《多层框架结构设计》课件.ppt
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1、多层框架结构设计PPT课件5.成绩评定方式 课程成绩由四项构成,即:课程作业、阶段测试、集中考试、平时成绩(含课堂讨论、辅导答疑、出勤情况)。各项成绩均以百分制评定,所占比例分别为:课程作业10%,阶段测试10%、集中考试70%、平时成绩10%。如学生未参加上述四项中的某一项或某几项的学习或考核,则对应项的成绩以零分计。课程作业成绩:在教学过程中,布置不少于2次课程作业,并以各次作业成绩的算术平均值为本项成绩。阶段测试:在教学过程中,分阶段进行不少于1次随堂测试,并以各次随堂 测试成绩的算术平均值为本项成绩。集中考试:在授课结束后,进行一次闭卷考试,该次考试的成绩即为本项成绩。平时成绩:在授课
2、过程中,对课堂讨论、辅导答疑、出勤情况进行考核,考核次数共计不少于5次,学生如缺席某次考核,当次考核成绩以百分制的零分计。1.1.多层框架结构设计框架结构工程示例.1 框架结构组成和布置1 组成u 框架结构主要由梁、柱(有时会有少量的剪力墙)和框架间填充墙组成。u 由于建筑纵横两个方向都承受较大水平力,因此,在纵横两个方向都应按框架设计。u 按施工方法框架结构有现浇式、装配式和装配整体式三种。(1)柱网布置u 柱网布置要满足生产工艺(厂房)、建筑功能的要求;u 柱网尽量对称、规则、均匀;u 柱网布置使结构受力合理;u 柱网布置应方便施工。2 布置(2)承重框架的布置(结构承重方案)横向框架承重
3、方案纵向框架承重方案双向框架承重方案(3)变形缝的设置u 伸缩缝:伸缩缝的最大间距u 沉降缝:当上部荷载或地基土力学指标相差较多时,结构通高设置,缝两侧相邻单元可以自由沉降。伸缩缝和沉降缝宽不宜小于50mm.u 防震缝:可以使体型复杂、平立面特别不规则的建筑,形成多个较规则的单元。v框架 当H15m时,=100mm 设防烈度为 6 7 8 9度 H每增加 5m 4m 3m 2m 防震缝宽度增加20mmv框架-剪力墙,缝宽为框架的70%v剪力墙,缝宽为框架的50%v缝宽均应70mm防震缝的最小宽度 防震缝的最小宽度是根据地震中缝两侧的房屋不发生碰撞的条件确定的。u H按缝两侧较低的房屋高度确定;
4、u 当缝两侧结构体系不同时,防震缝宽度按不利体系考虑。u 在地震区,当高层建筑设有伸缩缝或沉降缝时,其缝宽应按防震缝宽度确定。u 通过调节建筑平面、尺寸、体型,结构节点连接方式、配筋,设置后浇带、膨胀加强带、分段施工、加强保温隔热等措施,尽量少设缝或不设缝。.框架结构内力和水平位移的近似计算方法1.2.1计算单元及计算简图1.计算单元 u 框架结构为空间结构,应取整体结构为计算单元u 对平面布置比较规则的框架结构,计算中可将空间框架简化为平面框架u 选出一榀或几榀有代表性的平面框架作为计算单元,每榀框架按其负荷面积承担荷载。平面框架计算单元的选取2.计算简图u 框架梁的跨度取柱子轴线间距离,当
5、柱截面变化时,取最小柱截面形心线间距离;u 柱长取建筑层高,底层算至基础顶;u 当有加腋梁时,若Im/I4或hm/h1.6,则不考虑支托影响;u 考虑楼板作用,梁刚度(惯性矩)乘放大系数。框架结构计算简图示意恒荷载竖向活荷载风荷载地震作用4.荷载计算 (1)楼、屋面恒载 按结构构件尺寸乘以材料容重标准值,得到面荷载(kN/m2)、线荷载(kN/m)和集中荷载值(kN).(2)楼屋面活荷载 根据建筑不同的使用功能查荷载规范。(4)水平地震作用 底部剪力法、振型分解反应谱法、弹性时程分析方法.0kzzsww z(3)风荷载 计算方法同单层厂房 风振系数;z 风压高度变化系数;s 体型系数;0w 基
6、本风压;323212212323222212612664621261266264ABABBABAEIEIEIEIllllVEIEIEIEIMllllVEIEIEIEIllllMEIEIEIEIllll12EIil 则1226612ABBAiVViilll 1212642624ABBAMiiilMiiil令1.2.2 框架结构的内力及侧移计算 准备的力学基础知识AB12lEIABMBAMABVBAV212iMMACMABMBAAB C111i1142ABBAMiMi24ACMiABACMMM11122212124444441ABACiMMMiiiMMMii弯矩传递系数1/21 框架在竖向荷载作用
7、下的近似计算方法分层法假定:(1)框架在竖向荷载作用下,结构无水平位移;(2)楼层竖向荷载只对本层框架梁及相连柱产生内力。弯矩分配法以角位移为对像,多层和高层框架结构角位移数量多,计算量大。分层法计算框架内力u 两项计算误差修正措施:(1)除底层外,其它各层柱的线刚度均乘以 0.9,(2)取柱的弯矩传递系数为1/3。u 分层后,各开口框架的内力可由弯矩分配法计算。u 框架柱的弯矩由上下两相邻开口框架同一柱的弯矩叠加而得。最后算得的各梁柱弯矩在节点处一般不平衡,但误差不大。如有需要,可将节点不平衡弯矩再分配一次。弯矩分配法计算各开口框架内力MlMrVblVbr梁剪力计算lrbnMMVVLbV横向
8、荷载作用下简支梁端剪力 自上而下逐层叠加节点左右的梁端剪力和本层柱集中力。柱轴力计算例题:用分层法计算下图所示框架的弯矩图,括号内的数字表示每根杆件的线刚度 i=EI/l分层后的开口框架:ii)(lEIi 弯矩分配法的计算步骤:(1)、计算分配系数(2)、计算固端弯矩(3)、分配节点不平衡弯矩:首先分配有较大不平衡弯矩的节点,待各杆不平衡弯矩小到可以忽略不计时,即可停止进行。(4)、各杆端的最终弯矩:即为各杆端的固端弯矩、分配弯矩及传递弯矩的代数和。668.063.779.363.7GH332.063.779.379.3GD353.021.1063.779.363.7HG175.021.106
9、3.779.379.3HE472.021.1063.779.321.10HI864.061.121.1021.10IH136.061.121.1061.1IF分配系数:-13.1313.13-7.327.32m-kN13.13125.78.212qM22GHlm-kN13.1312qM2HGlm-kN32.7MHIm-kN32.7MIH固端弯矩:-13.138.774.3813.13-7.327.32-6.32-3.16-2.48-3.32-1.23-1.24-1.660.834.36-1.00.410.421.430.230.72-0.40-0.54-0.20-4.7715.05-13.62
10、0.774.77-0.771.59-0.26-1.43-0.48(单位:kN-m)2 框架在水平荷载作用下的内力近似计算反弯点法FFF(1)反弯点法的基本假定:(对层数不多,梁柱线刚度比3的框架)1)假定框架梁刚度无限大,即各杆端无转角,且同一层具有相同的水平位移;2)底层柱的反弯点在距柱底2/3h处,其它各层柱的反弯点在1/2h处;3)节点不平衡弯矩按节点两则梁线刚度比例进行分配。(2)柱剪力与位移的关系:(3)各柱剪力值的确定:3hVM上32hVM下(4)计算步骤:1)求出框架中各柱的剪力;2)取底层柱的反弯点在距柱底2/3h处,其它各层柱的反弯点在1/2h处。3)求柱端弯矩:2hVM底层
11、柱下端其余各层柱上下端底层柱上端右右左左 4)求梁端弯矩:边跨外边缘处的梁端弯矩下上MMM中间支座处的梁端弯矩右左左下上左)(iiiMMM右左右下上右)(iiiMMM右右左左3 框架在水平荷载作用下的内力近似计算方法D值法 D值法又称改进反弯点法。当柱截面较大,梁柱线刚度比较小时,若采用反弯点法误差较大。D值法主要针对柱的抗侧移刚度及反弯点位置进行改进,以求得较准确的内力解。AEGBFHDCJLMiiii1i2i3i4i5i6hjjjuEFBACDjuh框架结构梁柱单元变形(1)改进后的柱抗侧移刚度D:对节点A建立力矩平衡条件34344()2()6()0cccccciiiiiiiiii对节点B
12、建立力矩平衡条件12124()2()6()0cccccciiiiiiiiii以上两式相加得1234222jcjuiiiiKKih22121222ccjkjjjjjjiiVuhuhhhK柱剪力为2122cjkjjiKVuhK令2cKK则212cjkcjjiVuh修正后的抗侧刚度212cjkcjiDh式中柱侧移刚度修正系数(又称节点转动影响系数);ci柱的线刚度;jh层高。与反弯点法的抗侧移刚度相比,可知D值法在计算柱的侧移刚度时考虑了节点转动带来的影响,因此提高了计算精度。c(2)柱的反弯点高度框架柱的反弯点高度 可由下式计算:hyyyyyho)(321yhyoy反弯点高度比;标准反弯点高度比,
13、按教材附表10.1或表10.2查用;(查表所需参数:梁柱线刚度比K、总层数n及柱所在楼层j)1y、32yy考虑上下层梁刚度不同时,反弯点向横梁刚度较小的一侧偏移,y1为对反弯点高度比的修正值,按教材表10.3查用;分别为考虑上下层层高变化时反弯点高度比的修正值,上层层高增加,反弯点上移;下层层高减小,反弯点上移。按教材表10.4查用。(查表所需参数:上下层梁线刚度比I、梁柱线刚度比K)(查表所需参数:上下层层高比a、梁柱线刚度比K)底层01y顶层02y底层03y(3)D(3)D值法计算步骤 当按上述1 1、2 2中的方法求出各柱的D D值及反弯点高度yhyh之后,框架的内力计算步骤为:FDDV
14、ii 2)内力计算步骤同反弯点法。iDDF第i根柱的D值;第i根柱所在楼层所有柱的D值之和;第i根柱所在楼层以上所有水平力之和。式中1)各柱的剪力例题:用D D值法求图示框架内力(M M、V V、N N图)。1cbii44.0311233.02DkNV84.21055.144.067.031125.02DkNV32.41055.167.044.0311233.02DkNV84.21055.144.055.1D求柱剪力:11211K2121111K11211K33.0121c5.0222c33.0121c44.0311233.02DkNV84.21055.144.067.031125.02DkN
15、V32.41055.167.044.0311233.02DkNV84.21055.144.0kNV22.93018.267.067.031125.02D84.0311263.02DkNV56.113018.284.067.031125.02DkNV22.93018.267.055.1D18.2D求柱剪力:11211K2121111K11211K33.0121c5.0222c33.0121c111K5.01215.0c2111K63.02225.0c111K5.01215.0c求反弯点高度比y:1K求反弯点高度比y:4.00y1K1111底层01y02 y顶层1333求反弯点高度比y:4.010
16、yK01y1111顶层02y底层03y02 y顶层01111111y02 y顶层013333y45.0y4.0y03y4.0y01y 底层6.0y013322y03y 底层01y 底层013322y03y 底层55.0y6.0y求反弯点高度比y:4.010yK45.020yK6.010yK55.020yK01y1111133311.530.4-184.2)(上M13.730.45-132.4)(上M11.5上M41.330.484.2下M83.530.4532.4下M41.3下M1.1130.6-122.9)(上M6.1530.55-156.11)(上M1.11上M6.1630.622.9下M
17、1.1930.5556.11下M6.16下M求柱端弯矩:(弯矩单位:KN-m)(弯矩单位:KN-m)弯矩图:4 框架结构水平位移计算 uM可由值D法求得,即mjjMuu1DVujj式中.;值之和层所有柱的第层的楼层剪力第层的层间位移框架第DjDjVjujj jeuh 1 550e5 框架结构考虑P-效应的增大系数法 nsssMMMM考虑P-效应梁、柱端弯矩设计值nsM不引起框架侧移的荷载按一阶弹性分析得到的柱端、梁端弯矩设计值sM引起框架侧移的荷载按一阶弹性分析得到的柱端、梁端弯矩设计值sP-效应增大系数jsjsuuju考虑P-效应j层层侧移;jsu一阶弹性分析j层层侧移同一楼层中所有的柱上、
18、下端均采用同一个增大系数,楼层j的增大系数为1111smjkkmjkjkND h式中1mjkkN楼层j中所有m个柱子轴力设计值之和1mjkkD楼层j中所有m个柱侧向刚度之和,计算弯矩增大系数时,梁弹性刚度EI乘折减系数0.4,柱乘折减系数0.6;计算位移时,刚度不折减。梁柱123上下1.3 框架结构的内力组合及调幅1.3.1、控制截面及最不利内力1、3截面负弯矩及剪力大;2截面正弯矩大。上下两端截面柱弯矩大。支座处弯矩取值1.控制截面支座处剪力取值2 荷载效应及地震作用效应组合 (1)无地震时,荷载效应组合(2)有地震时,荷载效应与地震作用效应组合 在针对控制截面进行内力组合时,应有目的的找出
19、最不利内力,各控制截面的最不利内力如下:maxmaxVM及梁跨中maxM柱端VNMmax、及相应的VNMmax、及相应的VMNmax、及相应的VMNmin、及相应的3.最不利内力梁端1.3.2 竖向活荷载的最不利布置 1.分跨计算组合法 荷载逐层逐跨布置,组合出最不利内力。计算工作量大,适于电脑计算。2.最不利荷载位置法 用影响线的方式判断所求截面最大内力时荷载的布置方式。3.分层组合法u梁:仅考虑本层活载的影响,计算方法同连续梁活载最不利布置;u柱弯矩:仅考虑相邻上下层活载的影响;u柱轴力:考虑以上各层相邻范围满布活载。4.满布荷载法 当活载产生内力较小时,可考虑活载满布,对梁跨中弯矩乘以1
20、.11.2的增大系数。1.3.3、梁端内力调幅调幅目的:1)由于支座弯矩较大,经调幅后,可使其配筋不致过多、便于施工;2)由于梁端不是绝对刚性,尤其是装配整体式框架,会有相对角变。u 调幅系数可取0.80.9,装配整体式框架可取0.70.8。u 支座弯矩调幅后,应按平衡条件计算调幅后的跨中弯矩,且要求跨中弯矩不小于按简支梁计算的跨中弯矩的1/2。u 应当仅对竖向荷载引起的梁端弯矩进行调幅,水平荷载引起的梁端弯矩不应进行调幅。u 梁内力调幅及弯矩放大均应在内力组合之前进行。1.4 无抗震设防要求时框架结构构件设计1.柱的计算长度l0楼盖类型柱的类别l0现浇楼盖底层柱1.0H其余各层柱1.25H装
21、配式楼盖底层柱1.25H其余各层柱1.5H2.框架节点的构造要求1)材料强度 现浇框架节点混凝土同柱,后浇装配框架节点强度比柱高5MPa2)节点区最小截面尺寸 00.35ccbsyf b hAf3)梁柱纵筋在节点区的锚固 1.5 框架结构抗震设计1.5.1、框架结构震害 1.结构层间有明显的薄弱楼层 2.框架梁、柱的震害 梁柱变形能力不足,构件过早发生破坏。一般是梁轻柱重,柱顶重于柱底,尤其是角柱和边柱。柱顶周围有水平裂缝、斜裂缝或交叉裂缝。重者混凝土压碎崩落,柱内箍筋拉断,纵筋压曲成灯笼状。(1)柱顶主要原因:节点处弯矩、剪力、轴力都较大,受力复杂,箍筋配置不足,锚固不好等。破坏不易修复。(
22、2)柱底与柱顶相似,震害相对柱顶较轻。(3)短柱 当柱高小于4倍柱截面高度(H/b4)时形成短柱。短柱刚度大,易产生剪切破坏。(4)角柱 由于双向受弯、受剪,加上扭转作用,震害比内柱重。(5)梁柱节点 节点核心区产生对角方向的斜裂缝或交叉斜裂缝,混凝土剪碎剥落。节点内箍筋很少或无箍筋时,柱纵向钢筋压曲外鼓。(6)框架梁 震害多发生于梁端。在地震作用下梁端纵向钢筋屈服,出现上下贯通的垂直裂缝和交叉裂缝。破坏的主要原因是梁端屈服后产生的剪力较大,超过了梁的受剪承载力,梁内箍筋配置较稀,以及反复荷载作用下混凝土抗剪强度降低等。3.抗震墙的震害 在强震作用下,抗震墙的震害主要表现在墙肢之间连梁的剪切破
23、坏。主要是由于连梁跨度小,高度大形成深梁,在反复荷载作用下形成X型剪切裂缝,为剪切型脆性破坏。4.填充墙的震害 填充墙与主体结构连接不牢固,导致墙体脱落振动台试验1.5.2 框架结构构件在低周反复水平力作用下的滞回性能 1.构件在罕遇地震作用下滞回曲线ABABABV左震作用下框架内力及构件受力图OAB右震作用下框架内力及构件受力图VO左震作用下框架内力及构件受力图右震作用下框架内力及构件受力图AOPL水平地震作用下构件受力性能模拟试验模型P:0P crP y加加0卸-P cr加-P y加0卸(完成一次循环加载)加P yP:0加yyy0卸-P y加加y0卸(完成二次循环加载)P yP:0y0-P
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