第三章多层框架结构设计课件.ppt
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1、,本章重点,了解框架结构的特点和适用范围;熟悉框架结构的布置原则与方法;掌握框架结构在竖向和水平荷载作用下的内力计算方法;掌握框架结构的内力组合原则与方法;熟悉框架结构在水平荷载作用下的侧移验 算方法;熟悉梁、柱的配筋计算和构造要求。,第三章 多层框架结构设计,3.1.1 结构布置,第三章 多层框架结构设计,在竖向荷载和水平荷载共同作用下,框架结构各构件都将产生内力和变形。框架结构的侧移一般由两部分组成:由水平力引起的楼层剪力使梁、柱构件产生弯曲变形,形成框架结构的整体剪切变形us(shear deformation);由水平力引起的倾覆力矩,使框架柱产生轴向变形(一侧柱拉伸,另一侧柱压缩),
2、形成框架结构的整体弯曲变形ub(bending deformation)。当框架结构房屋的层数不多时,其侧移主要表现为整体剪切变形,整体弯曲变形的影响很小。(框架结构的变形型式为剪切型),框架结构的受力特点,第三章 多层框架结构设计,框架结构的侧移,第三章 多层框架结构设计,优点 结构轻巧;整体性好;可形成大空间;施工方便;较为经济。,框架结构的优缺点,第三章 多层框架结构设计,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。,第三章 多层框架结构设计,框架结构房屋的最大适用高度和最大高宽比,第三章 多层框架结构设计,结构布置的一般原则,满足使用要求,并尽可能与建筑的平、
3、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;结构的受力要明确;非承重隔墙宜采用轻质材料;构件类型、尺寸的规格要尽量减少。,第三章 多层框架结构设计,平面布置,第三章 多层框架结构设计,竖向布置,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。,第三章 多层框架结构设计,结构布置的方法,框架结构布置主要是确定柱在平面上的排列方式(柱网布置)和选择结构承重方案,这些均必须满足建筑平面及使用要求,同时也须使结构受力合理,施工简单。,框架结构的承重方案 1)横向框架承重。主梁沿房屋横向布置,板和连系梁沿
4、房屋纵向布置。2)纵向框架承重。主梁沿房屋纵向布置,板和连系梁沿房屋横向布置。3)纵、横向框架承重。房屋的纵、横向都布置承重框架,楼盖常采用现浇双向板或井字梁楼盖。,第三章 多层框架结构设计,横向布置,第三章 多层框架结构设计,第三章 多层框架结构设计,第三章 多层框架结构设计,1.框架梁,框架梁截面尺寸估算,l0 梁的计算跨度;hb 梁的截面高度;bb 梁的截面宽度。,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,为了防止梁发生剪切脆性破坏,hb不宜大于1/4净跨。,为了保证梁的侧向稳定性,梁截面的高宽比(hb/bb)不宜大于4。,梁净跨与截面高度之比不宜小于
5、4,梁的截面宽度不宜小于200mm,3.1.2 框架结构梁柱截面尺寸及计算简图,第三章 多层框架结构设计,为了降低楼层高度,可将梁设计成宽度较大而高度较小的扁梁,扁梁的截面高度可按(1/251/18)lb估算。扁梁的截面宽度b(肋宽)与其高度h的比值b/h不宜超过3。,第三章 多层框架结构设计,框架梁线刚度,第三章 多层框架结构设计,表1 框架梁惯性矩取值,注:I0为梁按矩形截面计算的惯性矩,。,第三章 多层框架结构设计,梁截面惯性矩 在结构内力与位移计算中,与梁一起现浇的楼板可作为框架梁的翼缘,每一侧翼缘的有效宽度可取至板厚的6倍;装配整体式楼面视其整体性可取等于或小于6倍;无现浇面层的装配
6、式楼面,楼板的作用不予考虑。设计中,为简化计算,也可按下式近似确定梁截面惯性矩I:,第三章 多层框架结构设计,多层建筑:,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250 mm,抗震时不宜小于300mm,圆柱的截面直径不宜小于350 mm,剪跨比宜大于2,截面的高宽比不宜大于3,为避免柱产生剪切破坏,柱净高与截面长边之比宜大于4,第三章 多层框架结构设计,高层建筑:,N=(1.11.2)Nv,N 柱中轴向力。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。可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1214
7、 kN/m2进行计算。fc 混凝土轴心抗压强度设计值。,第三章 多层框架结构设计,Ec 混凝土弹性模量;I 框架柱截面惯性矩。,框架柱线刚度,第三章 多层框架结构设计,3.框架计算简图,框架结构的计算单元及计算模型,第三章 多层框架结构设计,计算单元的选取,第三章 多层框架结构设计,第三章 多层框架结构设计,变截面柱或者具有悬挑部分时框架结构的计算简图,第三章 多层框架结构设计,3.2,框架内力分析,2.竖向荷载作用下框架结构的受力特点,1)竖向荷载作用下,框架结构的侧移较小,若不计侧移,即按照无侧移计算,对框架结构的内力影响不大;2)当整个框架仅在某一层横梁上受有竖向荷载时,则直接承受荷载的
8、框架梁及与之相连的上下层框架柱端的弯矩较大,其他各层梁柱的弯矩均很小,且距离直接承受荷载的框架梁越远,框架梁柱的弯矩越小。,1.竖向荷载作用下框架结构的内力计算方法,3.2.1竖向荷载作用下内力近似计算分层法,第三章 多层框架结构设计,3.分层法的基本假定及计算简图,在竖向荷载作用下,框架结构的侧移忽略不计,则按节点无侧移进行内力计算;每层梁上的荷载只在本层梁及与其相连的上、下层柱产生弯矩,不在其余层梁和其余层柱上产生弯矩。,根据以上假定,多、高层框架可分层作为若干个彼此互不关联的且柱端为完全固定的简单刚架近似计算。简单刚架可用弯矩分配法计算。,第三章 多层框架结构设计,第三章 多层框架结构设
9、计,第三章 多层框架结构设计,第三章 多层框架结构设计,(3)如用弯矩分配法计算各敞口框架的杆端弯矩,在计算每个节点周围各杆件的弯矩分配系数时,应采用修正后的柱线刚度计算;并且底层柱和各层梁的传递系数均取1/2,其他各层柱的传递系数改用1/3。,第三章 多层框架结构设计,5.分层法的计算步骤,(1)画出分层框架计算简图。(2)计算框架梁柱的线刚度,注意除底层柱外的其余各层柱线刚度应乘以折减系数0.9。(3)用无侧移框架的计算方法(如弯矩分配法)计算各敞口框架的杆端弯矩。(4)确定框架的梁、柱端最终弯矩:框架梁端弯矩和底层柱端弯矩即为其最后的弯矩值;而其余各层柱属于上、下两层,所以每一柱端的最终
10、弯矩值需将上、下层计算所得的弯矩值相加。在上、下层柱端弯矩值相加后,将引起新的节点不平衡弯矩,如果其值偏大,可将这些节点不平衡弯矩反号后在近端再作一次弯矩分配,此时除对底层各柱支承端外,其余梁柱均不作传递。(5)在杆端弯矩求出后,可用静力平衡条件计算梁端剪力及梁跨中弯矩;由逐层叠加柱上的竖向荷载(包括节点集中力、柱自重等)和与之相连的梁端剪力,即得柱的轴力。,第三章 多层框架结构设计,6.有关分层法计算竖向荷载作用下框架内力的两个问题思考,(1)在用分层法分析竖向荷载作用下的框架内力时,框架梁与框架柱的内力分别主要由什么荷载产生?(2)框架梁线刚度与框架柱线刚度的比值大小对分层法的计算结果有何
11、影响?,第三章 多层框架结构设计,(1)画出结构计算简图,并标明荷载及轴线尺寸;(2)按规定计算梁、柱的线刚度和相对线刚度,除底层柱外,其余各层柱的线刚度遍乘0.9的折减系数;(3)用弯矩分配法自上而下分层计算各计算单元的杆端弯矩;(4)叠加柱端弯矩,得出最后杆端弯矩。如节点弯矩不平衡值较大,可在节点重新分配一次。(5)根据静力平衡条件绘出框架的内力图。,例题、计算步骤,【例3.1】如下图所示一个两层两跨框架,用分层法作框架的弯矩图,括号内数字表示每根杆线刚度的相对值。,【解】(1)画出结构计算简图(2)按规定计算梁、柱的线刚度和相对线刚度,除底层柱外,其余各层柱的线刚度遍乘0.9的折减系数,
12、例3.1底层计算单元,例3.1底层计算单元,(3)用弯矩分配法自上而下分层计算各计算单元的杆端弯矩,1/3,1/3,1/3,1/2,1/2,1/2,M图(单位:kNm),(4)叠加柱端弯矩,得出最后杆端弯矩。如节点弯矩不平衡值较大,可在节点重新分配一次。(5)根据静力平衡条件绘出框架的内力图。,5.579,5.3,5.3,5.3,水平荷载作用作用下框架结构的受力与变形特点(1)框架梁、柱的弯矩均为线性分布,且每跨梁及每根柱均有一零弯矩点即反弯点存在;(2)框架每一根柱的总剪力(称层间剪力)及单根柱的剪力均为常数;(3)若不考虑梁、柱轴向变形及框架侧移的影响,则同层各框架节点的水平侧移相等;(4
13、)除底层柱底为固端外,其余杆端(或节点)既有水平侧移又有转角变形,节点转角随梁柱线刚度比的增大而减小。,3.2.2水平荷载下内力近似计算反弯点法,第三章 多层框架结构设计,5.3,5.3,5.3,水平荷载作用下框架结构的内力和侧移可用结构力学方法计算,常用的近似算法有反弯点法、D值法和迭代法等。,反弯点法,基本原理:反弯点法的基本概念:水平荷载的作用可以简化为框架受节点水平集中作用,如求出各柱反弯点出的剪力及反弯点位置,即可得到框架柱端内力,这种方法即反弯点法。适用于梁柱线刚度比不小于3的框架结构;(K=ib/ic3)常用于初步设计中估算梁和柱在水平荷载作用下的弯矩值。,第三章 多层框架结构设
14、计,基本假定:在进行各柱间的剪力分配时,认为梁与柱的刚度比为无限大,同层柱端的侧移相等。(该假定只有在梁柱线刚度比大于等于5或大于等于3时才成立)在确定各柱的反弯点位置时,认为除底层柱以外的其余各层柱受力后上下两端的转角相等;梁端弯矩可由节点平衡条件根据梁的线刚度比例求出。,第三章 多层框架结构设计,(1)反弯点位置 弯矩为零的点(反弯点)的位置按下图取值(以EI梁=为前提)。,左图反弯点高度为定值的假定,当框架结构布置比较规则均匀、层高和跨度变化不大,层数不多时,才可以应用。,第三章 多层框架结构设计,(2)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。柱的抗侧移刚度为:,EIc
15、i 第i根柱的刚度;hi 第i根柱的柱高。,第三章 多层框架结构设计,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:,第三章 多层框架结构设计,第二层,各柱的剪力为:,第三章 多层框架结构设计,第一层,各柱的剪力为:,第三章 多层框架结构设计,(3)弯矩图绘制 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:,第三章 多层框架结构设计,中节点:,第三章 多层框架结构设计,【例3.2】用反弯点法求下图所示框架的弯矩图。图中括号内数字为各杆的相对线刚度。,【解】(1)计算柱的剪力当同层各柱h相等时
16、,各柱剪力可直接按其线刚度分配。第3层(符号说明:剪力、弯矩均以顺时针方向为正)P=10kN VAD=1.510/(1.5+2+1)=3.33kN VBE=4.45kN VCF=2.22kN第2层:第1层:P=10+19=29kN P=10+19+22=51kN VDG=9.67kN VGJ=17kN VEH=12.89kN VHK=20.4kN VFI=6.44kN VIL=13.6kN,(2)计算柱端弯矩第3层 第2层MAD=MDA=6.66kNm MDG=MGD=24.18kNm MBE=MEB=8.9kNm MEH=MHE=32.23kNm MCF=MFC=4.44kNm MFI=MI
17、F=16.1kNm 第1层MGJ=34kNmMJG=68kNmMHK=40.8kNmMKH=81.6kNmMIL=27.2kNmMLI=54.4kNm,(3)根据节点平衡条件算出梁端弯矩第3层 第2层 MAB=MAD=6.66kNm MDE=30.84kNm MBA=3.42kNm MED=15.82kNm MBC=5.48kNm MEF=25.31kNm MCB=MCF=4.44kNm MFE=20.54kNm 第1层MGH=58.18kNm MHG=28.09kNmMHI=44.94kNmMIH=MIF+MIL=16.1+27.2=43.3kNm根据以上结果,画出M图如图12.19所示。,
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