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建筑结构截面估算

2.4 构件截面估算构件截面尺寸的预估建立在大量实践经验基础之上,属于概念设计的部分内容,侧重于对构造的要求。

2.4.1 板厚估算前述:由于建筑使用功能的不同,结构平面布置总呈现出一定的不规则性,实际工程中的楼面板(屋面板)布置常常是若干块单向板和若干块双向板的有机组合。

楼面板(屋面板)厚度的选用应根据使用环境、受力情况、荷载与跨度等条件综合考虑,满足承载力、挠度和裂缝控制等各方面要求;满足使用要求(包括防火要求)、施工要求及经济要求。

现浇板的厚度一般为10mm的倍数,常用板厚为80~160mm,特殊情况下(如结构转换层)可达800~1000mm、或者更厚。

由于楼面板(屋面板)混凝土用量占整个楼盖(屋盖)混凝土用量的50%以上,因此在满足设计要求的前提下,板厚尽可能薄些。

(1)满足板的最小厚度要求钢筋混凝土现浇板的最小厚度由其耐久性要求和施工要求决定,按照《混凝土规范》10.1.1确定,设计时可参考表2.4.1。

表2.4.1 现浇钢筋混凝土板的最小厚度(2)满足板的最小高跨比要求板的厚度除满足表2.4.1中规定的最小厚度外,还应满足表2.4.2中板厚h与板计算跨度L0的最小比值要求(L0为板短边方向的计算跨度,取值方法详3.2.1所述),旨在有效地控制板的挠度和裂缝,满足刚度设计要求。

表2.4.2 现浇钢筋混凝土板的最小高跨比(3)单向板厚度的经验选用根据设计经验,现浇单向板的厚度也可以由板承受的活荷载标准值、板的计算跨度大小,直接查表2.4.3确定。

表2.4.3按照荷载和跨度确定的单向板厚度2.4.2 梁截面估算梁截面根据不同的要求,可以选择不同的形式。

在现浇钢筋混凝土结构中,为方便施工,梁的截面形式常采用矩形、T形和倒L形,详图2.4.1所示。

图2.4.1 梁截面形式示意图(1)梁截面尺寸的一般要求一般情况下梁截面尺寸预估的步骤:先由梁的高跨比h/L0要求,确定梁的高度h;再由梁的高宽比h/b要求,确定梁的宽度b(b为矩形截面梁的宽度或T形、I形截面梁的腹板宽度;L0为梁的计算跨度,取值方法详3.2.2.1所述);并满足模数要求。

①满足梁的高跨比要求表2.4.4列出了梁的高跨比(h/L0)下限值要求,该值可以满足一般梁在正常使用情况下的变形要求,但对变形要求较高的梁,尚应进行挠度验算。

②满足梁的高宽比要求梁截面尺寸的高宽比h/b要求:对矩形截面,可选2.0~3.5;对T形截面,可选2.5~4.0。

③满足模数要求梁高的模数要求:当梁高h≤800mm时,h为50mm的倍数,如250mm、300mm、400mm等;当梁高h>800mm时,h为100mm的倍数,如900mm、1000mm等。

梁宽的模数要求:当梁宽b≥200mm时,b为50mm的倍数;如250mm、300mm、400mm等;200mm以下宽度的梁,通常有b=100mm、150mm、180mm三种形式。

④满足主、次梁的截面尺寸要求在现浇混凝土结构中,主梁的宽度不应小于200mm,通常为250mm及以上;次梁宽度不应小于150mm;为方便施工,主梁的高度应至少比次梁高50mm或lOOmm(当主梁下部可能为双排钢筋时)。

当建筑设计需要布置成井字形楼盖时,可以采用等高梁(又称平接梁),注意长跨方向梁的钢筋必须置于短跨方向梁的钢筋之上。

表2.4.4 现浇钢筋混凝土梁的最小高跨比(2)框架梁截面尺寸的要求框架梁截面尺寸的要求除满足前述梁截面尺寸的一般要求外,梁的截面宽度b可取(1/2~1/4)h(h为梁高度),且不宜小于200mm;截面高度和截面宽度之比不宜大于4,梁净跨度L n与截面高度h之比不宜小于4。

当采用梁宽大于柱宽的扁梁时,梁中心线宜与柱中心线重合,扁梁应双向布置,且不宜用于一级框架结构,扁梁截面尺寸应符合下列要求:b b≤2b c且b b≥2.5hb c——柱截面宽度,圆形截面取柱直径的0.8倍;b b——扁梁截面宽度;h——楼板厚度。

(3)几种特殊情况下梁截面尺寸的要求情形一:当梁下设有填充墙时,梁截面宽度的选用①梁截面宽度与填充墙的厚度相对应,如120mm厚填充墙对应的梁宽为150mm,240mm 厚填充墙对应的梁宽为250mm,190mm厚填充墙对应的梁宽为200mm,使粉刷以后梁侧面与建筑墙面平齐,美观性更佳,详图2.4.2中(a)所示。

图2.4.2 梁宽与填充墙的相互关系示意图②当梁上荷载较大、或梁跨度较大时,需要选用的梁截面较高,如此时梁截面宽度仍与填充墙厚度相对应,则梁截面的高宽比偏大,梁的截面形式不够合理,因此有必要加大梁的截面宽度。

一般梁宽放大,可两侧同时进行,详图2.4.2中(b)所示;也可考虑建筑墙面处理需要,单侧放大,详图2.4.2中(c)所示。

情形二:当梁下设有填充墙、且填充墙上有门窗洞口时,梁截面高度的选用①当洞口顶位置适中时楼面梁底与洞口顶平齐,楼面梁兼洞口顶过梁,这时楼面梁的高度为非模数尺寸。

如洞口顶离楼面为600mm高,扣除建筑楼面面层(如水泥砂浆楼面面层,厚30mm)后,梁高h=570mm,详图2.4.3中(a)所示。

图2.4.3 门窗洞口过梁设置形式示意图一②当洞口顶位置较高时楼层面与洞口顶之间的距离h1很小,楼面梁的截面高度如取h1、宽度仍与填充墙厚度相对应,则楼面梁的受力性能不能满足设计要求,这时可通过加大梁的截面宽度实现,形式如图2.4.2中(b)、(c)所示;或增加梁的截面高度,形式图2.4.3中(b)所示,此时楼面梁兼做洞口顶过梁。

③当洞口顶位置很低时洞口顶单独设置过梁,楼面梁的截面高度根据荷载、宽度、模数等要求自由选用,详图2.4.3中(c)所示。

④其它情况楼面梁兼做洞口顶过梁,通过下挂方式实现过梁的设置,详图2.4.4中A-A剖面所示。

图2.4.4 门窗洞口过梁设置形式示意图二情形三:当梁下设有填充墙、且门窗洞口为异形时,梁截面高度的选用 楼面梁截面高度的选用方法同情形二,同时通过下挂方式实现异形洞口过梁的形状需要,详图2.4.4所示。

(4)预估梁截面尺寸合理性的判别为了判别预估梁截面尺寸是否合理,可在梁截面尺寸选择后作简单验算,方法如下: 将初步估算的竖向荷载设计值的0.8倍,作用于相应简支梁上,进行受弯、受剪承载力计算,若其配筋适中(配筋率1.0%~1.5%),则截面选择合理;若配筋过大或过小,均宜调整截面尺寸。

2.4.3 柱截面估算柱截面根据不同的使用要求,可以选择不同的截面形式。

在现浇钢筋混凝土结构中,为方便施工,柱的截面形式常采用矩形(或正方形)和圆形,且以矩形(或正方形)截面形式居多,特殊情况下也采用异形柱(如L 形、十字形、T 形等),有关异形柱框架结构的设计必须符合《混凝土异形柱结构技术规程》(JGJ149-2006)(以下简称《异形柱规程》)的要求,详3.7所述。

柱截面尺寸预估的一般步骤是:先由柱的轴压比确定柱的截面面积,再由柱的高宽比要求确定柱的截面宽度b 和高度h (圆柱为直径),并满足模数要求。

(1)满足柱的轴压比要求 ① 轴压比的定义轴压比μ是指柱截面考虑地震作用组合的轴向力设计值N 与柱的全截面面积A c 和混凝土轴心抗压强度设计值f c 乘积的比值,按照公式(2.4-1)进行计算:N ——轴向力设计值,近似计算方法如下:A ——柱截面承受荷载作用的面积,按照居中计算,详图2.4.5所示,单位m 2;q ——单位面积建筑物荷重标准值,与柱网间距、楼面(屋面)使用活荷载、填充墙材料和 布置等多种因素有关,框架结构柱截面尺寸估算时近似取值11~14kN/m 2; n ——建筑物结构计算层数;K 1——经验系数,考虑风载作用、活荷载不利布置等因素,一般取1.1~1.2;K 2——经验系数,标准值与设计值之间的转化系数,近似取1.25,当活荷载数值较大时,可 图2.4.5 柱截面承受荷载面积示意图 适当加大。

② 轴压比的限值抗震设防的框架结构,需要控制柱的轴压比满足公式(2.4-3)要求:[μ]——轴压比限值,根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)(以下简称《抗震规范》规定6.3.7取用,详表2.4.5。

cc f A N =μ)14.2(-21K K n q A N ⨯⨯⨯⨯=)24.2(-][μμ≤=c c f A N )34.2(-表2.4.5 现浇钢筋混凝土框架柱轴压比限值③ 特殊情况下轴压比限值的取值 当框架柱的抗震等级为四级时,抗震规范对轴压比没有提出限制要求,工程设计中根据“强柱”、“延性柱”的设计思路,一般取轴压比μ=1.0来估算柱截面面积A c 。

非抗震区的框架柱,严格意义上讲无轴压比的概念,但工程设计中考虑到柱轴压力太大会引起配筋困难等一系列问题,也常常取轴压比μ=1.05左右来估算柱截面面积A c 。

(2)满足柱的剪跨比(长细比)要求 ① 剪跨比剪跨比λ是反映柱截面承受弯矩与剪力之比值的一个参数,柱的剪跨比计算按照公式(2.4-4)进行:M c、V c——柱端截面组合的弯矩设计值、组合的剪力设计值; h c0——计算方向柱截面的有效高度。

试验表明,当柱的剪跨比λ≥2时为长柱,柱的破坏形式为压弯型,只要构造合理一般都能满足柱的斜截面承载力大于其正截面偏心受压承载力的要求,并且有一定的的变形;当柱的剪跨比1.5≤λ<2时为短柱,柱将产生以剪切为主的破坏,当提高柱混凝土的强度等级或配有足够的箍筋时,也可能出现具有一定延性的剪压破坏;当柱的剪跨比λ<1.5时为极短柱,柱的破坏形式为脆性的剪切破坏,抗震性能差,一般设计中应当尽量避免。

控制柱的剪跨比主要是为了保证柱的延性,工程设计中为简化计算,一般通过控制柱的长细比λ≥4来实现。

② 长细比柱的长细比计算按照公式(2.4-5)进行:H n ——框架柱净高,单位mm ;h 0——框架柱截面长边方向计算高度,单位mm 。

c cc h V M =λ0h H n =λ)44.2(-)54.2(-实际工程中,由于层高的限制、层间梁的设置(如楼梯间框架柱)、轴压比的控制,总有个别柱不能满足长柱的构造要求而成为短柱(λ=4.0~3.0)、极短柱(λ<3.0),此时常通过提高柱混凝土的强度等级、增加配筋率(主要是箍筋)等措施来提高框架柱的延性,详3.4~3.5所述。

(3)满足柱截面的最小尺寸要求框架柱截面的宽度和高度均不宜小于300mm,圆柱截面的直径不宜小于350mm;柱截面的高度与宽度之比值不宜大于3。

为方便施工,框架柱截面宽度一般大于框架主梁截面宽度100mm,通常取值在(1/15~1/20)H之间。

对于底层柱,柱高H可取基础顶面(或室外地面下0.500m)至一层楼板面之间的距离。

(4)预估柱截面尺寸合理性的判别根据一般规定初步确定柱截面尺寸以后,可按照下列方法简单验算柱截面尺寸的合理性。

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