高层框架结构近似计算与设计.ppt

1、第五章高层框架结构近似计算与设计,讲授：涂文戈 ,主要内容,结构布置 截面尺寸估算 计算简图 内力计算 变形及稳定、倾覆验算 内力组合 截面设计 构造要求,结构布置,纵向框架,横向框架,应双向布置框架。,结构布置,柱网尺寸不宜大于10m 10m，墙下应设梁支承；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。 如偏心距大于该方向柱宽的1/4时，可采用增设梁的水平腋等措施。,结构布置,按抗震设计时，不应采用部分为框架、部分由砌体墙承重的混合形式。楼梯、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。,截面尺寸

2、估算,梁 一般梁：h=(1/81/15)l， b=(1/21/3)h； 梁净跨与截面高度之比不宜小于4，梁的截面宽度不宜小于200mm。 扁梁： h=(1/121/18)l， b=(13)h。 现浇楼面每一侧翼缘的有效宽度可取至板厚度6倍。,Io=1/12bh3，叠合楼板框架梁可按现浇楼板框架梁取值； 房屋高度不超过50mm时，可采用装配整体式楼盖； 梁的线刚度 i=Ec I/l,表5-1 梁截面惯性矩可近似按下表取用,结构布置,截面尺寸估算,结构布置,表5-2 框架结构抗震等级,混凝土强度等级为C65C70时，轴压比限值应减少0.05； 当为C75- C80时，应减0.10。 当剪跨比为1.

3、02.0时，轴压比应减小0.05； 剪跨比小于1.5时，应专门研究，并采用特殊措施。 当箍筋沿柱全高加强时，轴压比可适当提高。 非抗震设计时可近似取N/(bhfc)=1.0；任何情况下 ，c 1.05 柱截面惯性矩： I=1/12bh3 柱线刚度： i=Ec I/Hi,当按实际内力计算的轴压比超出上述规定时，可采用 以下方法使之满足: 1.提高混凝土强度等级； 2.增大截面尺寸。,截面尺寸估算,计算简图,任何结构都是空间结构，但对框架及剪力墙而言，大多数情况下可以把空间结构简化为平面结构而使计算大大简化，为此，作如下两点基本假定： 框架剪力墙可以抵抗在本身平面内的侧向力，而在平面外的刚度很小，

4、可以忽略。因而整个结构可以划分成若干个平面结构共同抵抗与平面结构平行的侧向荷载，垂直于该方向的结构不参加受力。 楼板在其自身平面内刚度无限大，楼板平面外刚度很小，可以忽略。因而在侧向力作用下，楼板可作刚体平移或转动，各个平面抗侧力结构之间通过楼板互相联系并协同工作。,计算假定,计算简图,三、计算简图,例 如下图，在y 方向，结构简化为5片框架和2片剪力墙，即结构具有7片平面抗侧力单元，它们共同抵抗水平力。在水平力作用下，楼板只作刚体平移，如果有扭矩，楼板作刚体转动，因而各片抗侧力结构之间的侧移值或相等或呈直线关系。同理，图中的结构在x方向具有3片抗侧力平面单元，每片有6跨，中间1片是框架和剪力

5、墙合成的。,计算简图,计算简图,在上述假定下，近似计算方法将结构分成独立的平面结构单元，内力分析解决两个问题： 水平荷载在各片抗侧力结构之间的分配。荷载分配与抗侧力单元的刚度有关，要计算抗侧力单元的刚度，然后按刚度分配水平力，刚度愈大，分配的荷载也愈多。 计算每片平面结构在所分到的水平荷载作用下的内力和位移。,如果结构有扭转，近似方法将结构在水平力作用下的计算分为两步，先计算结构平移时的侧移和内力，然后计算扭转位移下的内力，最后将两部分内力叠加。,内力计算,1、竖向荷载下的内力计算 （1）楼面荷载分配原则 简支板：朝两支座分配。 单向板：朝两长边分配。,双向板：朝四边分配。,内力计算,(2)活

6、载布置：一般情况下满布。,(3)竖向荷载作用下的内力计算方法,分层法,迭代法,UBC法,分层法 基本假定: 1.忽略框架的侧移； 2.每层梁上的荷载只在该层梁和与之相连的柱上传递。,计算简图:,内力计算,内力计算,(1)计算各层梁上竖向荷载值和梁的固端弯矩。 (2)将框架分层，各层梁跨度及柱高与原结构相同，柱端假定为固端。 (3)计算梁、柱线刚度。 (4)计算和确定梁、柱弯矩分配系数和传递系数。 (5)按力矩分配法计算单层梁、柱弯矩。 (6)将分层计算得到的、但属于同一层柱的柱端弯矩叠加后得到柱的弯矩。,计算要点：,柱子的轴力可由其上柱传来的竖向荷载和本层轴力叠加得到。,内力计算,注意事项 :

7、,除底层外，各层柱的线刚度应乘0.9， 且其传递系数由1/2改为1/3，其它杆 的线刚度和传递系数不变。,梁的弯矩为最终弯矩，柱的弯矩为与之相连两层计算弯矩迭加。 若节点弯矩不平衡，可将不平衡弯矩再分配一次。,可调幅。支座弯矩调幅系数如下： 现浇框架0.8 0.9 装配式框架0.7 0.8 支座调幅后，跨中弯矩应相应调整，且 在竖向荷载作用下的内力调幅完成后， 再与风载及地震作用效应组合；,当楼面活荷载大于4kN/m2时， 需考虑活荷载的最不利布置。,内力计算,UBC法（或系数法）,特点：不需要事先已知梁柱截面尺寸。,相邻跨跨长相差不大于短跨跨长的20%；,适用条件：,活载与恒载之比不大于3；

8、,框架梁的截面为矩形。,荷载均匀布置；,内力计算,框架梁内力：,梁上恒载与活载设计值之和,Wu,两跨时,内力计算,两跨以上时,内力计算,框架柱内力：,轴力：按楼面单位面积上恒载与活载设计值之和乘以该 的负荷面积。确定负荷面积时，不考虑板的连续性。,弯矩：将节点处梁端不平衡弯矩平均分配给上、下柱。 当横梁不在立柱形心线上时，要考虑由于梁柱偏 心引起的不平衡力矩，并将其平均分配给上、下 柱柱端。,内力计算,框架所受的水平荷载主要是风力和地震力，一般先将作用在每个楼层上的总风力和总地震力分配到各榀框架，再进行平面框架的内力分析。 对比较规则的、层数不多的框架结构，当柱轴向变形对内力及位移影响不大时，

9、可采用D值法或反弯点法计算水平荷载作用下的框架内力及位移。,反弯点法,D值法,门架法,水平荷载作用下的内力计算方法,内力计算,将作用在每个楼层上的总风力和总地震力分配到各榀框架，再进行平面框架的内力分析。 1. 按柱抗侧移刚度将总水平荷载直接分配到柱得到各柱剪力V； 2. 根据反弯点的位置 y，求得柱端弯矩M； 3. 由结点平衡求出梁端弯矩和剪力；,总体思路,水平荷载作用下平面框架变形,水平荷载作用下平面框架内力分布,内力计算,梁的线刚度ib比柱的线刚度ic之比超过3； 反弯点指弯矩为零的点； 梁的线刚度无限大，忽略柱的轴向变形；柱两端无转角。,反弯点法,内力计算,反弯点处剪力计算 ：自上而下

10、依次沿每层反弯点处取脱离体。,内力计算,仿照上述方法得 ：,内力计算,各柱弯矩 ：,柱端弯矩反弯点处剪力反弯点至柱端距离,梁端弯矩 ：,边节点和角节点处,中间节点,内力计算,反弯点法是梁柱的线刚度比大于3时，假定结点转角为零的一种近似计算方法。当柱子断面较大时，梁柱线刚度比常常较小，结点转角较大，用反弯点计算的内力误差较大。采用修正柱的抗侧移刚度和调整反弯点高度的方法计算水平荷载下框架的内力。 满足基本假定： 忽略柱的轴向变形； 同层各结点转角相等。,D值法,内力计算,框架柱的抗侧刚度：,柱抗侧刚度修正系数，按下表计算,内力计算,内力计算,柱的反弯点位置 ：,每一根杆的反弯点位置都不相同，反弯

11、点高度系数按下式计算：,式中各符号意义见P.122-P.126表5-75-9。,框架弯矩图 ：,反弯点位置确定以后，柱剪力、柱弯矩以及梁端弯矩的计算与反弯点法相同。,变形及稳定、倾覆验算,弹性变形,第j层的总剪力,第j层所有柱的抗侧刚度之和,验算公式 :,变形及稳定、倾覆验算,罕遇地震下薄弱层（部位）弹塑性变形验算,整体稳定性验算,控制截面,每根梁：三个,每根柱：两个,最不利内力类型,梁 支座截面：-Mmax及相应的V +Mmax及相应的V Vmax及相应的M 跨中截面： Mmax(-Mmax),内力组合,柱 Mmax及相应的N和V；-Mmax及相应的N和V； Nmax及相应的M和V；Nmin

12、及相应的M和V； Vmax及相应的M和N；,内力组合,控制截面最不利内力计算,非抗震设计,抗震设计,内力组合,截面设计,抗震设计时，四级框架柱的柱端弯矩设计值可直接取考虑地震作用组合的弯矩值；一、二、三级框架的梁、柱节点处，除顶层和柱轴压比小于0.15者外，柱端考虑地震作用组合的弯矩设计值应按下式予以调整：,9度抗震设计的结构和一级框架结构尚应符合：,截面设计,截面设计,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。,反弯点不在柱的层高范围内时，柱端弯矩设计值可直接乘以柱端弯矩增大系数 。,截面设计,柱

13、端剪力设计值,抗震设计的框架柱、框支柱端部截面的剪力设计值，一、二、 三级时应按下列公式计算；四级时可直接取考虑地震作用组合 的剪力计算值。,9度抗震设计的结构和一级框架结构尚应符合：,梁端剪力设计值,抗震设计时，框架梁端部截面组合的剪力设计值，一、二、三级应按下列公式计算；四级时可直接取考虑地震作用组合的剪力计算值。,9度抗震设计的结构和一级框架结构尚应符合：,角柱的弯矩、剪力设计值,框架梁、柱正截面承载力计算,一、二、三级框架角柱经按上述规定调整后的弯矩、剪力设计 值应乘以不小于1.1的增大系数。,框架梁、框架柱和框支柱的正截面承载力可按混凝土结构设 计规范GB50010的有关规定计算；考

14、虑地震作用组合时，其 承载力应除以相应的承载力抗震调整系数。抗震设计时，框架 角柱应按双向偏心受力构件计算。,框架梁斜截面受剪承载力可按现行国家标准混凝土 结构设计规范GB50010的有关规定进行计算。,无地震作用组合时，在单向风荷载作用下双向受剪的 框架柱，可按现行国家标准混凝土结构设计规范 GB50010的规定进行截面剪压比计算和斜截面受剪承 载力计算。,无地震作用组合时，梁、柱扭曲截面承载力，可按现 行国家标准混凝土结构设计规范GB50010的有关 规定进行计算。,节点,抗震设计时，一、二级框架的节点核心区应按高规的 附录C进行抗震验算；三、四级框架节点以及各抗震 等级的顶层端节点核心区

15、，可不进行抗震验算。各抗 震等级的框架节点均应符合构造措施的要求。,构造要求,混凝土强度等级,现浇框架梁、柱、节点的混凝土强度等级，按一级抗震等 级设计时，不应低于C30；按二四级和非抗震设计时，不 应低于C20。,现浇框架梁的混凝土强度等级不宜大于C40；框架柱的混 凝土强度等级，抗震设防烈度为9度时不宜大于C60，抗震 设防烈度为8度时不宜大于C70。,框架梁,抗震设计时，计入受压钢筋作用的梁端截面混凝土受压区 高度与有效高度之比值，一级不应大于0.25，二、三级不 应大于0.35。,纵向受拉钢筋的最小配筋百分率(%)，非抗震设计时，不 应小于0.2和45ft/fy二者的较大值；抗震设计时

16、，不应小于 下表规定的数值；,构造要求,梁纵向受拉钢筋最小配筋百分率min(%),抗震设计时，梁端纵向受拉钢筋的配筋率不应大于2.5% 。,抗震设计时，梁端截面的底面和顶面纵向钢筋截面面积的比 值，除按计算确定外，一级不应小于0.5，二、三级不应小于 0.3 。,构造要求,抗震设计时，梁端箍筋的加密区长度、箍筋最大间距和最小直 径应符合下表的要求；当梁端纵向钢筋配筋率大于2%时，表中 箍筋最小直径应增大2mm 。,梁端箍筋加密区的长度、箍筋最大间距和最小直径,构造要求,框架柱,柱全部纵向钢筋的配筋率，不应小于下表的规定值，且柱截面每一侧纵向钢筋配筋率不应小于0.2%；抗震设计时，对类场地上较高

17、的高层建筑，表中数值应增加0.1。,柱纵向钢筋最小配筋百分率（%）,当混凝土强度等级大于C60时，表中的数值应增加0.1；,当采用HRB400、RRB400级钢筋时，表中数值应允许减小0.1。,构造要求,抗震设计时，柱箍筋在规定的范围内应加密，加密区的箍筋 间距和直径，应符合下列要求：,柱端箍筋加密区的构造要求,d为柱纵向钢筋直径（mm）；,一般情况下，箍筋的最大间距和最小直径，应按下表采用：,柱根指框架柱底部嵌固部位。,构造要求,二级框架柱箍筋直径不小于10mm、肢距不大于200mm 时，除柱根外最大间距应允许采用150mm；三级框架柱的 截面尺寸不大于400mm时，箍筋最小直径应允许采用

18、6mm；四级框架柱的剪跨比不大于2或柱中全部纵向钢筋 的配筋率大于3%时，箍筋直径不应小于8mm；,剪跨比不大于2的柱，箍筋间距不应大于100mm，一级时 尚不应大于6倍的纵向钢筋直径。,非抗震设计时，柱中箍筋应符合以下规定：,周边箍筋应为封闭式；,箍筋间距不应大于400mm，且不应大于构件截面的短边尺 寸和最小纵向受力钢筋直径的15倍；,构造要求,箍筋直径不应小于最大纵向钢筋直径的1/4，且不应小于 6mm；,当柱中全部纵向受力钢筋的配筋率超过3%时，箍筋直径 不应小于8mm，箍筋间距不应大于最小纵向钢筋直径的10 倍，且不应大于200mm；箍筋末端应做成135弯钩且弯 钩末端平直段长度不应小于10倍箍筋直径；,当柱每边纵筋多于3根时，应设置复合箍筋（可采用拉筋）；,柱内纵向钢筋采用搭接做法时，搭接长度范围内箍筋直径不应小于搭接钢筋较大直径的0.25倍；在纵向受拉钢筋的搭接 长度范围内的箍筋间距不应大于搭接钢筋较小直径的5倍， 且不应大于100mm；在纵向受压钢筋的搭接长度范围内的 箍筋间距不应大于搭接钢筋较小直径的10倍，且不应大于 200mm。当受压钢