《框架结构设计》PPT课件.ppt

第二章 框架结构设计,2.1 结构布置,1、框架结构组成 由梁、柱、节点及基础组成，节点构造十分重要。,图框架结构剖面示意图 (a)多层多跨框架的组成；（b)缺梁的框架,（2）柱网尺寸不宜大于10m*10m；梁柱轴线宜重合在一个平面内；当梁柱轴线不在一个平面内时，偏心距不宜大于柱截面在该方向边长的1/4。,2、结构布置一般原则 （1）高层框架结构应双向布置框架，如下图。,（3）如偏心距大于该方向柱宽的1/4时，可采用增设梁的水平加腋等措施，设置水平加腋后，仍需考虑梁柱偏心不利影响。,3、注意事项,（1）考虑抗震设防时不宜采用单跨框架； 单跨框架的耗能能力较弱，超静定次数少，一但柱子出现塑性铰，出现连续倒塌的可能性很大。,（2）不应采用砌体墙承重与框架结构承重的混合结构 框架结构与砌体结构是两种截然不同的结构体系，两种体系所用的承重材料完全不同，其抗侧刚度、变形能力等相差很大，若将这两种结构在同一建筑物中混合使用，又不以抗震缝将其分开，对建筑物的抗震能力将产生很不利的影响。 因此，框架结构考虑抗震设计时，不应采用部分由砌体墙承重的混合方式。其突出屋面的电梯机房等也不应采用砌体墙承重。,（3）避免砌体填充墙对结构的不利影响 框架结构常采用砌体填充，为了防止填充墙在地震时造成结构破坏，应注意以下问题： A、框架结构在上部若干层的填充墙布置较多，而底部墙体较少时，会形成上、下刚度突变，地震发生时，底部容易破坏，导致房屋倒塌。所以，应避免上、下层刚度变化很大； B、在外墙柱子之间，一般有通长的整开间的窗台墙，嵌砌在柱子之间，使柱子的净高减少很多，形成短柱。地震发生时，墙以上的柱会形成交叉剪切裂缝。因此，应避免形成短柱。,图 框架结构布置 （a)横向承重框架；（b)纵向承重框架；（c）纵横向承重框架,5、框架结构布置：横向承重、纵向承重、纵横双向承重,4、框架结构种类：按施工方法不同分：整体式、装配式、装配整体式,1、计算单元的确定,2.2 框架结构的计算简图,当框架较规则时，为了计算简便，常不考虑结构纵向和横向之间的空间整体作用，将纵向框架和横向框架分别按平面框架进行分析计算。如图所示：,2、节点的简化 现浇框架结构中，梁、柱的纵向钢筋都将穿过节点 或锚入节点区，节点可视为刚接节点。,3、各跨梁的计算跨度与层高的确定 在结构计算简图中，杆件用其轴线来表示。 框架梁的跨度一般取顶层柱轴线之间的距离；当上下层柱截面尺寸有变化时，一般以最小截面的形心线来确定，即取顶层柱中心线的间距。 框架柱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。,4、梁截面尺寸的估算,A、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。混凝土强度等级等诸多因素综合考虑确定。 B、在一般荷载情况下 框架梁截面高度：h=（1/101/12）L0，且不小于400，也不宜大于1/4净跨; 梁的宽度：b=(1/2-1/3)h，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。 C、现浇框架梁的混凝土强度等级，一般不低于C20，也不宜大于C40。装配整体式楼盖叠合梁部分的混凝土强度等级不宜低于C30。,5、柱截面尺寸的估算,B、按轴压比估： 框架柱的截面尺寸也可根据轴压比初估，即根据柱支承的楼层面积由竖向荷载产生的设计轴力，按下列公式进行计算：,A、按层高估： 框架柱截面高度：h=（1/81/14）H，抗震设计时不小于300mm，H为层高； 柱宽：b=（12/3)h；,其中n为柱负荷层数，12-14为框架结构平均设计荷载（KN/m2)，活荷载大、隔墙多时取大值。,柱设计轴力可按下式估算：,柱轴压比限值系数,当房屋高度大、层数多、柱距大时，由于单柱轴向力很大，受轴压比限制而使柱截面尺寸过大，这不仅会加大结构自重和材料消耗，而且影响建筑使用功能。减小柱截面尺寸通常采用以下方法：采用高强混凝土、钢管混凝土和型钢混凝土。,框架柱轴压比 限值,6、构件截面抗弯刚度（EI）计算 在进行框架的内力和位移计算时，现浇楼板、上有现浇叠合层的预制楼板和楼板虽无现浇叠合层但为拉开预制板板缝且有配筋的装配整体叠合梁，均可考虑梁的翼缘（楼板）作用。增大梁的惯性矩。此时框架梁的惯性矩可按下表取值。,I0为梁的实际截面的惯性矩,竖向荷载 恒荷载结构自重 活荷载,7、荷载计算,水平荷载 风荷载 地震荷载,A、活荷载最不利布置 在高层民用建筑中，当活荷载为1.52.5KN/m2,与恒载及水平荷载产生的内力相比，它产生的内力比较小，因此，可以不考虑活荷载的不利布置，而采用与恒载相同的满布方式进行内力计算。为了安全，可以把框架梁的跨中弯矩乘以1.11.2的放大系数。 高层设计规程中规定，当活荷载值大于4.0kN/m2时，应需考虑楼面活荷载的最不利布置引起的梁弯矩的增大。,（1）竖向活荷载？P278,（2）水平风荷载的计算（P276）,（3）水平地震作用的计算,当多层框架结构高度不超过40米，且质量和刚度沿高度分布比较均匀时，可采用底部剪力法计算水平地震力，详见本书第13章。,对框架结构进行内力和位移计算，通常可以把房屋简化为沿横方向和纵方向的平面框架，承受竖向荷载和水平荷载。框架在结构力学中称为刚架。,2.3 竖向荷载作用下的框架内力分析-分层法,本章主要讨论多层多跨框架结构的近似计算方法，竖向荷载作用时的分层法，水平荷载作用时的反弯点法和D值法。,刚架的内力计算和位移计算方法很多。比较常用的手算方法有：力矩分配法、无剪力分配法、迭代法等，均为精确计算法。在实用上更为精确、更省人力的计算机程序分析法（矩阵位移法）。但是，一些手算的近似计算方法，由于其简单容易掌握，又能反映刚加受力和变形的基本特点，目前在实际工程中应用较多，特别是在初步设计需要估算时，手算的近似方法仍为工程师们所常用。,（1）忽略梁、柱轴向变形及剪切变形； （2）在竖向荷载下结构的侧移很小，因此在作竖向荷载下计算时，假定结构无侧移。 （3）杆件为等截面（等刚度），以杆件轴线作为框架计算轴线；考虑现浇板对梁刚度的有利影响，取梁截面惯性矩为：中间跨I=2.0I0、边跨I=1.5I0，I0为矩形截面梁的截面惯性矩。 （4）每层梁上的荷载对其他各层梁的影响很小，可以忽略不计。,1、按近似法进行计算的基本假定：,2.3.1 竖向荷载作用下的框架内力分析-分层法,竖向荷载作用下的内力计算近似采用分层法；将作用在某层框架柱上的竖向荷载只对本楼层及与本层相连的框架柱产生弯矩和剪力。,2、分层法原理,（a）原始框架结构 （b）单层开口则架（框架） 框架的分层图,除底层以外，其他各层柱的线刚度均承以0.9的折减系数；柱的弯矩传递系数取为1/3。,3、分层法的具体计算步骤,（1）将框架分层，各层梁跨度及柱高与原结构相同，假定柱端为固定端； （2）计算梁柱线刚度：内力计算时所有构件均采用弹性刚度。除底层外，其余各层柱线刚度乘以0.9倍的修正系数；（以消除将柱远端视为固定端所造成的影响）； （3）计算和确定梁柱弯矩分配系数和传递系数c： 传递系数：梁的弯矩传递系数C=1/2； 底层柱向柱脚的弯矩传递系数取C=1/2； 其余各柱的弯矩传递系数取C1/3。 （4）计算各层梁上竖向荷载值和梁的固端弯矩； （5）按力矩分配法进行各刚加梁端弯矩的分配和传递； （6）将分层计算得到的同一层柱的柱端弯矩进行叠加；,（7）分配各节点由于叠加弯矩所造成的不平衡弯矩。 （8）在竖向荷载作用下，可以考虑梁端塑性变形内力重分布而对梁端内力进行调幅，调幅系数如下： 现浇框架：0.80.9 装配式框架：0.70.8,（9）调幅后，梁端负弯矩减小，应按平衡条件计算调幅后的跨中弯矩。梁的跨中正弯矩至少应取按简支梁计算的跨中弯矩的一半。若为均布荷载，则,（10）竖向荷载产生的梁弯矩应先进行调幅，再与风荷载和水平地震作用产生的弯矩进行组合，求出各控制截面的最大最小弯矩值。,2.3.2 水平竖向荷载作用下的框架内力近似计算 反弯点法,1、反弯点法原理 框架所受的水平荷载主要是风力和地震作用，他们都可以化成作用在框架楼层结点上的水平集中力，如下图所示。这时框架的侧移是主要的变形因素。对于层数不多的框架，柱子轴力较小，截面也较小，当梁的线刚度ib比柱的线刚度ic大的多时，采用反弯点法计算其内力，误差比较小。,多层多跨框架在水平荷载作用下的弯矩图通常如下图所示。 它的特点是，各杆件的弯矩图均为直线，每杆均有一零弯矩点，称为反弯点，该点有剪力，如图中所示的V1、V2、V3。如果能定出这些V1、V2、V3及其反弯点y，那么各柱弯矩就可算出，进而可算出梁端弯矩。,（1）确定柱的侧移刚度，进行层间剪力分配； （2）确定各层柱的反弯点高度，计算柱端弯矩。,2、反弯点法的基本假定,（1）各柱上下端不发生角位移，即认为梁柱线刚度比无限大。 （2）除底层外，各层上、下柱两端转角相同，所以，反弯点的位置固定不变，底层柱反弯点距基础2/3层高处，其余各层柱的反弯点在层高的中点。,3、反弯点法计算包括以下两方面：,当柱上下两端有相对单位位移时柱顶所需施加的水平力为d（即柱侧移刚度）为：,（1）柱的侧移刚度d：,图 柱剪力与水平位移的关系,反弯点法的计算：,上式中：h为层高；EI为柱抗弯刚度；ic为柱线刚度。,侧移刚度d 的物理意义：柱上下两端有相对单位侧移时柱中产生的剪力。,设本框架共有n层，则每层层间总剪力为：V1、V2ViVn，每层m个柱列，则第i层第j根柱所承担的剪力为Vij；由每一层的反弯点处切开，有：,（A）层间总剪力和外荷载的关系,（2）层间总剪力,（B）层间总剪力和同层各柱的剪力之间的关系,设第i层同层各柱剪力为Vi1、Vi2、Vij、Vin，根据层间剪力平衡，有,由于同层各柱柱端水平位移相等，则每层的层间相对位移也相等，均为(指相对位移），按侧移刚度d的定义，有：,（3）层间总剪力在同层各柱间的剪力分配,把上式代入式（a）式,于是有：,有：,其中：,式中：i为剪力分配系数（物理意义？）； dij为第i层第j根柱的侧移