框架结构设计经典讲义1.ppt
4.1 框架结构的布置与计算简图框架结构的布置与计算简图4.2 竖向荷载作用下的近似计算竖向荷载作用下的近似计算分层计算法分层计算法4.3 水平荷载作用下的近似计算水平荷载作用下的近似计算反弯点法反弯点法4.4 水平荷载作用下的改进反弯点法水平荷载作用下的改进反弯点法D值法值法4.5 水平荷载作用下侧移的近似计算水平荷载作用下侧移的近似计算 计算内力之前，必须先进行结构的布置，并确定杆件的截面尺寸和惯性矩。高层框架是超静定结构框架结构的布置框架结构的布置 杆件的截面尺寸杆件的截面尺寸 刚度取值刚度取值 框架结构的计算简图框架结构的计算简图 计算简图计算简图 跨度与层高的确定跨度与层高的确定 荷载计算荷载计算 4.1 框架结构的布置与计算简图框架结构的布置与计算简图 4.1.1 框架结构的布置框架结构的布置 框架按支承楼板方式，可分为横向承重框架、纵向承重框架和双向承重框架。横向为主要承重框架，纵向为连系梁，只适用于非地震区。纵向为主要承重框架，横向为连系梁。1)有利于提高楼层净高的有效利用。2)房间的使用和划分比较灵活。3)不适用于地震区。主要承重框架纵横两个方向布置1）当两个方向水平力相差不大时，必须采用这种布置；2）适用于地震区及平面为正方形的房屋。（1）框架只能承受自身平面内的水平力，因此有抗震设防的框架结构，或非地震区层数较多的房屋框架结构，横向和纵向均应设计成刚接框架，设计成双向梁柱抗侧力体系。主体结构除个别部位外，不应采用铰接，以增大结构的刚度和整体性。抗震设计的框架结构不宜采用单跨框架。（2）框架梁、柱中心线宜重合。当梁、柱中心线不能重合时，在计算中应考虑偏心对梁、柱节点核心区受力和构造的不利影响，同时应考虑梁荷载对柱子的偏心影响。为承托隔墙，又要尽量减少梁轴线与柱轴线的偏心距，可采用梁上挑板承托墙体的处理方法。（3）当梁、柱中心线不能重合时，其偏心距不应大于该方向柱截面宽度的1/4。如偏心距大于该方向柱宽的1/4时，可采取增设梁的水平加腋等措施。设置水平加腋后，仍须考虑梁荷载对柱子的偏心影响。水平加腋梁如图所示。框架结构除应满足结构总体布置的一般原则外，还应考虑下面的一些要求：梁的水平加腋厚度可取梁截面高度，水平尺寸宜满足下列要求：bxcxbxxbbbxbblb322121梁水平加腋宽度 梁水平加腋长度 梁截面宽度 偏心方向上柱截面宽度 非加腋侧梁边到柱边的距离 （4）框架结构的填充墙及隔墙宜选用轻质墙体，抗震设计时，框架结构如采用砌体填充墙，其布置应避免形成上下层刚度变化过大，避免形成短柱和减少因抗侧移刚度偏心所造成的扭转。（5）框架结构按抗震设计时，不应采用部分由砌体墙承重的混合承重形式，否则对建筑物的抗震很不利。框架结构中的楼、电梯间及局部出屋顶的电梯机房、楼梯间、水箱间等，应采用框架承重，不应采用砌体墙承重。1 1、框架梁截面尺寸估算、框架梁截面尺寸估算 框架梁截面尺寸应根据承受竖向荷载大小、跨度、抗震设防烈度、混凝土强度等多方面因素综合考虑确定。一般荷载情况下，框架梁截面高度hb可按计算跨度的1/101/18，且不小于400mm，也不宜大于1/4净跨。框架梁的宽度bb一般为梁截面高度hb的1/21/3，且不应小于200mm。为了降低楼层高度，或便于通风管道等通行，必要时可设计成宽度较大的扁梁，此时应根据荷载及跨度情况满足梁的挠度限值，扁梁截面高度hb可取计算跨度的1/151/18，梁的宽度bb取 dhhbbbbbbcbcb162 为满足梁的刚度和承载力要求，节省材料和有利的建筑空间，可将梁设计成加腋形式。这种加腋梁在进行框架的内力和位移计算时，可采用等效线刚度代替变截面加腋梁的实际线刚度。当梁两端加腋对称时，其等效线刚度为 KbKb 表3.1 加腋梁等效刚度系数 0.00.40.61.01.52.00.101.001.251.341.471.571.640.201.001.521.762.162.562.870.301.001.782.213.094.165.190.401.002.002.624.106.328.620.501.002.152.924.898.2512.7 2 2、框架梁截面的惯性矩、框架梁截面的惯性矩 在框架结构中，由于楼板参加梁的工作，故要精确地确定梁截面的惯性矩是一个复杂的问题。因为大梁在左右反弯点之间，是一个翼缘受压的T形截面，在反弯点之外，是一个翼缘受拉的T形截面，所以在裂缝开展后，会引起梁截面刚度的变化。为了简化计算，我们可忽略刚度变化，并假定梁截面的惯性矩不变。现浇楼面可以作为梁的翼缘，增大梁的有效刚度，减少框架侧移，每一侧有效翼缘的宽度可以取至板厚的6倍；装配整体式楼面可按其构造的整体性取等于或小于板厚的6倍；无现浇面层的装配式楼面，楼面的作用不考虑，框架梁只取梁本身的刚度。为简化计算，在设计中可以采用以下的方法近似计算框架梁的惯性矩Ib梁的惯性矩Ib 楼 面 做 法 两边有楼板 一边有楼板 现 浇 楼 面 Ib2.0I0 Ib1.5I0装配整体式楼面 Ib1.5I0Ib1.2I0 3 3、框架柱的截面尺寸估算、框架柱的截面尺寸估算 框架柱的截面尺寸一般根据柱的轴压比限值按下列公式估算：Ac cNfN NAGn其中考虑地震作用组合后柱轴压力增大系数，边柱取1.3，不等跨内柱取1.25，等跨内柱取1.2；A按简支状态计算的柱的负载面积；G折算在单位建筑面积上的重力荷载代表值，可根据实际荷载计算，也可近似取1216 kN/m2；n验算截面以上楼层层数；混凝土轴心抗压强度设计值 框架柱轴压比限值，对一级、二级和三级抗震等级，分别取0.7,0.8和0.9。按上述方法确定的柱截面高度hc不宜小于400mm，宽度不宜小于350mm，柱净高与截面长边尺寸之比宜大于4。4.1.2 4.1.2 框架结构的计算简图框架结构的计算简图 1、跨度与层高的确定、跨度与层高的确定 在结构计算简图中，杆件用其轴线来表示。框架梁的跨度即取柱子轴线之间的距离；当上下层柱截面尺寸变化时，一般以最小截面的形心线来确定。框架的层高，即框架柱的长度可取相应的建筑层高，即取本层楼面至上层楼面的高度，但底层的层高则应取基础顶面到二层楼板顶面之间的距离。当设有整体刚度很大的地下室，且地下室的层间刚度不小于相邻上层层间刚度的3倍时，可取至地下室的顶板处。当各跨跨度相差不超过10%时，可当作具有平均跨度的等跨框架。斜形或折线形横梁倾斜度不超过1/8时，仍可视为水平横梁计算。2、荷载计算、荷载计算 区格板长边边长与短边边长之比大于2时沿单向传递，小于或等于2时沿双向传递。在多数情况下，框架结构可以按照上节所述的基本假定及简化方法，简化为平面结构进行内力分析，在纵向和横向都分别由若干榀框架承受竖向荷载和水平荷载。框架是典型的杆件体系，结构力学中已经比较详细地介绍了超静定刚架（框架）力和位移计算方法。精确方法全框架力矩分配法全框架力矩分配法无剪力分配法无剪力分配法迭代法迭代法实用中已大多被更精确、更省人力的计算机程序分析杆件有限元方法所代替。近似方法竖向荷载作用下的近似计算竖向荷载作用下的近似计算分层计算法分层计算法水平荷载作用下的近似计算水平荷载作用下的近似计算反弯点法反弯点法水平荷载作用下的改进反弯点法水平荷载作用下的改进反弯点法D值法值法水平荷载作用下侧移的近似计算水平荷载作用下侧移的近似计算 计算简便、易于掌握，实际工程应用还很多 特别是初步设计时需要估算 本节主要介绍在多、高层建筑设计中常用的近似计算手算方法。在竖向荷载作用下，根据各榀框架承受竖向荷载的面积大小计算框架上的竖向荷载，然后按照平面框架作近似分析。在水平荷载作用下，要计算各杆件的内力及结构的总位移。本节主要介绍结构没有扭转时的内力及位移分析。在一般竖向荷载下，框架侧移比较小，可以按照弯矩分配法进行内力分析。多层多跨框架在一般竖向荷载作用下侧移是比较小的，可作为无侧移框架按力矩分配法进行内力分析。由精确分析可知，各层荷载对其他层杆件内力影响不大。因此，在近似方法中，可将多层框架简化为单层框架，即分层作力矩分配计算。4.2.1 分层计算法的基本简化假定 4.2.2 平面框架竖向荷载作用下的内力分析方法 基本假定 无侧移框架 相邻层弯矩分配 方法 两点修正柱刚度（1.0;0.9）弯矩传递系数（1/2;1/3）步骤分层法梁固端弯矩节点分配弯矩传递弯矩叠加节点平衡构件平衡梁柱剪力节点平衡柱轴力 精确分析表明，荷载只对同层杆件内力影响很大，而对其他层影响很小。假定：1、无侧移2、各层荷载对其他各层杆件内力无影响计算时候，假定上下柱远端均为固定,实际上除了底层柱外,其他均为弹性支撑,故为了减小误差。特意作如下修正：1、除底层柱外除底层柱外，上层各柱线刚度乘以0.9加以修正。梁不变。梁不变。2、除底层柱外除底层柱外，各柱传递系数修正为1/3。梁不变。梁不变。计算结果中结点上弯矩可能不平衡，但是误差不会太大，可以不再计算，也可以为提高精度，再进行一次弯矩分配。分层计算所得梁弯矩即为最后弯矩，但是必须将上下两层所得同一根柱子的内力叠加，才能得到柱的内力，因为每一根柱都同时属于上下两层。21534弯矩分配法适用条件：无节点线位移的结构。3152Mz14 3152Mz14 1M15M1213M14MM0M015141312MMMMM 1322114i zi z12 15i z1521i z1244i z151113i z13114i z4 1322114i z-1i z1211/25i z1521i z12441/2i z151113i z130114i z4 ql2121qlM 杆端弯矩需要分配弯矩是节点弯矩 RipMM+-+例题A7.50m5.60m3.80m4.40mq=2.8kN/mq=3.8kN/mq=3.4kN/m（7.11）（4.21）（4.21）（1.79）（4.84）（12.77）（7.63）（10.21）（9.53）（3.64）BCDEFGHI（括号内数字为线刚度相对值）（i=EI/l）解：A7.50m5.60m3.80m4.40m（7.11）（4.21）（4.21）（1.79）（4.84）（12.77）（7.63）（10.21）（9.53）（3.64）BCDEFGHI上层各柱线刚度0.9，然后计算各节点的弯矩分配系数（i=EI/l）0.9=3.7890.9=3.7890.9=1.611 上层计算0.332（3.789）（3.789）（1.611）（7.63）（10.21）DEFGHI0.6680.3530.4720.1750.8640.136-13.125*+13.125*-7.317*+7.317*8.7684.3584.384-6.322-0.995-3.161-2.482-3.319-1.230-1.241-1.6600.8290.4120.4141.4340.2260.717-0.399-0.534-0.198-0.200-0.2670.1330.0660.2310.0360.0670.115-0.064-0.086-0.03215.045-13.585-1.460-4.8364.8360.733-0.7331.612-0.487-0.244 下层计算ABCDEFGHI0.3480.4660.1850.3080.4130.1560.1230.7090.2020.089-17.813*+17.813*-8.885*+8.885*8.301-1.5290.713-1.1670.078-10.4174.1500.356-0.334-3.0580.039-0.03618.930-1.459-0.169-0.018-1.736-3.150-6.299-4.100-2.0500.7271.453-0.447-0.224-0.0790.159-0.049-15.8251.9246.1990.5320.0583.9250.2830.0313.6096.789-0.791-1.7950.4140.0450.1820.020-1.221-0.13
