第5章高层框架结构设计

Chapter5高层框架结构设计一、结构布置纵向框架横向框架应双向布置框架。柱网尺寸不宜大于10m×10m；墙下应设梁支承；梁柱轴线宜重合在一个平面内。当梁柱轴线不在一个平面内时，偏心距不宜大于柱截面在该方向边长的1/4。如偏心距大于该方向柱宽的1/4时，可采用增设梁的水平腋等措施。按抗震设计时，不应采用部分为框架、部分由砌体墙承重的混合形式。楼梯、电梯间及局部出屋顶的电梯机房、楼梯间、水箱间等，应采用框架承重，不应采用砌体墙承重。cbbbxbxxlchxl二、截面尺寸估算梁一般梁：h=(1/8~1/15)l，b=(1/2~1/3)h；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。扁梁：h=(1/12~1/18)l，b=(1~3)h。现浇楼面每一侧翼缘的有效宽度可取至板厚度6倍。楼板类型边框架梁中间框架梁现浇楼板I=1.5IoI=2.0Io装配整体式楼板I=1.2IoI=1.5Io装配式楼板I=IoI=IoIo=1/12bh3，叠合楼板框架梁可按现浇楼板框架梁取值；房屋高度不超过50mm时，可采用装配整体式楼盖；梁的线刚度i=EcI/l表5-1梁截面惯性矩可近似按下表取用柱矩形截面柱的边长：不宜小于250mm（非抗震设计）不宜小于300mm（抗震设计）圆形截面柱的直径：不宜小于350mm。柱剪跨比宜大于2，柱截面高宽比不宜大于3。)(9.0)(8.0)(7.0cc抗震等级为三级时抗震等级为二级时抗震等级为一级时bhfN轴压比柱轴力；N——fc——混凝土轴心抗压强度设计值；柱截面宽度和高度。b、h——结构类型设防烈度6789框架结构高度（m）≤3030≤3030≤3030≤25框架四三三二二一一表5-2框架结构抗震等级混凝土强度等级为C65~C70时，轴压比限值应减少0.05；当为C75-C80时，应减0.10。当剪跨比为1.0~2.0时，轴压比应减小0.05；剪跨比小于1.5时，应专门研究，并采用特殊措施。当箍筋沿柱全高加强时，轴压比可适当提高。非抗震设计时可近似取N/(bhfc)=1.0；任何情况下，c≤1.05柱截面惯性矩：I=1/12bh3柱线刚度：i=EcI/Hi当按实际内力计算的轴压比超出上述规定时，可采用以下方法使之满足:1.提高混凝土强度等级；2.增大截面尺寸。三、计算简图当框架间距相同、荷载相等、截面尺寸一样时，可取出一榀框架计算；单线条代表构件形心线所在的位置；基顶高度应根据基础形式及基础埋置深度而定；尽量采用浅基础。纵向计算单元横向计算单元H屋面楼面楼面楼面基顶lh41h3l2hh1l23五、内力计算四、荷载及地震作用（略）1、竖向荷载下的内力计算（1）楼面荷载分配原则简支板：朝两支座分配。单向板：朝两长边分配。受力边受力边l1l2/2l2/2l2l1l22+123lll2l145°45°l145°l2/245°l2/2l22+双向板：朝四边分配。qqaba(=a/l)三角形荷载和梯形荷载可折算成等效均布荷载；墙体重量直接传递给它的支承梁。qq8/5qq)321(32123ll(2)活载布置：一般情况下满布。(3)竖向荷载作用下的内力计算方法分层法迭代法UBC法•分层法基本假定:1.忽略框架的侧移；2.每层梁上的荷载只在该层梁和与之相连的柱上传递。ADEHILMPADEHIEALHDMPIELH原结构分层计算简图计算简图:注意事项:除底层外，各层柱的线刚度应乘0.9，且其传递系数由1/2改为1/3，其它杆的线刚度和传递系数不变。梁的弯矩为最终弯矩，柱的弯矩为与之相连两层计算弯矩迭加。若节点弯矩不平衡，可将不平衡弯矩再分配一次。可调幅。支座弯矩调幅系数如下：现浇框架取0.8~0.9,装配式框架取0.7~0.8.支座调幅后，跨中弯矩应相应调整，且在竖向荷载作用下的内力调幅完成后，再与风载及地震作用效应组合；2)(16/1lqgM中当楼面活荷载大于4kN/m2时，需考虑活荷载的最不利布置。1/30.90.90.90.90.90.90.90.91/31/31/31/31/31/31/3gqqq•迭代法MikikiMkikikkiikikik2MMMMM单根杆件的角变位移方程式:等截面直杆ik的i端最终杆端弯矩；——由于荷载引起的i端固端弯矩；——近端角变弯矩；——iikik2kM远端角变弯矩；——kkiki2kMkiMikMikMikMikM——ik杆两端发生相对位移时在i端引起的杆端位移。i框架节点i平衡关系：0ikiMiikMMi02ikkiikiiiiMMMM)(21ikkiiikiiiMMMM将按各杆的相对刚度分配给节点i的每一杆件，则有：iMikiMMMM)]([ikkiiikikiMMM)(kiiikikikkikikik2令：则有：或：分配系数当不考虑杆端相对位移时，得：计算步骤：求各杆固端和各节点不平衡弯矩；求节点处每一杆件的分配系数；按公式迭代。先从不平衡力矩较大节点开始，到前后两轮弯矩相差很小为止；将固端弯矩、二倍近端角变弯矩以及远端角变弯矩相加，得杆件最终杆端弯矩。•UBC法（或系数法）特点：不需要事先已知梁柱截面尺寸。相邻跨跨长相差不大于短跨跨长的20%；适用条件：活载与恒载之比不大于3；框架梁的截面为矩形。荷载均匀布置；框架梁内力：nu2nulVlM弯矩系数剪力系数净跨跨长梁上恒载与活载设计值之和Wu116系数系数__1__1416__11__9__1914__10.50.5750.5750.5两跨时__116_____1_1614101__11_1_1111111____16111__1111__11__1__14_1101__16__1_1610.50.5750.5750.5系数系数0.5两跨以上时框架柱内力：轴力：按楼面单位面积上恒载与活载设计值之和乘以该的负荷面积。确定负荷面积时，不考虑板的连续性。弯矩：将节点处梁端不平衡弯矩平均分配给上、下柱。当横梁不在立柱形心线上时，要考虑由于梁柱偏心引起的不平衡力矩，并将其平均分配给上、下柱柱端。2、水平荷载作用下的内力计算方法反弯点法D值法门架法•（1）反弯点法适用范围：横梁线刚度与柱线刚度之比不小于3。反弯点位置：反弯点处弯矩为零，剪力不为零。1P3lH/233H/22H/2H/22H/312H/31P21Pl2反弯点处剪力计算：自上而下依次沿每层反弯点处取脱离体。P33H/2l1l23V33332V331V33332310PVVVX333333323233131DVDVDV33i3i12HEID313j333323133jDPDDDP33j333333333j323323233j3133131PDDDVPDDDVPDDDVjjj仿照上述方法得：2PP3V212322VV2PP1P311V1312VV)()()(322j2323322j2222322j2121PPDDVPPDDVPPDDVjjj)()()(3211j13133211j12123211j1111PPPDDVPPPDDVPPPDDVjjj各柱弯矩：柱端弯矩＝反弯点处剪力×反弯点至柱端距离梁端弯矩：边节点和角节点处bMbMc2Mc1Mc1M中间节点)()(c2c1b21b2bb2c2c1b21b1bb1MMiiiMMMiiiMc2c1bMMMc2Mc1Mb1Mb2M•（2）D值法框架柱的抗侧刚度：M0Dh=1___6EI2=1=11DhM6EI___2h00D3112hEID10DDD3112hEIDDcc柱抗侧刚度修正系数，按下表计算柱的部位及固定情况一般层底层，下端固定底层，下端铰支1i2i3i4icici1i2ici1i2iic43212+++=iiiiiic21iiiic21iiiicii+2=cii25.0cii2+15.0=chhhhhDDDDD12D12'''{3c)(12hEID2cc)(hh222211)(1)(11hhDhhDD柱的反弯点位置：每一根杆的反弯点位置都不相同，反弯点高度系数按下式计算：hyh3210+++=yyyyy式中各符号意义见P.122-P.126表5-7~5-9。框架弯矩图：反弯点位置确定以后，柱剪力、柱弯矩以及梁端弯矩的计算与反弯点法相同。•（3）门架法基本假定:1.门架法假设梁、柱的反弯点位于它们的中点处；2.柱中点处的水平剪力按各柱支承框架梁的长度与框架宽度之比进行分配。H/22H/21H/2H/22H/233H/21l/21l/22Ll/21l/22框架弯矩图:H/23P3V313332VV2l/21l/2l/21l/2232333213231312/2/2/2/PLlVPLllVPLlVV31P3V31bbV31bV32V32bV32V33剪力求得后，依次由左至右取脱离体，由内力平衡条件可以求得杆端弯矩和反弯点处剪力；同理可求出其它杆件内力。六、变形及稳定、倾覆验算弹性变形2kPP1k3kPHiuH∑ijpij=DVu∑1=j=njuu第j层的总剪力第j层所有柱的抗侧刚度之和jjjjHuHu验算公式:罕遇地震下薄弱层（部位）弹塑性变形验算ip501≤Huepp=uu整体稳定性验算),2,1(/10ijinihGDnij七、内力组合控制截面每根梁：三个每根柱：两个最不利内力类型梁支座截面：-Mmax及相应的V+Mmax及相应的VVmax及相应的M跨中截面：Mmax(-Mmax)柱Mmax及相应的N和V；-Mmax及相应的N和V；Nmax及相应的M和V；Nmin及相应的M和V；Vmax及相应的M和N；2004006008001000NNeOi控制截面最不利内力计算非抗震设计抗震设计wkwwQkQQGkGSSSSwkwwEvkEvEhkEhGEGSSSSS八、截面设计柱端弯矩设计值•抗震设计时，四级框架柱的柱端弯矩设计值可直接取考虑地震作用组合的弯矩值；一、二、三级框架的梁、柱节点处，除顶层和柱轴压比小于0.15者外，柱端考虑地震作用组合的弯矩设计值应按下式予以调整：bccMM9度抗震设计的结构和一级框架结构尚应符合：buac2.1MM节点上、下柱端截面顺时针或逆时针方向组合弯矩设计值之和。上、下柱端的弯矩设计值，可按弹性分析的弯矩比例进行分配；——cM柱端弯矩增大系数，一、二、三级分别取1.4、1.2和1.1；——bM节点左、右梁端逆时针或顺时针方向实配的正截面受弯承载力所对应的弯矩值之和，可根据实际配筋面积（计入受压钢筋）和材料强度标准值并考虑承载力抗震调整系数计算。——buaM节点左、右梁截面逆时针或顺时针方向组合弯矩设计值之和。当抗震等级为一级且节点左、右梁端均为负弯矩时，绝对值较小的弯矩应取零；——c反弯点不在柱的层高范围内时，柱端弯矩设计值可直接乘以柱端弯矩增大系数。c•抗震设计时，一、二、三级框架结构的底层柱底截面的弯矩设计值。应分别采用考虑地震作用组合的弯矩值与增大系数1.5、1.25和1.15的乘积。柱端剪力设计值•抗震设计的框架柱、框支柱端部截面的剪力设计值，一、二、三级时应按下列公式计算；四级时可直接取考虑地震作用组合的剪力计算值。nbctcvc/)(HMMV9度抗震设计的结构和一级框架结构尚应符合：nbcuatcua/)(2.1HMMV分别为柱上、下端顺时针或逆时针方向截面组合的弯矩设计值；——bctcMM、