多层框架结构设计1.ppt
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1、,第 4 章 多层框架结构设计,混凝土房屋结构设计,框 架,12层 39层 10层或28m,房屋按高度和层数分类,低层,多层,高层,混凝土房屋按结构形式分类,框架结构,排架结构、门式刚架结构,框架剪力墙结构、剪力墙结构、筒体结构、巨型结构等,混凝土房屋结构设计,框 架,4.1,框架结构的组成与布置,4.1.1 框架结构的组成和特点框架结构的组成 由梁、柱线形杆件刚接组成的结构称为框架。框架有等跨的,也有不等跨的;层高可以相等亦可以不相等。有时因使用要求还可在某层缺梁或某跨缺柱。若建筑中的所有抗侧力单元全部采用框架,称为框架结构体系。,混凝土房屋结构设计,框 架,框架结构示例,缺梁的框架 内收的
2、框架 有斜梁的框架,混凝土房屋结构设计,框 架,优点 结构轻巧;整体性好;可形成大空间;施工方便;较为经济。,框架结构的特点,缺点抵抗水平荷载能力差;侧向刚度小,侧移大;受地基的不均匀沉降影响大。,混凝土房屋结构设计,框 架,4.1.2 结构布置的一般原则,满足使用要求,并尽可能与建筑的平、立、剖面划分相一致;满足人防、消防要求,使水、暖、电各专业的布置能有效地进行;结构尽可能简单、规则、均匀、对称,构件类型少;妥善地处理温度、地基不均匀沉降以及地震等因素对建筑的影响;施工简便;经济合理。,混凝土房屋结构设计,好,差,平面布置,框 架,混凝土房屋结构设计,好,差,竖向布置,框 架,混凝土房屋结
3、构设计,4.1.3 结构布置方法,框 架,1.柱网的布置柱网应根据建筑功能和使用要求布置;柱网形式:根据建筑平面设计,可布置成内廊式、等跨式、对称不等跨式等;柱网尺寸(开间、进深):主要由使用要求决定。(民用建筑)一般开间 3.34.5 m 进深 4.57.0 m,混凝土房屋结构设计,框 架,柱网布置应使结构受力合理;柱网布置应方便施工。,混凝土房屋结构设计,特点房屋横向刚度大,侧移小;横梁高度大,室内有效净空小。,2.承重框架的布置(按楼面竖向荷载传递路线的不同划分)横向布置 横向框架承重,横向承重,框 架,混凝土房屋结构设计,特点:连系梁截面较小,框架梁截面尺寸大,室内有效净空高;对纵向地
4、基不均匀沉降较有利;房屋横向刚度小,侧移大。,纵向布置 纵向框架承重,纵向承重,框 架,混凝土房屋结构设计,特点:整体性好,受力好;适用于整体性要求 较高和楼面荷载较 大的情况。,双向布置 纵横向框架混合承重,双向承重,框 架,混凝土房屋结构设计,3.变形缝的设置 应尽量少设缝或不设缝伸缩缝 主要与结构的长度有关。一般缝宽不宜小于50mm。伸缩缝最大间距(m),框 架,混凝土房屋结构设计,沉降缝 主要与基础受到的上部荷载及场地的地质条件有关。缝宽不宜小于50mm。沉降缝的构造 上部结构和基础都断开。具体做法有:简支板式、单悬挑式、简支梁式、双悬挑式等。防震缝 主要与建筑平面形状、高差、刚度分布
5、、质量分布等有关。缝宽:不应小于70mm,且对于框架结构,当高度超过15m时,6读、7度、8度和9度设防相应每增加高度5m、4m、3m 和2m,缝宽宜加宽20mm。防震缝两侧高度不同时,按较低房屋的高度确定缝宽。,框 架,混凝土房屋结构设计,4.2,框架结构的内力计算和水平位移验算,4.2.1 截面尺寸估算框架梁截面尺寸估算,一般情况下:,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,框 架,混凝土房屋结构设计,hi 第i层层高;hc 柱截面高度;bc 柱截面宽度。,框架柱的截面边长不宜小于300 mm,圆柱的截面直径不宜小于350 mm。,截面的高宽比不宜大于3,框架柱截面
6、尺寸估算基本要求,框 架,混凝土房屋结构设计,N 柱中轴向力设计值。Nv 柱支承的楼面荷载面积上竖向荷载产生的轴向力设计值。近似将楼面板沿柱轴线之间的中线划分,恒载和活载的分 项系数均取1.25,或近似取1215 kN/m2进行计算。,N=(1.11.2)Nv,框 架,轴压比要求 对于一、二、三级抗震等级,,剪跨比要求 柱的剪跨比宜大于2。框架柱的计算剪跨比,当框架柱的反弯点在柱层高范围内时,可取。,混凝土房屋结构设计,4.4,4.2.2 计算简图的确定,框 架,竖向荷载作用下:计算模型:平面框架(规则框架)计算单元:取一榀框架 计算简图:平面刚架水平力作用下:计算模型:平面协同分析模型 计算
7、单元:取整个结构单元,手算,空间杆系模型,电算,混凝土房屋结构设计,平面框架计算单元的选取,计算单元选取,框 架,混凝土房屋结构设计,平面框架计算单元的选取,框 架,混凝土房屋结构设计,平面框架计算单元的选取,框 架,混凝土房屋结构设计,平面框架计算简图,实际结构,计算简图,框 架,混凝土房屋结构设计,跨度和层高,框 架,梁的跨度:柱轴线之间的距离柱的高度:取层高 底层的层高是从基础顶面算起到第二层板顶的距离,其余各层的层高取相邻两楼盖板顶至板顶间的距离。,框架柱线刚度(弹性阶段),I 框架柱截面惯性矩,。,节点的模型化,现浇式框架:节点刚接,柱与基础刚接装配式框架:节点铰接或半铰接,柱与基础
8、刚接或铰接装配整体式框架:节点刚接,柱与基础刚接,混凝土房屋结构设计,框 架,框架梁线刚度(弹性阶段),I 框架梁截面惯性矩,其取值见下表。,框架梁惯性矩取值,注:I0为梁按矩形截面计算的惯性矩,。,混凝土房屋结构设计,4.2.3 荷载计算,框架荷载,垂直荷载,水平作用,恒载,活载,风载,地震作用,框架自重;粉灰重;板、次梁、墙体重。,楼面均布活荷载、屋面均布活荷载、雪荷载,框 架,混凝土房屋结构设计,水平作用和竖向荷载对结构内力的影响,框 架,荷载对结构内力的影响与房屋高度有关:房屋较高时,水平作用的影响大,竖向荷载在结构上产生的内力相对较小;房屋较低时,竖向荷载的影响大,水平作用在结构上产
9、生的内力相对较小。,混凝土房屋结构设计,楼面活荷载折减,框 架,(1)统计梁上荷载时:对于住宅、宿舍、旅馆、办公楼、医院病房、托儿所、幼儿园建筑,当负荷面积大于25m2时,楼面均布活荷载折减系数取为0.9。(2)统计墙、柱、基础的荷载时:根据计算截面以上的层数多少决定折减系数。活荷载按楼层数的折减系数表,混凝土房屋结构设计,4.2.4 竖向荷载下的内力计算,楼面荷载分配原则,当采用装配式或装配整体式楼盖时,板上荷载通过预制板的两端传递给它的支承结构;当采用现浇楼盖时,楼面上的恒载和活载根据每个区格板两个方向的边长比,沿单向或双向传递,区格板长边/短边3时沿单向传递,长边/短边3时沿双向传递。,
10、框 架,混凝土房屋结构设计,现浇楼盖荷载传递示意图,框 架,混凝土房屋结构设计,竖向荷载作用下的内力计算方法(分层法),基本假定没有水平位移;每层梁上的荷载只对本层梁及与其相连的上、下层 柱产生内力。,框 架,混凝土房屋结构设计,将框架分成若干个彼此互不关连的且柱端为完全固定的开口框架近似计算,可用弯矩分配法计算。,分层法计算示意图,框 架,分层法,注意事项:分层法计算的各梁弯矩为最终弯矩,各柱的最终弯矩为与各柱相连两层计算弯矩的叠加;在内力与位移计算中,所有构件均可采用弹性刚度。,混凝土房屋结构设计,(2)迭代法(不考虑框架侧移),框 架,分层法计算的基本步骤把一个n层框架分解为n个单层敞口
11、框架,柱的远端假定为固接;每一单层敞口框架用弯矩分配法计算其内力:计算汇交于每一节点各杆的弯矩分配系数(按各杆件线刚度所占总线刚度的比例计算);按照单根固端梁计算荷载作用下的梁端弯矩,并求出汇交于每一节点的梁端弯矩之和(不平衡弯矩);将节点处的不平衡弯矩乘以各杆的弯矩分配系数,加负号后得到第一次分配的各杆端弯矩,梁端弯矩向远端传递;将传递后的弯矩按照各杆端的弯矩分配系数分配,然后梁端弯矩再向远端传递,经过多次分配和传递,直到分配后的弯矩足够小;求得各杆端所有分配得到和传递得到的弯矩之和,即为本层各杆件的杆端弯矩;每一单层敞口框架计算得到的梁端弯矩即为最终的梁端弯矩,上下两层同一柱端的弯矩叠加得
12、到最终的柱端弯矩。,混凝土房屋结构设计,线刚度修正,框 架,传递系数修正,底层柱的弯矩传递系数取1/2,其他各层柱的弯矩传递系数取1/3。,混凝土房屋结构设计,由于除底层外上层各柱的柱端实际 为弹性固定(即其他各层柱端均有转角)。计算简图中假定为完全嵌固,为减少计算误差,作以下修正):除底层柱外,上层各柱的线刚度乘 以0.9的修正系数;,框 架,混凝土房屋结构设计,4.2.5 水平荷载作用下的内力近似计算,框 架,(a)框架变形图(b)框架弯矩图水平荷载作用下框架的变形图和弯矩图,混凝土房屋结构设计,4.2.5 水平荷载作用下的内力近似计算,4.2.5 水平荷载作用下的内力近似计算,反弯点法基
13、本假定,在进行框架柱的剪力分配时,假定框架梁的线刚度为无穷大,则每根框架柱上下端转角为零,只发生水平侧移;在确定反弯点位置时,假定除底层柱外,其余柱的上下端转角相等。,框 架,(1)反弯点位置及假定 反弯点弯矩为零的点 反弯点位置按右图取值:(以EI梁=为前题),反弯点位置图,混凝土房屋结构设计,(1)反弯点处的剪力计算 柱的剪力按同层柱的抗侧移刚度之比分配。柱的侧移刚度:柱上下两端产生相对单位水平位移时,柱中所产生的剪力。柱的侧移刚度除与它自身的材料,截面特征和长度有关外,还与其两端的支承约束情况有关。,EIci 第i根柱的截面刚度;hi 第i根柱的柱高。,Di,框 架,两端固接柱:,混凝土
14、房屋结构设计,反弯点法计算步骤,以三层框架为例,用反弯点法计算水平荷载作用下框架的内力。顶层:,因此各柱的剪力为:,框 架,混凝土房屋结构设计,第二层,各柱的剪力为:,框 架,混凝土房屋结构设计,第一层,各柱的剪力为:,框 架,混凝土房屋结构设计,(2)弯矩求解 柱端弯矩:已知反弯点处的剪力值便可以求出每一根柱各截面的弯矩。梁端弯矩:分边柱节点和中间柱节点两种情况处理。边节点:,框 架,混凝土房屋结构设计,中节点:,框 架,混凝土房屋结构设计,框 架,混凝土房屋结构设计,(3)梁端弯矩求出后,以梁为截离体,将梁的左右端弯矩除以该梁的跨长,便得到梁端剪力。自上而下逐层叠加节点左右的梁端剪力,即课
15、得到柱内轴向力。,4.2.5 水平荷载作用下的内力近似计算,反弯点法的适用范围,适用于框架节点处梁柱线刚度比不小于3的框架结构;布置均匀(层高和跨度变化不大),层数不多的框架结构;常用于在初步设计中估算梁和柱在水平荷载作用下的弯矩值。,框 架,反弯点位置图,混凝土房屋结构设计,D值法,(1)反弯点法存在的问题,柱的抗侧刚度只考虑了柱的线刚度和柱高,未考虑节点梁柱线刚度比的影响;当梁柱线刚度较为接近或梁的刚度小于柱的刚度时,框架柱的抗侧刚度不能用前面的公式计算。认为反弯点的位置是固定不变的,实际上它与梁柱线刚度之比、柱的位置、上下层梁的线刚度大小、上下层层高、框架的总层数等因素有关。,框 架,混
16、凝土房屋结构设计,(2)D值法的基本思想,与反弯点法相比:相同之处计算思路与步骤相同不同之处考虑了上述因素的影响,对柱的抗侧 刚度和柱的反弯点位置进行了修正。,因此,D值法又称为修正的反弯点法,由于D值法考虑了柱两端节点转动对其抗侧刚度和反弯点位置的影响,因此是一种合理且计算精度较高的近似计算方法,适用于梁柱线刚度比小于3的情况,特别是高层框架结构或抗震设计。,框 架,混凝土房屋结构设计,(3)柱的抗侧刚度,式中,c 柱抗侧移刚度修正系数,按下表的公式计算。,框 架,混凝土房屋结构设计,(4)修正的反弯点高度,式中 y0标准反弯点高度比;y1因上、下层梁刚度比变化的修值;y2因上层层高变化的修
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