计算，计算步骤相对简单。
2.适用范围广：D值法适用于一般的框架结构，包括多层和复杂形状的结构。
3.结果可靠：在合理的假设和估计前提下，D值法可以得到较为准确的内力计算结果。
（二）缺点1.假设过于理想化：D值法假设结构的变形与刚度呈线性正比关系，这在实际情况下不一定成立。
2.忽略非线性效应：D值法无法考虑结构中的非线性效应，如材料的非线性和连接件的滑动、屈曲等。
3.精度受限：由于D值法是一种近似计算方法，其精度相对有限，不适用于对结构内力要求较高的情况。
四、D值法的应用领域D值法在实际工程中被广泛应用，特别是在简化计算和快速评估结构内力的情况下。
1.结构抗震设计：D值法常用于抗震设计中，通过快速计算内力，进行结构的抗震性能评估。
第四章 框架结构内力计算
4、计算和确定梁、柱弯矩分配系数。 按修正后的刚度计算各结点周围杆件的杆 端分配系数。 5、按力矩分配法计算单层梁、柱弯矩。 6、将每个单层框架的计算结果按相应部分迭 加起来便得到原框架的计算结果，即柱的弯矩 取相邻两个单元中同一柱对应弯矩之和，而梁 的弯矩直接采用。
四、计算例题
作业2
3.2 水平荷载下内力的近似计算—反弯点法
d
i 1
m
V pj
ij
4、柱端弯矩的确定 M j V jY j 柱下端弯矩 柱上端弯矩 M j V j (h j Yj )
5、梁端弯矩的确定 M ml (M mt M m1b ) 对于边柱 ibl 对于中柱
M ml ( M mt M m1b ) M mr ibl ibr ibr ( M mt M m1b ) ibl ibr
第3章 框架结构的内力和位移计算
3.1 竖向荷载下内力的近似计算—分层法 3.2 水平荷载下内力的近似计算—反弯点法 3.3 水平荷载下内力的近似计算—D值法 3.4 水平荷载作用下侧移的近似计算
3.1 竖向荷载下内力近似计算—分层法
一、竖向荷载 自重、活荷、雪荷载及施工检修荷载等。 二、分层法的基本假设 1、忽略侧移的影响； 2、忽略每层梁的竖向荷载对其它各层梁 的影响。 三、分层法计算要点 1、将N层框架划分成N个单层框架，柱 端假定为固端， 用力矩分配法计算。
三、柱的侧移刚度D 12ic D 2 h
—为柱侧移刚度修正系数，表示梁柱刚 度比对柱侧移刚度的影响。
四、剪力计算 有了D值后，与反弯点法类似，计算各柱分 配的剪力 Dij Vij V pj Dij 五、确定柱反弯点高度比 影响柱反弯点高度的主要因素是柱上下端的 约束条件。
框架结构的内力与位移计算
框架结构的内力与位移计算4．1 概述框架结构是目前多、高层建筑中常采用的结构形式之一。
框架在结构力学中称为刚架，结构力学中已经比较详细地介绍了超静定刚架(框架)内力和位移的计算方法，比较常用的手算方法有全框架力矩分配法、无剪力分配法和迭代法等，均为精确算法。
但在实用中大多已被更精确、更省人力的计算机分析方法(矩阵位移法)所代替。
不过，其中有些手算近似计算方法由于其计算简单、易于掌握，又能反映刚架受力和变形的基本特点，目前在实际工程中应用还很多，特别是在初步设计时的估算，手算的近似方法仍为设计人员所常用。
多、高层建筑结构在进行内力与位移计算中，为使计算简化，必须作出一些假定，以下将讨论一些结构计算中的基本假定：(1)弹性工作状态假定：结构在荷载作用下的整体工作按弹性工作状态考虑，内力和位移按弹性方法计算。
但对于框架梁及连梁等构件，可考虑局部塑性变形，内力重分布。
(2)平面结构假定：任何结构都是一个空间结构，实际风荷载及地震作用方向是随意的、不定的。
为简化计算，对规则的框架、框架—剪力墙、剪力墙结构体系及框筒结构，可将结构沿两个正交主轴方向划分为若干平面抗侧力结构—若干榀框架、若干片墙，以承受该框架、墙平面方向的水平力(风荷载及水平地震作用)，框架、墙不承受垂直于其平面方向的水平力。
(3)刚性楼面假定：各平面|考试大|抗侧力结构之间通过楼板相互联系并协同工作。
一般情况下，可认为楼板在自身平面内刚度无限大，而楼板平面外刚度很小，可以不考虑。
为保证楼面在平面内刚度，在设计中应采取相应的构造措施。
但当楼面有大开孔、楼面上有较长的外伸段、底层大空间剪力墙结构的转换层楼面以及楼面的整体性较差时，宜对采用刚性楼面假定的计算结果进行调整或在计算中考虑楼面的平面内刚度。
在上述假定下，内力分析时要解决两个问题：一个是按各片抗侧力结构的相对刚度大小，分配水平荷载至各片抗侧力结构；另一个是计算每片抗侧力结构在所分到的水平荷载作用下的内力及位移。
框架结构在竖向荷载作用下的内力计算
框架结构在竖向荷载作用下的内力计算
框架结构在竖向荷载作用下的内力计算可近似地采用分层法.
在进行竖向荷载作用下的内力分析时,可假定：（1）作用在某一层框架梁上的竖向荷载对其他楼层的框架梁的影响不计,而仅在本楼层的框架梁以及与本层框架梁相连的框架柱产生弯矩和剪力.（2）在竖向荷载作用下,不考虑框架的侧移.
计算过程可如下：
（1）分层：分层框架柱子的上下端均假定为固定端支承,
（2）计算各个独立刚架单元：用弯矩分配法或迭代法进行计算各个独立刚架单元.而分层计算所得的各层梁的内力,即为原框架结构中相应层次的梁的内力.
（3）叠加：在求得各独立刚架中的结构内力以后,则可将相邻两个独立刚架中同层同柱号的柱内力叠加,作为原框架结构中柱的内力.
叠加后为原框架的近似弯距图,由于框架柱节点处的弯矩为柱上下两层之和因此叠加后的弯距图,在框架节点处常常不平衡.这是由于分层计算单元与实际结构不符所带来的误差.若欲提高精度,可对节点,特别是边节点不平衡弯矩再作一次分配,予以修正.。
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精品课件
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5.3 计算简图
计算单元
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计算单元
精品课件
计算模型
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5.3 计算简图
计算简图 框架结构的计算简图中，梁、柱用其
轴线表示，梁与柱之间的连接用节点表示， 梁或柱的长度用节点间的距离表示。现浇 框架各节点均视为刚节点，底层柱固支于 基础顶面。
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◇ 底部层间变形最大
二 结构布置
☆ 最大适用高度 (P35表2·15)
高宽比限值
(P29表2·10)
☆ 平、立面布置原则
8
精品课件
5.1 框架结构概述
结构布置
柱网布置
a. 概述
平面上框架柱在纵横方向的排列即形成柱
网。柱网布置就是确定纵向柱列的柱距和横向柱
列的 柱距（通称跨度）。柱网尺寸应根据建筑
的使用功能要求而定，不一大于10m, 主梁的跨
高层建筑结构设计
第七、八、九、十讲
精品课件
李 琳1
第5章 框架结构设计
§5-1 概述及结构布置
§5-2 ,3 截面尺寸及计算简图的确定 §5-4,5,6 框架结构的内力与位移计算
§5-7 框架结构的最不利内力及内力组合
§5-8 承载力计算及构造要求
§5-9 框架结构设计实例
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高层精建品筑课结件构设计
2
5.1 框架结构概述
特点
A. 优点 a. 建筑平面布置灵活，既可形成较大的使用
空间，也可分隔为若干小空间；
b. 结构整体性较好；
c. 构件类型少，结构轻巧，施工方便；
d. 设计计算理论较成熟。
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精品课件
3
5.1 框架结构概述
特点
B. 缺点 a. 框架节点处应力集中显著；
b. 当建筑高度较大时，底部各层柱的轴力很
面
B
布
置 图
C
D
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7200 3000 7200
5.2 截面尺寸
3600 3600 3600 3600
③④ ⑤⑥⑦
精品课件
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5.3 计算简图
基本假定
计算 单元 简图
平面抗侧力假定 刚性楼板假定
弹性变形假定
22
精品课件
5.3 计算简图
计算单元
框架结构建筑是空间结构体系，一般应按 三维空间结构进行分析。但对于平面布置较规则 的框架结构房屋，为了简化计算，通常将实际的 空间结构简化为若干个横向或纵向平面框架进行 分析，每榀平面框架为一计算单元。
梁
ib
EbIb lb
柱
ic
EcIc hi
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南昌航空精大品学课土件木工程系
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5.2 截面尺寸
截面尺寸估算
c. 框架柱 为简化施工，多层建筑中柱截面沿房屋
高度不宜改变。高层建筑中的柱截面可保持不变 或根据房屋层数，高度和荷载等情况作1~2次变 化。变化时，中间柱宜使上、下柱轴线重合，边 柱和角柱宜使截面外边线重合。
强度 二~四级: 不应低于C20
16
8度不宜大于C70精、品课9件度不宜大于C60
截面尺寸估算
c. 框架柱
柱的负荷面积取法如下图所示:
5.2 截面尺寸
单位面积上的竖向荷载 的设计值3.3p38
Nv nqS
待估算柱柱顶 以上楼层层数
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精品课件
S
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5.2 截面尺寸
计算简图 梁和柱的线刚度分别为：
I0
1 12
bb
hb3
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精品课件
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5.2 截面尺寸
截面尺寸估算
b. 框架梁
在框架结构布置中，梁、柱轴线宜重合。 如梁须偏心放置时（如使外墙与框架柱外侧平齐， 或走廊两侧墙体与框架柱内侧平齐），梁、柱中 心线之间的偏心距不宜大于柱截面在该方面宽度 的1/4。如偏心距大于该方向柱宽的1/4时，可增 设梁的水平加腋。
B. 比较
a. 高层建筑承受的荷载比多层建筑更大，刚度比多 层建筑更小，水平荷载对高层建筑的影响较对多 层建筑的影响更大；
b. 从设计计算角度，高层框架结构除风荷载取值、 楼面活荷载布置与多层框架结构略有不同，水平 荷载作用下应补充侧移验算外，其它基本相同。
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精品课件
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注：◇ 框架结构水平侧移曲线呈现 剪切型变形特点
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精品课件
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截面尺寸估算
d. 算例
5.2 截面尺寸
某六层教学楼为钢筋混凝土现浇框架结构，
其结构平面布置如图所示，标准层高3.6m，底层
层高3.9m，试估算该结构的梁、柱截面尺寸（梁、
柱混凝土强度等级分别为C30和C40，不考虑抗震
设防要求）
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精品课件
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A
结
构
平
度一般为5 ~ 8m，次梁一般为 4~ 7m。
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精品课件
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5.1 框架结构概述
内廊式
等跨式
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附加次梁
精品课件
次梁
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结构布置
立面布置
5.1 框架结构概述
规则框架
错层
内收 抽柱
外挑 缺梁
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精品课件
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5.2 截面尺寸
☆ 梁 荷载、跨度、设防烈度、砼强度
精品课件
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5.3 计算简图
承
计
重
算
框
简
架
图
框架柱截面尺寸相同时的结构计算简图
大，致使构件截面尺寸过大和配筋过密；
c. 框架结构的侧向刚度小，在风荷载和地震
作用下结构侧移迅速增大。
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精品课件4适用范围5.1 框架结构概述框架结构特别适合于在办公楼、教 学楼、公共性与商业性建筑、图书馆、轻 工业厂房、公寓以及住宅类建筑中采用。
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精品课件
5
5.1 框架结构概述
截面 尺寸
h＝( 1/10 ~ 1/18 ) l0 b＝( 1/2 ~ 1/3 ) h
材料 强度
12
一级: 不应低于C30 二~四级: 不应低于C20 不宜大于精品C课4件0
截面尺寸估算
b. 框架梁
边框架梁
5.2 截面尺寸
中框架梁
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精品课件
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截面尺寸估算
b. 框架梁
5.2 截面尺寸
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精品课件
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☆柱
依据轴压比：
0.7
A cbchcNN fc
截面 尺寸
c
N
fc
bh
0.8 0.9
N1.1~1.2Nv
柱的负荷面积*(12-14)kN/m2
非抗震：不宜小于250mm
抗震： 不宜小于300mm
圆柱： d 不宜小于350mm
λ宜大于2、 h / b不宜大于3
材料 一级: 不应低于C30
适用范围
考虑到框架结构侧向刚度较小，故框架结 构建筑一般不超过20层，其适用高度及高宽比与 抗震设防烈度有关。若不需进行抗震设计，适用 高度不大于70m，最大高宽比为5，其它情形见《 高层建筑混凝土技术规程》JGJ 3-2010（简称《 高规》）。
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精品课件
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5.1 框架结构概述
多层和高层框架结构