混凝土与砌体结构-框架结构.ppt

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1、第13章多层框架结构,结构设计的主要内容：,结构选型,结构布置,确定计算简图,选择合理方法进行各种荷载下内力计算,荷载组合、内力组合,截面配筋设计（计算、构造）,绘制施工图,结构选型,常用的结构形式有：混合结构、框架结构、框架-剪力墙结构、剪力墙结构等。,13.1 框架结构的组成和布置,框架结构由框架梁、框架柱和基础组成。,一、概述,框架梁与框架柱通常为刚接（也可做成铰接点或半铰节点），框架柱固结于基础顶面，框架填充墙体是维护结构，但对抵抗水平作用有一定的影响。,取出一榀横向框架,按节点类型,铰接框架,框架结构的分类：,刚接框架,按施工方法,现浇式框架,装配式框架,装配整体式框架,梁、柱、楼盖

2、均现浇。整体性强，抗震（振）性好现场施工工作量大，费模,梁、柱、楼盖均为预制，通过焊接拼装连接成整体施工速度快、效率高，适合标准化、工厂化、机械化生产用钢量增加、整体性差，抗震（振）能力弱,梁、柱、楼盖均为预制，构件吊装就位后，焊接或绑扎节点区钢筋，浇筑节点区混凝土，将梁、柱、板连接成整体具有较好的整体性和抗震（振）能力，又可采用预制构件，减少现场混凝土浇筑量节点区现场混凝土施工复杂,二、结构布置,框架结构布置的原则为：,结构平面形状和立面体形尽可能简单规则,结构各部分刚度均匀对阵，以减少结构产生扭转的可能,控制结构的高宽比（一般H/B4为宜），以减少结构在水平作用下的侧移,尽量统一柱网与层高

3、，以减少构件种类规格、简化设计与施工。,1、柱网布置（开间与进深）,满足生产工艺（生活、工作）要求,满足建筑平面布置的要求。,使结构受力合理,便于施工,2、承重框架布置,柱在两个方向（横、纵向）均有梁拉结，构成一个空间受力体系。为计算方便起见，可把空间框架分解为纵、横两个方向的平面框架。纵向框架和横向框架分别承受各自方向上的水平力，而楼面荷载按楼盖布置的方式的不同按不同的方法传递。,纵向,横向,纵向,横向,单向板,单向板,预制板,横向框架承重方案,框架承重梁（主梁）横向布置，纵向布置连系梁。,楼面荷载 横向框架梁 框架柱 基础 地基,框架承重梁,连系梁,框架承重梁,连系梁,主梁横向布置有利于提

4、高建筑物的横向抗侧刚度。,纵向布置尺寸较小的次梁，有利于房屋采光和通风。,预制板,纵向框架承重方案,框架承重梁（主梁）纵向布置，横向布置连系梁。,楼面荷载 纵向框架梁 框架柱 基础 地基,横向连系梁尺寸较小，有利于设备管线的穿行，可获得较高的室内净高。,房屋横向抗侧刚度较差，进深尺寸受预制板长度限制。,框架承重梁,连系梁,纵横向框架混合承重方案,框架纵横向均布置承重梁。,楼面荷载 纵、横向框架梁 框架柱 基础 地基,具有较好的整体工作性能，对抗震有利。,框架承重梁,框架承重梁,双向板,双向板,双向板,框架承重梁,框架承重梁,变形缝包括：伸缩缝、沉降缝、防震缝。应尽量不设或少设缝，以简化构造、方

5、便施工、降低造价、提高结构的整体性和空间刚度。必须设缝时应尽量一缝多用。在非地震地区，沉降缝可兼作伸缩缝 在地震地区，伸缩缝或沉降缝应符合防震缝的要求。,3、变形缝的设置,13.2 框架结构内力和水平位移的近似计算,纵向,横向,空间受力体系,平面结构,简化,简化,纵向框架,横向框架,横向框架,为高次超静定结构，可用结构力学方法求得在荷载作用下的内力和位移，但工作量极大，非常复杂。,为简化计算（手算），可采用近似计算方法计算内力和位移。,框架在竖向荷载作用下的内力计算,框架在水平荷载作用下的内力和位移计算,近似计算方法,分 层 法,反弯点法,D 值 法,一、计算简图,取典型一榀框架进行计算,计算

6、单元取该榀横向框架及其左右相邻各一半开间,框架梁跨度取柱轴线间距离,除底层外，框架柱的长度取建筑层高,底层柱的高度取基础顶面到二层楼板顶面之间的距离,梁、柱节点为刚接节点,框架柱下端固结于基础顶面,荷载计算,水平荷载,竖向荷载,自重及楼（屋面）活荷载，一般为分布荷载，有时也有集中荷载。,风荷载和水平地震作用，一般简化为作用于节点的水平集中力。,几何参数（截面尺寸、截面惯性矩）,中框架梁,边框架梁,边框架,边框架,中框架,框架在竖向荷载作用下的计算简图：,双向板,双向板,单向板,用分层法进行竖向荷载作用下框架的内力计算。,次梁,次梁,图中板均为双向板,画出图示三层三跨框架在竖向恒载及活载作用下的

7、计算简图。,单向板,框架在水平荷载（风载）作用下的计算简图：,视为均匀分布，风压高度变化系数按框架顶部标高确定。,进一步将均布荷载简化为作用在梁柱节点上的水平集中力。,框架在水平荷载（风载）作用下的计算简图：,用反弯点法或D值法进行水平荷载作用下框架的内力计算。,二、竖向荷载作用下的分层法,（1）框架没有水平位移；（2）某楼层的竖向荷载只对本层框架梁及与其相连的楼层柱产生内力。,1、基本假定,竖向荷载作用下的分层法,=,+,+,竖向荷载作用下的分层法,=,+,+,=,+,+,竖向荷载作用下的分层法,2、计算步骤,（1）画计算简图 节点编号 求各杆线刚度i,（2）荷载计算（恒载、活载）（竖向荷载

8、、水平荷载）,竖向荷载作用下的分层法,（3）将原框架按分层法，分为n个敞口框架,顶 层,中间层（第2、3层相同）,底 层,竖向荷载作用下的分层法,顶 层,中间层（第2、3层相同）,底 层,（4）用弯矩分配法计算各敞口框架的弯矩修正柱线刚度计算各节点的弯矩分配系数（？）求各敞口框架梁固端弯矩不平衡弯矩在各节点分配并进行传递（传递系数？）绘制各敞口框架弯矩图,竖向荷载作用下的分层法,顶层框架弯矩图,中间层框架弯矩图,底层框架弯矩图,顶 层,中间层（第2、3层相同）,底 层,竖向荷载作用下的分层法,（5）将分层法所得各敞口框架弯矩图叠加，恢复原框架，得到原框架的弯矩图。,顶层框架弯矩图,中间层框架弯

9、矩图,底层框架弯矩图,各分层框架梁的弯矩，即为原框架梁的弯矩。,除底层外，各层柱的弯矩都计算了2次，因此，各分层框架柱的弯矩需进行叠加，才能得到原框架柱的弯矩。,叠加后会引起节点弯矩不平衡，对节点不平衡弯矩再进行一次分配，不再传递。,竖向荷载作用下的分层法,（5）将分层法所得各敞口框架弯矩图叠加，恢复原框架，得到原框架的弯矩图。,顶层框架弯矩图,中间层框架弯矩图,底层框架弯矩图,框架弯矩图,竖向荷载作用下的分层法,框架弯矩图,（6）取各梁、柱为隔离体，由平衡关系求梁、柱端剪力，作框架剪力图。,梁隔离体图,柱隔离体图,竖向荷载作用下的分层法,框架弯矩图,（7）取各节点为隔离体，由平衡关系求各柱轴

10、力，作柱轴力图。,节点隔离体图,竖向荷载作用下的分层法,3、对称性的利用,当结构对称，荷载对称时，结构的弯矩图对称，剪力图反对陈，轴力图对称。,可利用对称性，对内力计算进行简化。需注意：正确确定对称面杆端约束条件；弯矩分配系数和传递系数的取值。,滑移支座,弯矩传递系数？,弯矩分配系数？,竖向荷载作用下的分层法,3、对称性的利用,当结构对称，荷载对称时，结构的弯矩图对称，剪力图反对陈，轴力图对称。,可利用对称性，对内力计算进行简化。需注意：正确确定对称面杆端约束条件；弯矩分配系数和传递系数的取值。,竖向荷载作用下的分层法,例：,竖向荷载作用下的分层法,节点编号,竖向荷载作用下的分层法,按分层法，

11、将框架分层若干个开口框架,顶层,底层,A2,B2,C2,A1,B1,C1,A1,B1,C1,A0,B0,C0,A2,B2,C2,竖向荷载作用下的分层法,等截面梁固端弯矩及梁端剪力,用弯矩分配法计算各分层开口框架弯矩,修正柱线刚度计算各节点的弯矩分配系数（？）求各敞口框架梁固端弯矩不平衡弯矩在各节点分配并进行传递（传递系数？）绘制各敞口框架弯矩图,竖向荷载作用下的分层法,等截面梁固端弯矩及梁端剪力,竖向荷载作用下的分层法,顶层弯矩图,底层弯矩图,竖向荷载作用下的分层法,叠加后的弯矩图,将各开口弯矩图叠加，恢复原框架,竖向荷载作用下的分层法,弯矩二次分配,将节点不平衡力矩进行再次分配，得最终弯矩图

12、,竖向荷载作用下的分层法,弯矩图,竖向荷载作用下的分层法,框架梁剪力图,取梁、柱为隔离体，进行梁、柱端剪力计算,竖向荷载作用下的分层法,取节点为隔离体，进行柱轴力计算,竖向荷载作用下的分层法,框架柱轴力图,竖向荷载作用下的分层法,作业：用分层法计算图示框架内力，并绘制内力图,梁：250600mm2,柱：400400mm2,A3,B3,C3,D3,A2,B2,C2,D2,顶层弯矩图,中间层弯矩图,底层弯矩图,A3,B3,C3,D3,A2,B2,C2,D2,A1,B1,C1,D1,A2,B2,C2,D2,A1,B1,C1,D1,A0,B0,C0,D0,弯矩图,水平荷载作用下的反弯点法和D值法,风载

13、作用下框架计算简图,风载作用下框架柱剪力图,特征：剪力图为矩形，柱高范围内剪力相等。,三、水平荷载作用下的反弯点法和D值法,风载作用下框架计算简图,特征：弯矩图为斜直线，一般均有一个反弯点。,水平荷载作用下的反弯点法和D值法,风载作用下框架弯矩图,反弯点,反弯点,y：反弯点高度比,欲想求得框架在水平荷载下的弯矩图，需要求得柱间剪力V和反弯点高度yh。,反弯点法和D值法的任务就是来确定在框架在节点水平荷载作用下柱间剪力V和反弯点高度yh。,水平荷载作用下的反弯点法和D值法,水平荷载作用下的反弯点法和D值法,一、基本假定,1、求各柱剪力时，假定各柱上、下端都不发生角位移，即认为梁的线刚度与柱的线刚

14、度之比为无限大,2、除底层外，其余各层柱的上、下端转角均相同。底层柱，反弯点位于2/3层高处。楼层柱：反弯点位于层高的中点底层柱：反弯点位于2/3层高处,3、梁端弯矩可由节点弯矩不平衡条件求出不平衡弯矩，再按节点左右梁线刚度进行分配。,水平荷载作用下的反弯点法和D值法,二、柱抗侧刚度,两端无转角位移的柱（对应于基本假定1），柱顶受水平集中力作用时，将产生水平位移。,欲使柱顶产生单位水平位移时（u=1），施加在柱顶的水平集中力称为柱的抗侧刚度D。,当柱顶产生水平位移为u时，施加在柱顶的水平集中力为。,水平荷载作用下的反弯点法和D值法,三、柱的剪力,与第j层柱的侧移有何关系？,水平荷载作用下的反弯

15、点法和D值法,设在水平荷载作用下，第j层柱的侧移为uj（忽略梁的轴向变形）。则：,因此，,各柱的剪力按自身的抗侧刚度与该楼层所有框架柱抗侧刚度（线刚度）之比分配。,水平荷载作用下的反弯点法和D值法,四、柱端弯矩,五、梁端弯矩,水平荷载作用下的反弯点法和D值法,六、梁剪力、柱轴力等,水平荷载作用下的反弯点法和D值法,同用分层法进行竖向荷载下内力计算，即：,取各梁为隔离体，由平衡关系求得梁端剪力。,取各节点为隔离体，由平衡关系求得各柱轴力。,水平荷载作用下的反弯点法和D值法,六、梁剪力、柱轴力等,同用分层法进行竖向荷载下内力计算，即：,柱轴力（可能为拉力）,水平荷载作用下的反弯点法和D值法,反弯点

16、法适用于:层数较少、柱线刚度较小、梁线刚度较大（梁柱线刚度比大于3）的结构,七、反弯点法的适用范围,不满足上述适用范围的框架，可采用D值法计算。,D值法在反弯点法的基础上，对反弯点法中梁柱线刚度比的影响和反弯点高度进行了修正，又称为“改进反弯点法”。,梁柱线刚度比的影响,柱的反弯点高度yh,y=y0+y1+y2+y3,梁柱线刚度比的影响,水平荷载作用下的反弯点法和D值法,水平荷载作用下的反弯点法和D值法,柱的反弯点高度yh,y=y0+y1+y2+y3,y0:,标准反弯点高度比，查附表10-1和附表10-2,附表10-1：框架承受均布水平力（风荷载）作用时,附表10-2：承受倒三角形分布力（地震

17、作用）作用时,水平荷载作用下的反弯点法和D值法,柱的反弯点高度yh,y=y0+y1+y2+y3,y1：,上下横梁线刚度比对反弯点高度影响，查附表10-3,反弯点高度偏向约束刚度较小的一端,当i1+i2i3+i4时，反弯点 移，y1为 值。,下,负,当i1+i2i3+i4时，反弯点 移，y1为 值。,上,正,对于底层柱，取y1=0,水平荷载作用下的反弯点法和D值法,柱的反弯点高度yh,y=y0+y1+y2+y3,y2、y3:,上下层层高变化对反弯点高度的影响，查附表10-4,反弯点高度偏向约束刚度较小的一端,当21时，上层线刚度较小，反弯点 移，y2为 值。,当21时，上层线刚度较大，反弯点 移

18、，y2为 值。,当31时，下层线刚度较小，反弯点 移，y3为 值。,当31时，下层线刚度较大，反弯点 移，y2为 值。,上,正,下,负,下,负,上,正,对于顶层柱，取y2=0；对底层柱，取y3=0。,水平荷载作用下的反弯点法和D值法,例：某七层三跨框架风荷载作用下的计算简图如图所示。其五层B柱（i1+i2+i3+i4）/2i=0.5；（i1+i2）/（i3+i4）=2。A、B、C、D柱截面相同。（1）在风荷载作用下第五层柱的反弯点高度yh=？（2）第五层柱的总层间剪力V5=？（3）A柱c=0.5，B柱c=0.6，C柱c=0.7，D柱c=0.6，则B柱剪力VB=？（4）B柱柱顶弯矩MB上=？柱底

19、弯矩MB下=？,i1,i,A,B,C,D,i2,i3,i4,8kN,11kN,11kN,12kN,12kN,10kN,12kN,水平荷载作用下的反弯点法和D值法,梁柱线刚度比的影响,柱的反弯点高度yh,y=y0+y1+y2+y3,求得柱剪力和柱反弯点高度后，即可按照与反弯点法一样的思路进行梁端弯矩、梁剪力及柱轴力计算。,柱的剪力,柱端弯矩,D值法,框架结构在水平荷载作用下的侧移计算及限值,四、框架结构在水平荷载下的侧移计算及限值,层间侧移,总层间侧移（顶点水平位移）,弹性层间位移角,由高层建筑混凝土结构技术规程规定，为1/550,侧移限值：,五、框架结构的内力组合,1、控制截面,框 架 梁,框

20、 架 柱,（1）两端节点边缘截面,（2）跨中截面,负弯矩绝对值最大剪力最大可能正弯矩最大,近似认为正弯矩最大,上下端截面,弯矩绝对值最大,2、控制截面内力,框架梁：取节点边缘的内力,框架柱：取节点截面的内力进行计算,3、荷载效应组合,框架结构荷载效应组合与排架结构相同，但一般没有吊车荷载作用。,恒载,屋楼面活载,风载,以上荷载可能出现的荷载组合有4种，分别是：,恒载恒载+屋楼面活载恒载+风载恒载+屋面活载+风载,建筑结构荷载规范规定，对于一般排架、框架结构，可采用简化规则，在下列荷载效应组合中取不利值确定：,（1）由可变荷载效应控制的组合,“恒荷载”+任一种“活荷载”,“恒荷载”+0.9（任意

21、两种或两种以上“活荷载”）,（2）由永久荷载效应控制的组合,“恒荷载”+0.9（任意两种或两种以上“活荷载”）,4、最不利内力组合,框架梁的最不利内力组合,框架柱的最不利内力组合,梁端截面:,跨中截面:,柱端截面:,5、竖向活荷载最不利布置,逐层逐跨组合法,最不利荷载位置法,分层组合法,满布荷载法,将活荷载逐层逐跨单独作用在结构上，分别计算出整个杆件的内力，根据构件、截面及内力种类进行组合。,确定产生最不利内力的活荷载布置后进行内力计算。,以分层法为依据，对活荷载的最不利布置进行简化。,将活荷载同时作用在所有框架梁上，对于框架梁跨中弯矩应乘以1.11.2的增大系数。,6、竖向活荷载下梁端弯矩调

22、幅,框架是高次超静定结构，允许出现塑性铰。,要求塑性铰出现在梁端，而不出现在柱端。,梁端弯矩调幅可减少节点负弯矩钢筋，有利于浇筑混凝土。,对于装配式或装配整体式框架，节点不是绝对刚性，梁端负弯矩也小于弹性计算值，因此对梁端弯矩调幅也符合实际情况。,调幅后应对跨中弯矩进行相应调整，调幅后梁端弯矩MA、MB的平均值应不小于按简支梁计算的跨中弯矩值M0。,调幅方法：,按照按弹性方法计算的梁端弯矩，乘以弯矩调幅系数。,对现浇框架：,对装配整体式框架：,梁端弯矩,跨中弯矩,仅对竖向荷载作用下的内力进行调幅，弯矩调幅应在内力组合之前进行。,六、框架结构的结构构件设计,1、排架柱的计算长度l0,2、框架节点

23、的构造要求,框架结构在竖向荷载作用下，可以考虑梁塑性内力重分布而对梁端负弯矩进行调幅，下列哪种调幅及组合方法是正确的？（）A、竖向荷载产生的弯矩与风荷载作用的弯矩组合后再进行调幅B、竖向荷载产生的弯矩应先行调幅，再与风载产生的弯矩进行组合C、风荷载产生的弯矩应先行调幅，再与竖向荷载产生的弯矩进行组合T,关于框架柱的反弯点，哪个结论是正确的？（）A、上层框架梁的线刚度增加将导致本层柱的反弯点下移B、下层柱层高增大将导致本层柱反弯点上移C、柱的反弯点高度与该柱的楼层位置有关，与结构的总层数无关D、框架结构的层间位移仅与柱的线刚度有关，而与梁的线刚度无关,以下哪个结论是正确的？（）A、按照D值法，线

24、刚度大的柱上的剪力必大于线刚度小的柱上的剪力B、反弯点法在计算柱的抗侧移刚度时考虑了节点的转动C、按照D值法，框架柱的反弯点位置与框架的层数有关D、D值法比反弯点法求得的柱抗侧移刚度大,D值法与反弯点法的区别，下列哪个是正确的？（）A、D值法与反弯点法的物理意义没有区别，都是以柱抗剪刚度比值分配楼层剪力B、D值法中，楼层梁的轴向刚度须由计算确定C、D值法中，柱的抗剪刚度考虑了楼层梁的刚度的影响，反弯点法假定楼层梁刚度为无穷大，楼层柱的反弯点在柱高度的中心D、D值法中，柱的抗剪刚度考虑了楼层梁约束的影响，反弯点法中，柱的抗剪刚度不考虑楼层梁的约束的影响,按D值法对框架进行近似计算时，各柱的抗侧刚

25、度的变化规律是（）A、当柱的线刚度不变时，随框架梁线刚度的增加而减少B、当框架梁、柱线刚度不变时，随层高的增加而增加C、当柱的线刚度不变时，随框架梁线刚度的增加而增加D、与框架梁的线刚度无关,按D值法对框架进行近似计算时，各柱的反弯点高度的变化规律是（）A、当其他参数不变时，随上层框架梁的刚度减小而降低B、当其他参数不变时，随下层框架梁刚度的增大而升高C、当其他参数不变时，随上层层高的增加而降低D、与其他参数不变时，随下层层高的增大而升高,框架结构的承重方案有、。,对与中框架，框架梁I=I0；对于边框架，框架梁I=I0。,用分层法计算框架结构在竖向荷载下的内力时，除底层外，其余各层柱线刚度乘以

26、，相应传递系数为。,现浇框架结构梁柱节点区的混凝土强度等级应（）A、低于梁的混凝土强度等级B、高于梁的混凝土强度等级C、不低于柱的混凝土强度等级D、与梁柱混凝土强度等级无关,水平荷载作用下每根框架柱所分配到的剪力与（）直接有关A、矩形梁截面惯性矩B、柱的抗侧移刚度C、梁柱线刚度比D、柱的转动刚度,公式 中，K的物理意义是（）A、矩形梁截面惯性矩B、柱的抗侧刚度C、梁柱线刚度比D、柱的转动刚度,承受相同水平荷载作用的同一框架结构，若分别采用反弯点法和D值法对其进行侧移计算，（）。A、用反弯点法计算所得的侧移大B、用D值法计算所得的侧移大C、用反弯点法和D值法计算所得的侧移相同D、用反弯点法计算所

27、得的侧移可能大于、也可能小于用D值法计算所得的侧移,在水平荷载作用下，框架结构的水平侧移随（）而增大。A、楼层剪力减小和框架柱侧移刚度增大B、楼层剪力减小和框架梁柱线刚度之比增大C、楼层剪力增大和框架柱侧移刚度减小D、楼层剪力增大和框架梁柱线刚度之比减小,用反弯点近似计算水平载下框架内力时假定（）。A、节点无水平位移，同层各节点角位移相等 B、节点无角位移，同层各节点水平位移相等 C、节点无水平及角位移 D、节点有角位移，无水平位移,D值法对反弯点法的（）进行了修正A、柱的侧移刚度和反弯点高度 B、柱线刚度和弯矩分配系数C、柱的线刚度和侧移刚度 D、柱的线刚度和反弯点高度,如何选取框架梁和框架柱的控制截面？如何确定框架梁和框架柱的最不利内力？,简述分层法计算框架结构内力的计算步骤。,简述D值法计算框架结构内力和侧移的计算步骤（写出主要计算公式并说明公式中各符号的意义）。,为何要对框架结构竖向荷载作用下的梁端弯矩进行调幅？如何调幅？,结构选型时要充分了解各类结构的优缺点、应用范围、结构布置原则和大致的构造尺寸等，根据建筑物高度要求及使用要求，结构具体建设条件，进行综合分析，从而做出最终的决定。选择合理科学的建筑结构体系非常重要，是达到既安全可靠又经济合理的重要前提。,