多层框架结构设计.ppt

4框架结构设计,结构设计,结构布置,计算模型,荷载分析,内力计算,截面设计,构造要求,变形验算,内力与位移计算的一般原则,计算的基本假定： 一、高层建筑结构按照弹性方法计算，一般不考虑塑性变形影响 非抗震设计：在竖向荷载和风荷载作用下，结构构件处于弹性工作阶段 抗震设计：针对多遇地震作用，结构处于不裂的弹性阶段 注明：对于弹性计算内力较大的构件，截面配筋困难时，可以考虑塑性重分布，大震不倒的要求主要靠构造措施保证,二、荷载分配考虑位移协调条件 高层楼板平面内刚度很大，几乎不变形，同层各构件水平位移相同，框架结构的各片框架的水平力可以按照抗侧刚度分配，剪力墙结构中各片剪力墙的水平力大致按照等效刚度分配 楼板平面外刚度不考虑，要满足楼板刚度无限大的计算假定，楼面构造要保证楼板刚度无限大现浇楼盖,一片框架或剪力墙在自身平面内刚度很大，可以抵抗在本身平面内的侧向力； 而在平面外的刚度很小，可忽略，即垂直该平面的方向不能抵抗侧向力 整个结构可分不同方向的平面抗侧力结构，共同抵抗结构承受的水平荷载 刚性楼板将各平面抗侧力结构连接在一起共同承受水平荷载,4.1框架结构布置,一、 结构布置 柱网布置和框架梁布置 1 柱网布置,柱网尺寸不宜大于10mx10m,抗震设防时不宜考虑单跨框架,2 框架梁布置,双向承重:由于高层建筑纵横两个方向都承受较大水平力，因此，在纵横两个方向都应按框架设计。,1 框架梁截面尺寸估算 框架结构的主梁截面高度 且不宜大于1/4净跨; 且不小于400mm 截面宽度不宜小于1/4hb， 且不宜小于200mm。,二、 框架梁、柱截面尺寸估算,2 梁的抗弯刚度,梁应考虑楼板的作用，当采用现浇楼盖时楼板可作为框架的翼缘，按T形截面计算其惯性矩。 1）翼缘有效宽度为梁每侧6倍板厚，然后按T型或倒L型计算惯性矩。 2）工程中为简化计算，可按下式计算梁的惯性矩：,I0 梁矩形部分的惯性矩。,3 框架柱截面尺寸估算 框架柱宜采用正方形或接近正方形的矩形，两个主轴方向的刚度相差不宜过多。 框架柱的截面边长,矩形柱,非抗震250mm 抗震300mm,园形直径350mm,柱净高与截面长边之比宜大于4。,高规要求剪跨比,矩形截面长短边之比不宜超过3。,在初步设计时，柱截面尺寸可按轴压比确定。,0.65 （一级） 0.75 （二级） 0.85 （三级） 1.0（四级或非抗震）,轴压比为,（一三级）,（四级或非抗震）,框架在竖向荷载作用下的轴力估算值。,柱支撑的楼板面积楼层数（1214）1.25,轴压比限值,轴力设计值,一、计算单元 框架结构为空间结构，应取整体结构为计算单元，按空间框架进行内力及位移的计算，但对平面布置比较规则，柱距及跨度相差不多的框架结构，计算中可将空间框架简化为平面框架，在各榀框架中，选出一榀或几榀有代表性的平面框架作为计算单元，每榀框架按其负荷面积 承担荷载。,4.2计算单元及计算简图,计算软件： PK TAT SATWE SAP2000 ANSYS ETABS,可以抵抗在本身平面内的侧向力,平面外的刚度很小，可忽略,在自身平面内的刚度很大,平面外刚度很小，可以忽略,计算图形的简化 简化计算方法或手算：高层建筑可以划分为若干平面结构,（1）总水平荷载在各片平面抗侧力结构间的分配按刚度和变形分配 （2）计算每片平面抗侧力结构分到的水平作用下的内力和位移,二、计算简图 计算简图是由计算模型及其作用在其中的荷载共同构成的。框架结构的计算模型是由梁柱的截面几何轴线确定的，框架柱在其顶面按固结考虑。,4框架梁为有加腋的变截面梁时， 如Iend/Imid4或hend/hmid 1.6时，可不考虑加腋的 影响。,1当上下柱截面发生改变时，取截面小的形心线进行分析,2当框架梁的坡度 时，可近似按水平梁计算,3当梁跨度相差小于10%时， 可近似按等跨计算,Iend 和hend为加腋最高截面的惯性矩和梁高 Imid 和hmid为跨中等截面的惯性矩和梁高,4.3框架结构内力和侧移计算,力法、位移法、力矩分配法,一、框架在竖向荷载作用下的近似计算方法分层法,1 基本假定： 1）框架在竖向荷载作用下，结点侧移忽略不计； 2）每层梁上的荷载对其他各层梁内力的影响忽略不计。,4）计算和确定梁、柱分配系数和传递系数 开口框架的支座设为固定端与实际不符。为消除由此带来的误差，除底层外，其它各层柱的线刚度均乘以 0.9，并取柱的弯矩传递系数为1/3。,2 计算要点：,3）计算各层梁上竖向荷载值和梁固端弯矩,1）将框架分层，各层梁跨度和柱高与原结构相同，柱端假定为固结,2）计算梁、柱线刚度,5）分层后，各开口框架的内力可由弯矩分配法计算。 最终弯矩取法为： 框架梁的最终弯矩即为各开口框架算得的弯矩； 框架柱的弯矩，由上下两相邻开口框架同一柱的弯矩叠加而得。 6）最后算得的各梁柱弯矩在节点处一般不平衡，但误差不大。 如有需要，可将节点不平衡弯矩再分配一次。,例题：用分层法计算下图所示框架的弯矩图，括号内的数字表示每根杆件的线刚度 i=EI/L,-13.13,8.77,4.38,13.13,-7.32,7.32,-6.32,-3.16,-2.48,-3.32,-1.23,-1.24,-1.66,0.83,4.36,-1.0,0.41,0.42,1.43,0.23,0.72,-0.40,-0.54,-0.20,-4.77,15.05,-13.62,0.77,4.77,-0.77,1.59,-0.26,-1.43,-0.48,二、 水平荷载下的近似计算,水平荷载：风荷载、地震作用,框架弯矩图是直线分布的,求内力的关键：,每根柱都有一个零弯矩点，称为反弯点,1反弯点的位置,2柱的剪力,（一）水平荷载下的近似计算反弯点法,1基本假定：,1）梁的线刚度比柱的线刚度大得多时，即 可近似认为结点无转角,2）如不考虑轴向变形的影响，由楼板刚性假设，则同一层的各结点水平位移相等,侧移刚度d的物理意义是柱上下两端相对有单位侧移时柱中产生的剪力。,柱的反弯点高度位于距柱底1/2处,ui为剪力分配系数； di为第j层第i根柱的侧移刚度， 为第j层各柱侧移刚度的总和； Vp为第j层的层剪力，即第j层以上所有本层荷载总和； Vi为第j层第i根柱的剪力。,对于底层柱，由于底端固定而上端有转角，反弯点向上移，通常假定反弯点在距底端2/3h处。,（1）计算各柱侧移刚度、把该层总剪力分配到每个柱。 （2）根据各柱分配到的剪力及反弯点位置，计算柱端弯矩。 上层柱：上下端弯矩相等 底层柱： 上端弯矩 下端弯矩,反弯点法的计算步骤:（梁柱线刚度之比值大于3）,（3）根据结点平衡计算梁端弯矩,（4）由梁两端的弯矩，以梁为隔离体根据梁的平衡条件，可求出梁的剪力。,（5）由梁的剪力，根据结点的平衡条件， 自上而下逐层叠加节点左右的两端剪力，即可得到柱内轴力。,习题：用反弯点法计算图所示的三层等跨框架（层高为3.6m,跨度为5m）的剪力和弯矩，并绘出弯矩图，图中括号中的数据为假定弹性模量为单位1时的梁柱线刚度。,对于层数较多的框架，由于柱轴力大，柱截面也随着增大，梁柱相对线刚度比较接近，甚至有时柱的线刚度反而比梁大，这样，上述假设将产生较大误差。另外，反弯点法计算反弯点高度时，假设柱上下结点转角相等，这样误差也较大，特别在最上和最下数层。,日本武藤清在分析多层框架的受力特点和变形特点的基础上，对框架在水平荷载作用下的计算，提出了修正柱的侧移刚度和调整反弯点高度的方法，修正后的柱侧移刚度用D表示，故称为D值法。,优点： 1、计算步骤与反弯点法相同，计算简便实用。 2、计算精度比反弯点法高。 缺点： 1、忽略柱的轴向变形，随结构高度增大，误差增大。 2、非规则框架中使用效果不好。,梁柱线刚度之比值小于3,柱的反弯点高度随梁柱线刚度比、该柱所在楼层位置、上下层梁线刚度比、上下层层高不同而不同,（二）水平荷载作用下的改进反弯点法D值法(梁柱线刚度比较小),侧移刚度影响系数,假定： 1、上下层高相等 2、各跨相等 3、各层梁柱的线刚度不改变 因此：各层层间位移相等；各层梁、柱转角相等。,水平荷载作用下的改进反弯点法D值法,柱侧移刚度D的确定,基本假定 1）柱12以及与柱12相邻各端的转角均为 2）柱12以及与柱12上下相邻两柱的线刚度均为,柱12的变形=,侧移引起,+结点转角引起,上部各层柱,i1,i3,i2,i4,3,2,1,ic,ic,ic,3,h,h,h,2,1,与柱相连的梁平均线刚度,1,2,K为标准框架梁柱的刚度比； 值表示梁柱刚度比对柱侧移刚度的影响。当K值无限大时，所得D值与d值相等；当K值较小时， 1，D值小于d值，因此，称为柱侧移刚度修正系数,影响柱端约束刚度的主要因素： 结构总层数、该层所在的位置 梁柱线刚度比 荷载形式 上层与下层梁刚度比 上、下层层高刚度比,反弯点计算方法 标准反弯点高度比： （反弯点到柱下端距离与柱全高的比值） 条件：同层高、同跨度、各层梁和柱线刚度不变，在水平荷载作用下求得的反弯点高度比。 查表：根据不同荷载查不同表，由总层数n、该层在位置j、梁柱线刚度比K标准反弯点高度比,P,P,上下梁刚度变化时的反弯点高度比修正值 当 时， 令 ， 由 、K表y1，取正值， 反弯点向上移 当 时， 令 ， 由 、K表y1，取负值， 反弯点向下移 说明：底层柱，不考虑y1修正,上下层高度变化时的反弯点高度比修正值,令上层层高/本层层高h上/h 1y2为正值，反弯点上移 1y2为负值，反弯点下移 说明：顶层柱不考虑y2修正,上下层高度变化时的反弯点高度比修正值y3 令下层层高/本层层高h上/h y3 1y3为负值，反弯点下移 1y3为正值，反弯点上移 说明：底层柱不考虑y3修正 柱反弯点高度比：,修正反弯点法D值法,D值,反弯点高度,与梁柱刚度比有关的系数,标准反弯点高度（梁柱线刚度比、总层数、层次、侧向荷载形式）,上、下层梁柱线刚度不同时的反弯点高度修正值,上层层高与本层不同时的反弯点高度修正值,下层层高与本层不同时的反弯点高度修正值,例题：用D值法求图示框架内力（M、V、N图）。,求柱剪力：,求反弯点高度比y：,求柱端弯矩：,（弯矩单位：KN-m）,（弯矩单位：KN-m）, 4.4水平荷载作用下侧移的近似计算,梁柱弯曲变形产生的侧移,(1)剪切型变形 (2)弯曲型变形,柱轴向变形产生的侧移,悬臂柱 剪切变形,悬臂柱 弯曲变形,框架总变形梁柱弯曲变形侧移柱轴向变形侧移,特点：底层层间侧移最大， 向上逐渐减小,特点：顶层层间侧移最大， 向下逐渐减小,1、梁柱弯曲变形产生的侧移 由抗侧刚度D值的物理意义： 单位层间侧移所需的层剪力， 可得层间侧移公式：,顶点侧移公式： 所有层层间侧移之总和,2、柱轴向变形产生的侧移 随着高层框架的高度增加，柱轴向变形产生的侧移占的比例增大，不容忽视水平荷载作用下，只考虑两根边柱轴力（一拉一压）,M(z)上部水平荷载对坐标Z 力矩总和 B两边柱轴线间的距离,任意水平荷载下柱轴向变形产生的第j层处侧移 把框架连续化，根据单位荷载法：,Nq（z）对坐标z高度处的力矩 M（z）引起的边柱轴力 为单位集中力作用在j处时 在边柱z高度处产生的轴力 Hjj层楼板距底面高度,若假定边柱的截面沿高度线性变化，其变化规律为：,At-顶层边柱截面面积,Ab-底层边柱截面面积,积分后得到计算公式：,V0基底剪力（水平荷载的总和） Fn系数，根据不同荷载形式查图,层间变形：,说明： 框架总变形梁柱弯曲变形侧移柱轴向变形侧移，框架变形仍以剪切型为主，底层层间侧移较大,结构侧移包括两种成分，即层间侧移与顶点侧移，限值见表。,刚度问题正常使用条件下结构水平位移验算,目的 防止主要结构开裂、损坏 防止填充、装修开裂、损坏 防止过大侧移，以引发人的不适、影响正常使用、产生附加内力 表达式双控（弹性位移） 层间位移 u/hu/h 顶点位移 u/H u/H 荷载组合 不考虑重力荷载引起的侧移 各水平荷载单独作用 荷载分项系数取1.0, 4.5框架设计和构造要求,框架内力组合及最不利内力 框架抗震设计的延性要求 设计要求 框架梁截面设计和配筋构造 框架柱截面设计和配筋构造 框架节点核心区截面设计,一、 内力组合及最不利内力,在恒、活、风及地震作用分别计算内力后，要按照“可能与最不利”的原则进行内力组合 目的：求出控制截面的最不利内力 1、控制截面及最不利内力 构件截面设计是以控制截面上的最不利内力为依据的 控制截面通常是内力最大的截面，但是不同的内力(如弯矩、剪力)并不一定在同一截面达到最大值，因此一个构件可能同时有几个控制截面。 框架梁： 两端支座 跨中,框架柱： 上下端,二、组合前的内力调整,（1）将梁柱轴线端内力调整至构件边缘端（控制截面）的内力，当梁柱截面高度较小时，此项调整可略去（偏安全）,（2）竖向荷载（只限于竖向荷载）可考虑梁端出现塑性铰的塑性内力重分布。通常是降低支座负弯矩，以减少支座处上部配筋，方便施工 支座负弯矩调整系数，对于现浇梁可取0.80.9，对于装配整体式梁取0.60.8 支座弯矩确定后，为了安全，跨中弯矩必须满足两个要求,按简支梁计算时跨中弯矩 经内力调整并组合后的支座弯矩,三、水平作用方向 风和地震作用可能来自正方向，也可能是负方向，两者的内力大小相等符号相反，所以只需计算其中一个方向的内力，另一方向的内力冠以相反符合即可,四、内力组合 、无地震作用效应组合时：,有地震作用效应组合时,五、 框架抗震设计的延性要求,(一)、延性的概念 延性是指结构或构件能维持承载能力而又具有较大的塑性变形能力的性能，一般用延性比表示延性的大小 延性比定义：, 结构或构件屈服时的位移 承载力降低（降低1020）时的极限位移,顶点位移,y,延性结构荷载位移关系,在“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设计原则下，地震区的结构都应该设计成延性结构。即在中等地震下，允许结构某些部位出现塑性铰。只要进行合理的延性结构设计，结构可以通过塑性变形消耗地震能量，做到“大震不倒”（而不是靠承载力抵抗大震）,1、延性结构设计原则 （1）强柱弱梁（或强墙弱梁） 要控制梁、柱的相对强度，使塑性铰首先在梁端出现，尽量避免或减少柱子中的塑性铰 （2）强剪弱弯 （3）强节点、强锚固 2、保证延性的抗震措施 （1）先划分抗震等级（分四个等级） （2）根据抗震等级，按延性设计原则控制 计算：内力调整 构造：截面尺寸、主筋、箍筋、锚固等要求,(二)设计要求,结构设计除应满足刚度、强度、整体稳定性要求外，地震区的结构尚应满足延性和薄弱层弹塑性变形限制的要求 1、弹性（正常使用条件下）侧移变形验算（刚度要求） 在结构体系、结构布置、构件截面尺寸等初步确定，以及荷载计算完毕之后，即可进行风荷载及水平地震作用下的弹性侧移变形验算，验算如不满足要求，就要改变构件截面尺寸，甚至改变结构体系和结构布置,弹性侧移验算表达式为,结构的顶点水平位移及层间相对变形 结构的总高度及层高,2、稳定和抗倾覆验算 对高宽比H/B满足要求的高层结构，整体稳定和抗倾覆一般可以满足要求，很少进行验算 3、截面承载力验算（强度要求） 框架在四种荷载下的内力求出之后进行截面承载力验算 无地震作用组合： 有地震作用组合： 4、罕遇地震作用下薄弱层弹塑性变形验算,1、框架梁的截面尺寸 主梁截面高度,：主梁计算跨度,结构设计步骤汇总： 步骤一：结构布置 步骤二：截面初选,2、框架柱的截面尺寸 矩形截面柱的边长，非抗震设计不宜小于250mm，抗震设计不宜小于300mm，圆柱截面直径不宜小于350mm,框架柱的轴压比限值 (影响柱承载力和延性的参数),N,框架柱的轴压比限值 (影响柱承载力和延性的参数),步骤三：汇集荷载及荷载计算 竖向恒荷载 竖向活荷载 水平风荷载 地震作用,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,步骤七：内力组合、确定最不利内力,步骤八：截面尺寸验算,1、框架梁受剪截面应符合下列要求 无地震作用组合时,步骤五：侧移验算 侧移不满足要求回到步骤一,有地震作用组合时 跨高比大于2.5的梁及剪跨比大于2的柱,混凝土强度影响系数，当混凝土强度等级不大于C50时取1.0；当混凝土强度等级为C80时取0.8；当混凝土强度等级在C50和C80之间时可按线性内插取用 矩形截面的宽度，T形截面、I形截面的腹板宽度 梁柱截面计算方向有效高度,跨高比不大于2.5的梁及剪跨比大于2的柱,2、框架柱截面应符合下列要求 柱剪跨比不宜小于2 柱截面高宽比不宜大于3,剪跨比影响钢筋混凝土柱破坏形态的重要参数,长柱，发生弯曲破坏 短柱，发生剪切破坏 极短柱，发生剪切斜拉破坏,注意：轴压比和剪跨比是影响柱延性的重要参数,步骤九：延性设计调整,1、框架梁强剪弱弯调整 一、二、三级抗震需调整，四级无需调整,9度抗震设计的结构和一级框架结构尚应符合,分别为梁左右端逆时针或顺时针方向截面组合的弯矩设计值。当抗震等级为一级且梁两端弯矩均为负弯矩时，绝对值较小一端的弯矩应取零 梁剪力增大系数，一、二、三级分别取1.3、1.2、1.1 梁的净跨 考虑地震作用组合的重力荷载代表值作用下，按简支梁 分析的梁端截面剪力设计值,2、强柱弱梁调整（适用于一、二、三级框架柱）,9度抗震设计的框架柱和一级框架柱尚应符合,节点上下柱端截面顺时针或逆时针方向组合弯矩设计值之和，上下柱端的弯矩设计值，可按弹性分析的弯矩比例进行分配 节点左右梁端截面顺时针或逆时针方向组合弯矩设计值之和，当抗震等级为一级且节点左右梁端均为负弯矩时，绝对值较小的弯矩取为零 柱端弯矩增大系数，一、二、三级分别取1.4、1.2、1.1,2011一级为1.7,二级为1.5,三级为1.3 ，四级1.2,3、框架柱强剪弱弯调整（适用于一、二、三级框架）,9度抗震设计的结构和一级框架结构尚应符合,分别为柱上下端顺时针或逆时针方向截面组合的弯矩设计值,4、构造要求 抗震设计时，一、二、三级框架结构的底层柱底截面的弯矩设计值，应分别采用考虑地震作用组合的弯矩值与增大系数1.5、1.25和 1.15的乘积。,2011一级为1.5,二级为1.3,三级为1.2，四级1.1,步骤十：抗弯承载力计算,1、框架梁抗弯承载力计算 无地震作用组合时 由矩形截面受弯极限状态平衡条件可以得到,步骤十：抗弯承载力计算,地震作用组合时,抗震设计时梁两端受压区高度限制具体要求如下： 一级抗震 X0.25h0b0 ， AsAs0.5； 二、三级抗震 X0.35h0b0， AsAs0.3,步骤十：抗弯承载力计算,2、框架柱抗弯承载力计算 无地震作用组合时 假定大偏心,地震作用组合时,步骤十一：抗剪承载力计算,1、框架梁抗剪承载力计算 无地震作用组合时,集中荷载为主的梁,步骤十一：抗剪承载力计算,1、框架梁抗剪承载力计算 地震作用组合时,集中荷载为主的梁,步骤十一：抗剪承载力计算,2、框架柱抗剪承载力计算 无地震作用组合时,地震作用组合时,步骤十一：抗剪承载力计算,有拉力情况下 无地震作用组合时,地震作用组合时,步骤十二：构造要求,1、框架梁设计应符合下列要求 （1）纵向受拉钢筋的最小配筋率，非抗震设计时不应小于0.2和 二者的较大值；抗震设计时，不应小于规范规定数值,（2）框架梁的面积配箍率,As为单肢箍筋截面面积，n为肢数，s为箍筋梁跨方向间距， b为梁宽,说明： 箍筋加密区长度:(一级) , (二四级) 第一个箍筋应设置在距支座边缘50mm处 箍筋加密区范围内的箍筋肢距：一级200mm和20倍箍筋直径的较大值，二、三级250mm和20倍箍筋直径的