4多层框架结构设计..ppt
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1、4框架结构设计,结构设计,结构布置,计算模型,荷载分析,内力计算,截面设计,构造要求,变形验算,内力与位移计算的一般原则,计算的基本假定: 一、高层建筑结构按照弹性方法计算,一般不考虑塑性变形影响 非抗震设计:在竖向荷载和风荷载作用下,结构构件处于弹性工作阶段 抗震设计:针对多遇地震作用,结构处于不裂的弹性阶段 注明:对于弹性计算内力较大的构件,截面配筋困难时,可以考虑塑性重分布,大震不倒的要求主要靠构造措施保证,二、荷载分配考虑位移协调条件 高层楼板平面内刚度很大,几乎不变形,同层各构件水平位移相同,框架结构的各片框架的水平力可以按照抗侧刚度分配,剪力墙结构中各片剪力墙的水平力大致按照等效刚
2、度分配 楼板平面外刚度不考虑,要满足楼板刚度无限大的计算假定,楼面构造要保证楼板刚度无限大现浇楼盖,一片框架或剪力墙在自身平面内刚度很大,可以抵抗在本身平面内的侧向力; 而在平面外的刚度很小,可忽略,即垂直该平面的方向不能抵抗侧向力 整个结构可分不同方向的平面抗侧力结构,共同抵抗结构承受的水平荷载 刚性楼板将各平面抗侧力结构连接在一起共同承受水平荷载,4.1框架结构布置,一、 结构布置 柱网布置和框架梁布置 1 柱网布置,柱网尺寸不宜大于10mx10m,抗震设防时不宜考虑单跨框架,2 框架梁布置,双向承重:由于高层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。,1 框架
3、梁截面尺寸估算 框架结构的主梁截面高度 且不宜大于1/4净跨; 且不小于400mm 截面宽度不宜小于1/4hb, 且不宜小于200mm。,二、 框架梁、柱截面尺寸估算,2 梁的抗弯刚度,梁应考虑楼板的作用,当采用现浇楼盖时楼板可作为框架的翼缘,按T形截面计算其惯性矩。 1)翼缘有效宽度为梁每侧6倍板厚,然后按T型或倒L型计算惯性矩。 2)工程中为简化计算,可按下式计算梁的惯性矩:,I0 梁矩形部分的惯性矩。,3 框架柱截面尺寸估算 框架柱宜采用正方形或接近正方形的矩形,两个主轴方向的刚度相差不宜过多。 框架柱的截面边长,矩形柱,非抗震250mm 抗震300mm,园形直径350mm,柱净高与截面
4、长边之比宜大于4。,高规要求剪跨比,矩形截面长短边之比不宜超过3。,在初步设计时,柱截面尺寸可按轴压比确定。,0.65 (一级) 0.75 (二级) 0.85 (三级) 1.0(四级或非抗震),轴压比为,(一三级),(四级或非抗震),框架在竖向荷载作用下的轴力估算值。,柱支撑的楼板面积楼层数(1214)1.25,轴压比限值,轴力设计值,一、计算单元 框架结构为空间结构,应取整体结构为计算单元,按空间框架进行内力及位移的计算,但对平面布置比较规则,柱距及跨度相差不多的框架结构,计算中可将空间框架简化为平面框架,在各榀框架中,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
5、荷载。,4.2计算单元及计算简图,计算软件: PK TAT SATWE SAP2000 ANSYS ETABS,可以抵抗在本身平面内的侧向力,平面外的刚度很小,可忽略,在自身平面内的刚度很大,平面外刚度很小,可以忽略,计算图形的简化 简化计算方法或手算:高层建筑可以划分为若干平面结构,(1)总水平荷载在各片平面抗侧力结构间的分配按刚度和变形分配 (2)计算每片平面抗侧力结构分到的水平作用下的内力和位移,二、计算简图 计算简图是由计算模型及其作用在其中的荷载共同构成的。框架结构的计算模型是由梁柱的截面几何轴线确定的,框架柱在其顶面按固结考虑。,4框架梁为有加腋的变截面梁时, 如Iend/Imid
6、4或hend/hmid 1.6时,可不考虑加腋的 影响。,1当上下柱截面发生改变时,取截面小的形心线进行分析,2当框架梁的坡度 时,可近似按水平梁计算,3当梁跨度相差小于10%时, 可近似按等跨计算,Iend 和hend为加腋最高截面的惯性矩和梁高 Imid 和hmid为跨中等截面的惯性矩和梁高,4.3框架结构内力和侧移计算,力法、位移法、力矩分配法,一、框架在竖向荷载作用下的近似计算方法分层法,1 基本假定: 1)框架在竖向荷载作用下,结点侧移忽略不计; 2)每层梁上的荷载对其他各层梁内力的影响忽略不计。,4)计算和确定梁、柱分配系数和传递系数 开口框架的支座设为固定端与实际不符。为消除由此
7、带来的误差,除底层外,其它各层柱的线刚度均乘以 0.9,并取柱的弯矩传递系数为1/3。,2 计算要点:,3)计算各层梁上竖向荷载值和梁固端弯矩,1)将框架分层,各层梁跨度和柱高与原结构相同,柱端假定为固结,2)计算梁、柱线刚度,5)分层后,各开口框架的内力可由弯矩分配法计算。 最终弯矩取法为: 框架梁的最终弯矩即为各开口框架算得的弯矩; 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。 6)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。,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,-13.13,
8、8.77,4.38,13.13,-7.32,7.32,-6.32,-3.16,-2.48,-3.32,-1.23,-1.24,-1.66,0.83,4.36,-1.0,0.41,0.42,1.43,0.23,0.72,-0.40,-0.54,-0.20,-4.77,15.05,-13.62,0.77,4.77,-0.77,1.59,-0.26,-1.43,-0.48,二、 水平荷载下的近似计算,水平荷载:风荷载、地震作用,框架弯矩图是直线分布的,求内力的关键:,每根柱都有一个零弯矩点,称为反弯点,1反弯点的位置,2柱的剪力,(一)水平荷载下的近似计算反弯点法,1基本假定:,1)梁的线刚度比柱的
9、线刚度大得多时,即 可近似认为结点无转角,2)如不考虑轴向变形的影响,由楼板刚性假设,则同一层的各结点水平位移相等,侧移刚度d的物理意义是柱上下两端相对有单位侧移时柱中产生的剪力。,柱的反弯点高度位于距柱底1/2处,ui为剪力分配系数; di为第j层第i根柱的侧移刚度, 为第j层各柱侧移刚度的总和; Vp为第j层的层剪力,即第j层以上所有本层荷载总和; Vi为第j层第i根柱的剪力。,对于底层柱,由于底端固定而上端有转角,反弯点向上移,通常假定反弯点在距底端2/3h处。,(1)计算各柱侧移刚度、把该层总剪力分配到每个柱。 (2)根据各柱分配到的剪力及反弯点位置,计算柱端弯矩。 上层柱:上下端弯矩
10、相等 底层柱: 上端弯矩 下端弯矩,反弯点法的计算步骤:(梁柱线刚度之比值大于3),(3)根据结点平衡计算梁端弯矩,(4)由梁两端的弯矩,以梁为隔离体根据梁的平衡条件,可求出梁的剪力。,(5)由梁的剪力,根据结点的平衡条件, 自上而下逐层叠加节点左右的两端剪力,即可得到柱内轴力。,习题:用反弯点法计算图所示的三层等跨框架(层高为3.6m,跨度为5m)的剪力和弯矩,并绘出弯矩图,图中括号中的数据为假定弹性模量为单位1时的梁柱线刚度。,对于层数较多的框架,由于柱轴力大,柱截面也随着增大,梁柱相对线刚度比较接近,甚至有时柱的线刚度反而比梁大,这样,上述假设将产生较大误差。另外,反弯点法计算反弯点高度
11、时,假设柱上下结点转角相等,这样误差也较大,特别在最上和最下数层。,日本武藤清在分析多层框架的受力特点和变形特点的基础上,对框架在水平荷载作用下的计算,提出了修正柱的侧移刚度和调整反弯点高度的方法,修正后的柱侧移刚度用D表示,故称为D值法。,优点: 1、计算步骤与反弯点法相同,计算简便实用。 2、计算精度比反弯点法高。 缺点: 1、忽略柱的轴向变形,随结构高度增大,误差增大。 2、非规则框架中使用效果不好。,梁柱线刚度之比值小于3,柱的反弯点高度随梁柱线刚度比、该柱所在楼层位置、上下层梁线刚度比、上下层层高不同而不同,(二)水平荷载作用下的改进反弯点法D值法(梁柱线刚度比较小),侧移刚度影响系
12、数,假定: 1、上下层高相等 2、各跨相等 3、各层梁柱的线刚度不改变 因此:各层层间位移相等;各层梁、柱转角相等。,水平荷载作用下的改进反弯点法D值法,柱侧移刚度D的确定,基本假定 1)柱12以及与柱12相邻各端的转角均为 2)柱12以及与柱12上下相邻两柱的线刚度均为,柱12的变形=,侧移引起,+结点转角引起,上部各层柱,i1,i3,i2,i4,3,2,1,ic,ic,ic,3,h,h,h,2,1,与柱相连的梁平均线刚度,1,2,K为标准框架梁柱的刚度比; 值表示梁柱刚度比对柱侧移刚度的影响。当K值无限大时,所得D值与d值相等;当K值较小时, 1,D值小于d值,因此,称为柱侧移刚度修正系数
13、,影响柱端约束刚度的主要因素: 结构总层数、该层所在的位置 梁柱线刚度比 荷载形式 上层与下层梁刚度比 上、下层层高刚度比,反弯点计算方法 标准反弯点高度比: (反弯点到柱下端距离与柱全高的比值) 条件:同层高、同跨度、各层梁和柱线刚度不变,在水平荷载作用下求得的反弯点高度比。 查表:根据不同荷载查不同表,由总层数n、该层在位置j、梁柱线刚度比K标准反弯点高度比,P,P,上下梁刚度变化时的反弯点高度比修正值 当 时, 令 , 由 、K表y1,取正值, 反弯点向上移 当 时, 令 , 由 、K表y1,取负值, 反弯点向下移 说明:底层柱,不考虑y1修正,上下层高度变化时的反弯点高度比修正值,令上
14、层层高/本层层高h上/h 1y2为正值,反弯点上移 1y2为负值,反弯点下移 说明:顶层柱不考虑y2修正,上下层高度变化时的反弯点高度比修正值y3 令下层层高/本层层高h上/h y3 1y3为负值,反弯点下移 1y3为正值,反弯点上移 说明:底层柱不考虑y3修正 柱反弯点高度比:,修正反弯点法D值法,D值,反弯点高度,与梁柱刚度比有关的系数,标准反弯点高度(梁柱线刚度比、总层数、层次、侧向荷载形式),上、下层梁柱线刚度不同时的反弯点高度修正值,上层层高与本层不同时的反弯点高度修正值,下层层高与本层不同时的反弯点高度修正值,例题:用D值法求图示框架内力(M、V、N图)。,求柱剪力:,求反弯点高度
15、比y:,求柱端弯矩:,(弯矩单位:KN-m),(弯矩单位:KN-m), 4.4水平荷载作用下侧移的近似计算,梁柱弯曲变形产生的侧移,(1)剪切型变形 (2)弯曲型变形,柱轴向变形产生的侧移,悬臂柱 剪切变形,悬臂柱 弯曲变形,框架总变形梁柱弯曲变形侧移柱轴向变形侧移,特点:底层层间侧移最大, 向上逐渐减小,特点:顶层层间侧移最大, 向下逐渐减小,1、梁柱弯曲变形产生的侧移 由抗侧刚度D值的物理意义: 单位层间侧移所需的层剪力, 可得层间侧移公式:,顶点侧移公式: 所有层层间侧移之总和,2、柱轴向变形产生的侧移 随着高层框架的高度增加,柱轴向变形产生的侧移占的比例增大,不容忽视水平荷载作用下,只
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