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1、第三章 多層和高層框架結(jié)構(gòu)設計,本章內(nèi)容 框架結(jié)構(gòu)的組成與布置 框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力與水平位移的近似 計算方法 內(nèi)力組合 框架梁柱設計要點,混凝土框架結(jié)構(gòu)的概念 高規(guī)將10層和10層以上或高度超過24米的鋼筋混凝土房屋，稱之為高層建筑。,3.1 概述,混凝土框架結(jié)構(gòu)的概念 框架結(jié)構(gòu),3.1 概述,現(xiàn)澆框架,,水平結(jié)構(gòu)體系：梁、板,豎向結(jié)構(gòu)體系：柱,橫向框架,縱向框架,問題：1、去掉樓板對梁柱內(nèi)力是否有影響？ 2、如何考慮樓板的影響？,2 結(jié)構(gòu)布置 柱網(wǎng)布置 原則：應滿足生產(chǎn)工藝要求；應滿足建筑平面布置要求； 受力合理，施工方便；經(jīng)濟合理。,3.1 概述,承重框架布置及特點：橫向框架承重方案
2、 縱向框架承重方案 縱橫向框架承重方案,承重框架布置及特點,橫向框架承重方案,特點： 改善橫向抗側(cè) 剛度小的缺點； 門窗洞口大，利 于采光和通風；,,,,,縱向框架承重方案,,,,承重框架布置及特點,特點： 室內(nèi)凈高大； 適應縱向的 不均勻沉降； 橫向抗側(cè)剛度 小；,承重框架布置及特點,雙向框架承重方案,特點： 整體性和受力 性好；,(3)截面尺寸的估算： 框架梁：,普通梁,寬扁梁,框架柱：,以上僅為估算尺寸，構(gòu)件尺寸是否滿足要求，要看其承載 力、裂縫、變形及結(jié)構(gòu)的整體變形等是否滿足。,3 框架結(jié)構(gòu)計算簡圖,不規(guī)整,規(guī)整,框架荷載圖,3 框架
3、結(jié)構(gòu)計算簡圖,,,框架位移圖,）計算單元的確定,現(xiàn)澆樓蓋時荷載的傳遞方式,橫向框架選有代表性的一榀； 縱向排架分別計算,） 計算簡圖簡化 i 梁柱桿件：用單線條代替。 ii 梁柱節(jié)點 ： 現(xiàn)澆框架（當梁柱受力筋穿過或錨入節(jié)點區(qū)） 剛節(jié)點。 裝配或裝配整體式按梁柱實際連接方式簡化為鉸或半鉸節(jié)點。,,,） 計算簡圖簡化,iii 柱與基礎(chǔ)的連接： 現(xiàn)澆柱般設計成固定支座。 預制柱杯形基礎(chǔ)按實際連接方式確定。,iv 跨度及層高的確定 梁的跨度即柱中心間的距離； 柱的高度： 底層：基頂至二層現(xiàn)澆樓板頂； 其它層：本層與上層現(xiàn)澆樓面間的高度。,,,,,荷載計算 豎向：豎向恒載、豎向活荷
4、載荷規(guī)； 水平：風荷載、地震荷載 簡化為作用 于框架節(jié)點的水平集中力。,,,,,三層框架結(jié)構(gòu)，一層柱高4.5米，二三層3.6米，樓面恒荷載：5kN/m2，無填充墻，忽略梁柱的自重。,,,,gk=5x4.5=22.5kN/m,,,,Gk=5x4.5X4.5/2=50.5kN,,,,,,,三層框架結(jié)構(gòu)，一層柱高4.5米，二三層3.6米，樓面恒荷載：5kN/m2，無填充墻。 忽略梁柱的自重，樓板按單向板，畫出所示框架的恒荷載作用下計算簡圖。,,三層框架結(jié)構(gòu)，一層柱高4.5米，二三層3.6米，樓面恒荷載：5kN/m2，活荷載： 2kN/m2，無填充墻。 忽略梁柱的自重，樓板按單向板，畫出所
5、示框架恒荷載作用下計算見圖。,風荷載標準值0.5kN/m2. F1k=0.5x4.5x(4.5+3)/2=8.44kN F2k=0.5x4.5x3.6=8.1kN F3k= 0.5x4.5x(3.6/2+0.6)=5.4kN,,,,,,,,,,,,,,5 豎向活荷載的最不利位置,考慮活荷載最不利位置的方法有四種： 逐跨布置法 即將活荷載逐層逐跨單獨作用于結(jié)構(gòu)上，分別計算出整個結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，對每根梁和柱的控制截面，不同的內(nèi)力種類，組合出其最不利值。 活荷載布置方式有（跨數(shù)*層數(shù)）種。 特點：準確性較高。但計算工作量大，適合機算。,,,,,,,,最不利荷載位置法 對桿件控制截面的最不利內(nèi)力，根據(jù)
6、影響線方法，直接確定出產(chǎn)生此最不利內(nèi)力的活荷載位置。然后對框架進行內(nèi)力分析。,如求Mc： 先畫Mc的影響線。,特點：求梁端和柱端最大彎矩的不利布置不易確定；計算量大。,分層布置法,分層布置法或分跨布置法 近似地將活荷載一層做一次布置或一跨做一次布置。,,,,分跨布置法,特點：計算量小，適于手算。,滿布荷載法 活載的內(nèi)力遠小于恒載的內(nèi)力時，忽略活荷載的不利位置，將活荷載滿布計算。 用于手算，q/g<1。,注意：此法求得的梁的跨中彎矩應乘以1.11.2的系數(shù)，支座彎矩不變。,6 框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力及水平位移的近似計算,近似計算方法的來歷： 手算時代的需要 電算時代的用途： 初設階
7、段估算用； 電算結(jié)果校核用。,現(xiàn)澆樓板對梁抗彎剛度的影響：,近似計算： 設按梁的純矩形截面計算的截面慣性矩為I0，則：,裝配整體式樓蓋： 中框架取 I=1.5 I0 邊框架取 I=1.2 I0 裝配式樓蓋： 按實際計算。,I0,現(xiàn)澆樓蓋： 中框架取 I=2 I0 邊框架取 I=1.5 I0,I0,,,,,,,,,,,,（1） 豎向荷載作用下的近似計算方法,常用的近似計算方法：分層法、迭代法、系數(shù)法等,1） 分層法,,荷載圖,彎矩圖,位移圖,i 基本假定 豎向荷載下框架無側(cè)移； 忽略每層梁上荷載對其它各層梁內(nèi)力的影響,將每層柱的上下端支座簡化為固定端。,,,,,,,,,柱端鉸結(jié),柱端固定,
8、柱端固定，柱剛度折減10,iii 用分層法計算簡圖所得內(nèi)力計算結(jié)果的誤差分析 誤差分析 誤差調(diào)整措施： 除底層柱外，其它各層柱的線剛度均乘以0.9； 除底層柱外，其它各層柱的彎矩傳遞系數(shù)均取1/3。,iv 分層法計算結(jié)果的處理： 分層計算所得的梁端彎矩即為框架梁的最后彎矩； 框架柱端彎矩應由相鄰兩個開口剛架所得的同位置 柱端彎矩疊加而得。 最后框架節(jié)點彎矩不平衡時，可對該結(jié)點不平衡彎 矩進行一次分配，但不傳遞。,,,,,2） 迭代法,逐漸逼近法。,,,考慮側(cè)移,不考慮側(cè)移,不考慮框架側(cè)移時 計算步驟： （1）繪出結(jié)構(gòu)的計算簡圖，在每個節(jié)點繪制兩個方框。 （2）計算匯交于每一節(jié)點的各桿件的轉(zhuǎn)
9、角分配系數(shù),（3）計算荷載作用下各桿端產(chǎn)生的固端彎矩 ，寫在相應的各桿端部，并求出匯交于每一節(jié)點的各桿固端彎矩之和 ，寫在該節(jié)點的內(nèi)框中。,（4）按公式3.6.3計算每一桿件的近端轉(zhuǎn)角彎矩,（5）按公式3.6.4計算每一桿端的最后彎矩值,（6）根據(jù)算得的各桿彎矩，做最后的彎矩圖，并求得相應的剪力圖和軸力圖。,可選擇任意節(jié)點開始（一般從不平衡彎矩值較大的節(jié)點開始），循環(huán)若干輪，一直到全部節(jié)點上的彎矩達到要求的精度為止。將每次算得的 值記在相應的桿端處。,不考慮側(cè)移的迭代法,-65.4,-89.1,89.1,-60.3,60.3,-53.3,-78.0,-44.9,11.1,7.0,-
10、0.294,-0.206,MikF=1/12pl2=1/12*29.71*62=89.1kNm,MikF=-89.1+23.7=-65.4kNm,ik=-iik/2iik=-0.7/(1.0+0.7)=-0.206,,,Mik=ik(MiF+Mki)=,-0.206 *(-65.4+0)=13.5kN,13.5,19.2,-3.6,-5.1,-3.6,4.8,-0.146 *(11.1+13.5)=-3.6kN,-0.185 *(-44.9+19.2)=4.8kN,3.4,4.8,-0.103 *(7.0+3.4-5.1)=0.5kN,-0.5,13.2,-0.206 *(-65.4-3.6+
11、4.8)=13.2kN,18.9,-2.5,-0.146 *(11.1+13.2-0.8-6.8)=-2.5,Mik=MikF+2Mik+Mki=,-89.1+2*13.2-2.5=-65.2kN,-65.2,0+2*18.9+3.6=41.4kN,41.4,（1）計算桿端彎矩，求不平衡彎矩。 （2）計算轉(zhuǎn)角分配系數(shù),（3）考慮遠端彎矩對不平衡彎矩進行分配迭代。 （4）迭代完成，計算桿端最終彎矩，畫彎矩圖。,-65.4,-89.1,89.1,-60.3,60.3,-53.3,-78.0,-44.9,11.1,7.0,-0.294,-0.147,-0.208,-0.185,-0.185,-0.1
12、47,-0.206,-0.130,-0.103,-0.103,-0.146,-0.146, 13.2, 18.9, -2.5, -2.5, -3.6, 2.6, 3.6,3.6 , -0.2, -0.2, -0.3,-0.3 ,-65.2,41.4,位移圖,荷載圖,位移圖,考慮側(cè)移的迭代法（自學）,3） 系數(shù)法（自學）,當框架結(jié)構(gòu)滿足一定條件時，可采用系數(shù)法計算 （1）兩相鄰跨的跨度相差不超過短跨的20%； （2）活載與恒載之比不大于3； （3）荷載均勻布置； （4）框架梁截面為矩形。,梁端彎矩下調(diào)的原因 現(xiàn)澆框架：(1)施工需要；(2)梁端出現(xiàn)塑性鉸是允許的。 裝配或裝配整體式框架：節(jié)點連接
13、本來就不是絕對剛性，實際彎矩小于按彈性方法的計算值。故應將按剛性節(jié)點計算值給于下調(diào)。 調(diào)幅方法： 調(diào)低梁端彎矩，同時校核跨中彎矩。,4) 豎向荷載作用下的梁端彎矩調(diào)幅,梁端彎矩調(diào)幅后，相應荷載下的跨中彎矩必將增加。應校核該梁的靜力平衡條件，即要求調(diào)幅后梁端彎矩MA、MB與跨中彎矩MC0之和應大于按簡支梁計算的跨中彎矩M0 。即滿足式：,現(xiàn)澆框架：=0.80.9 裝配式框架：=0.70.8,梁端彎矩調(diào)整幅度一般?。?注：彎矩調(diào)幅只對豎向荷載下的內(nèi)力進行。,節(jié)點水平荷載作用下彎矩圖,6 水平荷載作用下內(nèi)力近似計算方法,,,,i 節(jié)點作用水平集中力時框架的受力特點 各桿件的彎矩圖都是直線； 各桿件
14、上的彎矩均有一個0彎矩點反彎點。,,ii 反彎點法的要點 基本假定 在進行各柱剪力分配時，認為梁與柱的線剛度之比為無限大； 柱的反彎點高度：認為除底層柱以外，其余各層柱的反彎點均在柱的中點。底層柱在距支座 2/3層高處。 梁的彎矩可由節(jié)點平衡條件求出。,)反彎點法,iii 同層各柱剪力Vji的求法,取j層反彎點以上部分為隔離體,由力的平衡得：,由結(jié)力知：,,,,柱端彎矩： 各柱反彎點處剪力求得后，剪力乘以反彎點距柱上下端截面的距離，便可求得柱上下截面彎矩，即,底層柱,其它層,iv 框架梁柱彎矩計算,梁端彎矩： 可由節(jié)點平衡求得：,反彎點法的適用條件：框架節(jié)點梁柱線剛度之比3時。,2) 水平荷載
15、下的D值法,i D值法的引入： 當梁柱的線剛度之比不滿足3時，反彎點法的梁柱線剛度比為無窮大的假設，將引起較大的計算誤差，以至于工程設計結(jié)果不能接受。故引入改進反彎點法（又稱為D值法）。,計算誤差表現(xiàn)在： 柱的側(cè)向剛度按兩端固定柱計算不準確，不能將梁視為柱的不動鉸支座；,,水平荷載下彎矩圖,計算誤差表現(xiàn)在： 柱的反彎點位置將受到與之相關(guān)的上下梁、上下層的影響，不能簡單認為在柱的中央。,修正反彎點高度,一層橫梁剛度加大至無窮,水平荷載下彎矩圖,,,,,上層層高加大,下層層高加大,,,,改進后的柱側(cè)移剛度D,表13-2,當梁柱的線剛度比無窮大時，a=1.0。,修正后的柱反彎點高度 柱的反彎點位
16、置：取決于該柱上下兩端轉(zhuǎn)角的比值。 反彎點偏向轉(zhuǎn)角較大的一端,亦即偏向約束剛度較小的一端。 影響柱兩端轉(zhuǎn)角的主要因素： 梁柱線剛度比；柱與上下梁的線剛度比； 上層層高的變化；下層層高的變化；柱所在的層次等。,修正后的反彎點高度按下式計算：,yh = (y0+y1+y2+y3)h,y反彎點高度比； y0 標準反彎點高度比，由附表10-1、10-2查得； y1 上下橫梁線剛度不同對反彎點高度的修正系數(shù)(附表10-3)； y2 y3 上層、下層層高變化對反彎點高度的修正系數(shù)(附表10-4).,D值法的計算步驟和計算內(nèi)容與反彎點法相同。,作業(yè)：用反彎點法和D值法計算下圖框架結(jié)構(gòu)的(彎矩、剪力、軸力)圖
17、。,7 框架結(jié)構(gòu)側(cè)移計算及限制,側(cè)移的近似計算 用層間位移與層間剪力的關(guān)系可得： j層的層間位移 為：,框架頂端總水平位移 u 為：,,層數(shù),剪切型變形,彎曲型變形,主要由梁柱的彎曲變形造成的 類似于懸臂柱的剪切變形,主要由柱的軸向變形造成的 類似于懸臂柱的彎曲變形,多層框架以剪切型變形為主,應滿足規(guī)范要求：,注： 對多框架當（1）式滿足時，（2）式一般均能滿足規(guī)范要求，可不必驗算。,（1）,（2）,過大可能導致填充 構(gòu)件的開裂,8 多層框架的內(nèi)力組合,1)控制截面及最不利內(nèi)力組合,梁的控制截面即最不利內(nèi)力 梁端柱邊緣： 跨中：+,和,梁端柱邊緣彎矩和剪力的計算：,柱的控制截面及最
18、不利內(nèi)力組合 控制截面：上、下端截面 最不利內(nèi)力組合：,荷載組合類型,根據(jù)第三章，當不考慮地震荷載時，對框架架結(jié)構(gòu)按下列荷載組合確定最不利內(nèi)力：,9 框架構(gòu)件設計（不考慮抗震）,1) 框架柱的計算長度 梁一般受彎構(gòu)件； 柱 偏壓構(gòu)件。 柱計算長度l0確定： 1、無側(cè)移的框架結(jié)構(gòu) 如具有非輕質(zhì)隔墻的多層房屋，當為三跨及三跨以上 或為兩跨且房屋的總寬度不小于房屋總高度的1/3時： 現(xiàn)澆樓蓋 l0= 0.7H； 裝配式樓蓋 l0=1.0H。 H柱所在層的框架結(jié)構(gòu)層高。,2一般多層房屋的框架結(jié)構(gòu) 現(xiàn)澆樓蓋：底層柱 l0= 1.0H；其他層柱 l0=1.25H； 裝配式樓蓋：底層柱
19、 l0=1.25H；其他層柱 l0=1.5 H,柱計算長度l0確定,,2) 框架節(jié)點的構(gòu)造要求 非地震區(qū)，框架節(jié)點的承載能力一般通過采取適當?shù)臉?gòu)造措施來保證。 1.材料強度 現(xiàn)澆框架節(jié)點區(qū)的砼等級：不低于柱的砼等級； 裝配整體式框架的后澆節(jié)點的砼等級：比預制柱提高5N/mm2。 2.截面尺寸 規(guī)范要求節(jié)點內(nèi)配筋率不過大，可通過間接限制節(jié)點截面尺寸不過小來保證。要求滿足：,3箍筋 在框架節(jié)點范圍內(nèi)應設置水平箍筋，間距不宜大于250mm。且應符合柱中箍筋的構(gòu)造要求。對四邊均有梁與之相連的中間節(jié)點，節(jié)點內(nèi)可只設矩形箍筋，而不設復合箍筋。,,,復合箍筋,4梁柱縱筋在節(jié)點區(qū)的錨固 （1）梁中間節(jié)點
20、 上部縱向鋼筋：框架中間節(jié)點梁上部縱向鋼筋應貫穿中間節(jié)點，該鋼筋自柱邊伸向跨中的截斷位置應根據(jù)梁端負彎矩確定。,當頂層端節(jié)點內(nèi)設有梁上部縱筋和柱外側(cè)縱筋的搭接接頭時，節(jié)點內(nèi)水平箍筋的布置應依照縱筋搭接范圍內(nèi)箍筋的布置要求確定。,下部縱向鋼筋： 當計算中不利用鋼筋強度時，其伸入節(jié)點的錨固長度可按簡支梁V0.7ft bh0的情況取用。,當計算中充分利用鋼筋的受拉強度時，其下部縱向鋼筋應伸入節(jié)點內(nèi)錨固，并滿足受拉鋼筋的錨固長度la。如圖13-23(a)、(b)所示。,（1）梁中間節(jié)點,(2)梁中間層端節(jié)點：,（1）梁中間節(jié)點,(3)柱筋： 頂層中間節(jié)點柱筋的錨固,中間層節(jié)點處：柱縱筋不宜在節(jié)點內(nèi)截斷，接頭位置應盡量選在層高中間等彎矩較小的區(qū)域。,(4)框架頂層端節(jié)點：,8d,位于節(jié)點外側(cè)和梁端頂部的彎折搭接接頭,位于柱頂外側(cè)的直線搭接接頭,基本要求,掌握多層框架結(jié)構(gòu)的布置 掌握多層框架結(jié)構(gòu)的計算簡圖 掌握多層框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力近似計算方法 掌握多層框架結(jié)構(gòu)的最不利內(nèi)力組合 掌握框架梁柱不抗震抗震要求時的截面設計及構(gòu)造 熟悉多層框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設計要點,THE END,
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