大學(xué)課件-多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)培訓(xùn)講義第4.1版1

第4章

多層框架結(jié)構(gòu)4.1

多層框架結(jié)構(gòu)組成與布置4.2

框架結(jié)構(gòu)分析4.3

框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)4.4

框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)框架設(shè)計(jì)4.1

組成與布置4.2

結(jié)構(gòu)分析4.3

構(gòu)件設(shè)計(jì)4.4

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)4.1.1

框架結(jié)構(gòu)種類4.1.2

框架結(jié)構(gòu)組成4.1.3

框架結(jié)構(gòu)布置4.1.4

截面尺寸估算4.1

多層框架結(jié)構(gòu)組成與布置框架結(jié)構(gòu)是多層房屋的主要結(jié)構(gòu)形式，也是高層建筑的基本結(jié)構(gòu)單元。4.1.1

框架結(jié)構(gòu)種類按所用材料：混凝土框架結(jié)構(gòu)鋼框架結(jié)構(gòu)組合框架結(jié)構(gòu)（鋼骨混凝土、鋼管混凝土）按施工方法：

整體式框架（混凝土框架而言）裝配式框架裝配整體式框架（混凝土框架而言）裝配式混凝土框架預(yù)制長預(yù)制主梁預(yù)制槽形板預(yù)制卡板裝配整體式混凝土框架

柱裝配整體式混凝土框架

迭合梁

預(yù)制短柱裝配整體式混凝土框架預(yù)制長柱鋼框架鉸接連接角鋼柱梁111—1鋼框架剛接T形連接件簡單而言：像造汽車、搭積木一樣造房子！汽車工程結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化部件裝配式產(chǎn)品裝配專用設(shè)備信息化管理工程結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配化是今后發(fā)展趨勢：多節(jié)預(yù)制柱南京江寧15層全預(yù)制裝配框架結(jié)構(gòu)南通海門17層預(yù)制裝配剪力墻住宅施工預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)框架設(shè)計(jì)4.1

組成與布置4.2

結(jié)構(gòu)分析4.3

構(gòu)件設(shè)計(jì)4.4

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)4.1.1

框架結(jié)構(gòu)種類4.1.2

框架結(jié)構(gòu)組成4.1.3

框架結(jié)構(gòu)布置4.1.4

截面尺寸估算

框架結(jié)構(gòu)由梁、柱連結(jié)而成。梁柱一般為剛接，有時(shí)為了方便施工也有做成鉸接或半鉸接（半剛接的）。4.1.2

框架結(jié)構(gòu)組成柱截面實(shí)腹式（矩形、箱形、圓形、I形、H形、L形、T形、十字形等）格構(gòu)式（對(duì)鋼結(jié)構(gòu)而言）梁截面實(shí)腹式（矩形、箱形、T形、倒

L形、I形、H形、花籃梁等）格構(gòu)式

（對(duì)鋼結(jié)構(gòu)而言）矩形梁箱形梁倒L形梁T形梁花籃梁混凝土梁形式框架設(shè)計(jì)4.1

組成與布置4.2

結(jié)構(gòu)分析4.3

構(gòu)件設(shè)計(jì)4.4

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)4.1.1

框架結(jié)構(gòu)種類4.1.2

框架結(jié)構(gòu)組成4.1.3

框架結(jié)構(gòu)布置4.1.4

截面尺寸估算4.1.3

框架結(jié)構(gòu)布置

一、柱網(wǎng)布置

典型的柱網(wǎng)有內(nèi)廊式、等跨式和不等跨式。等跨式

內(nèi)廊式原則?

滿足建筑功能的要求?

結(jié)構(gòu)受力合理（均勻、對(duì)稱、對(duì)直、貫通，盡量避免缺梁抽柱）?

方便施工二、承重（豎向荷載）框架的布置?

橫向框架承重方案縱向布置連系梁。橫向抗側(cè)剛度大。有利采光和通風(fēng)。?

縱向框架承重方案橫向布置連系梁。橫向抗側(cè)剛度小。有利獲得較高凈空。?

縱橫向框架承重方案

兩個(gè)方向均有

較好的抗側(cè)剛度?？蚣艹兄胤桨概c樓蓋布置有關(guān)單向板樓蓋雙向板樓蓋無梁樓蓋密肋樓蓋板柱結(jié)構(gòu)等效梁等效梁四、變形縫設(shè)置三、框架的立面布置規(guī)則框架內(nèi)收外挑復(fù)式框架缺梁抽柱錯(cuò)層框架設(shè)計(jì)4.1

組成與布置4.2

結(jié)構(gòu)分析4.3

構(gòu)件設(shè)計(jì)4.4

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)4.1.1

框架結(jié)構(gòu)種類4.1.2

框架結(jié)構(gòu)組成4.1.3

框架結(jié)構(gòu)布置4.1.4

截面尺寸估算4.1.4

梁柱截面尺寸的估算?

混凝土柱

根據(jù)柱的負(fù)荷面積，估算柱在豎向荷載下的軸力Nc取

N

=

(1.2

~1.4)Nc按軸壓構(gòu)件估算截面積

Ac?

?0.85

（抗震等級(jí)三級(jí)）

要求滿足：

N

≤

?0.75

（抗震等級(jí)二級(jí)）

Ac

fc

?

（抗震等級(jí)一級(jí)）?

混凝土梁

梁高h(yuǎn)取(1/10

~1/18)l

；梁寬取

(1/2

~1/3)h?

鋼柱

估算軸力，乘以1.2~1.3倍按軸心受壓構(gòu)件估算截面尺寸。定計(jì)算長度、假定長細(xì)比

λ

（50~100）計(jì)算回轉(zhuǎn)半徑A(=

N

/

f?)?ix

=

l0x

/λ、iy

=

l0y

/λ根據(jù)近似關(guān)系

ix

=α1h

、iy

=α2b根據(jù)鋼材類別、截面類別和

λ由A、b、h選擇截面尺寸。確定b、h4.2

框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力與側(cè)移的近似計(jì)算方法框架設(shè)計(jì)4.1

組成與布置4.2

結(jié)構(gòu)分析4.3

構(gòu)件設(shè)計(jì)4.4

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)4.2.1

分析模型4.2.2

分層法4.2.3

反彎點(diǎn)法4.2.4

修正反彎點(diǎn)法4.2.5

側(cè)移計(jì)算4.2.6

二階效應(yīng)縱向框架橫向框架4.2.1

框架分析模型

一、計(jì)算單元

滿足結(jié)構(gòu)均勻、荷載均勻，可用平面框架代替空間框架。

對(duì)橫向和縱向分別取圖示計(jì)算單元作為分析的對(duì)象。l1l2l3h4h3h2

h1二、結(jié)構(gòu)形式、軸線尺寸及截面特征

?

結(jié)構(gòu)形式：梁柱剛接，柱固接于

基礎(chǔ)頂面。

?

軸線尺寸

跨度：等截面柱，截面形心線；變截面柱，較小部分截面形心。層高：橫梁形心線（也可取樓板頂面）

?

截面特征

鋼柱、砼柱：EI

=

EI0

鋼骨砼柱：取鋼骨和砼抗彎剛度之和對(duì)于砼梁梁：考慮樓板的作用。

整體式樓蓋中框架

EI

=

2EI0邊框架

EI

=1.5EI0裝配整體式樓蓋

中框架EI

=1.5EI0邊框架

EI

=1.2EI0裝配式樓蓋

EI

=1.0EI0對(duì)于鋼梁，當(dāng)采用砼樓板時(shí)中框架乘1.5，邊框架乘1.2；S1Snbc1bc2bce

b0hc對(duì)于鋼骨砼梁取兩者抗彎剛度之和。也可按組合截面的慣性矩取三、荷載

豎向荷載

水平荷載自重

樓面活荷載

風(fēng)荷載

地震作用?

樓面荷載

對(duì)于單向板則僅短跨方向的梁承受均布荷載；

對(duì)于雙向板，短跨方向

梁承受三角形分布荷

載，長跨方向梁承受梯

形分布荷載；

如果存在次梁，框架梁

承受次梁傳來的集中荷

載。?

水平荷載簡化為節(jié)點(diǎn)荷載近似解析法分層法反彎點(diǎn)法力法位移法框架設(shè)計(jì)4.1

組成與布置4.2

結(jié)構(gòu)分析4.3

構(gòu)件設(shè)計(jì)4.4

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)4.2.1

分析模型4.2.2

分層法4.2.3

反彎點(diǎn)法4.2.4

修正反彎點(diǎn)法4.2.5

側(cè)移計(jì)算4.2.6

二階效應(yīng)基本假定2：每一層框架梁上的豎向荷載只對(duì)本層梁及與本層梁相連的框架柱產(chǎn)生彎矩和剪力，忽略對(duì)其它各層梁、柱的影響?；炯俣?：框架沒有側(cè)移；jiko一、基本假定無水平位移無豎向位移有轉(zhuǎn)動(dòng)位移不動(dòng)鉸支座彈簧抗轉(zhuǎn)支座二、簡化計(jì)算模型：邊界模擬

3i3i3i3i3i3i3i3i4i4i4i4i4i4i4i4i鉸接剛接彈簧鉸剛度系數(shù)0.9x4i傳遞系數(shù)1/33.6i3.6i3.6i3.6i3.6i

3.6i3.6i

3.6i剛度系數(shù)3i

(0.75x4i)傳遞系數(shù)0剛度系數(shù)4i

(1x4i)傳遞系數(shù)1/2二、簡化計(jì)算模型：系數(shù)修正多層框架在各層豎向荷載同時(shí)作用下的內(nèi)力，可以分解為一系列開口框架進(jìn)行計(jì)算。除底層柱子外，其余各層柱的線剛度乘以0.9的折減系數(shù)，彎矩傳遞系數(shù)取為1/3。原框架簡化后的開口框架

用彎矩分配法計(jì)算各開口框架的內(nèi)力；

開口框架梁的內(nèi)力即為原框架相應(yīng)層的內(nèi)力；原框架柱的內(nèi)力需將相鄰兩個(gè)開口框架中相同柱號(hào)的內(nèi)力疊加；

內(nèi)力疊加后對(duì)于不平衡彎矩較大的節(jié)點(diǎn)，可再作一次分配，但不傳遞。梁柱彎矩簡化后的開口框架原框架彎矩圖三、計(jì)算方法Vbr

=

+Vbl

=

?lMbrMblVblVbrqr

lr

l

M

b

?Mb

lM

b

?Mb

lql

2ql

2梁剪力假定梁與柱鉸接，于是柱軸力等于簡支梁的支座反力。柱軸力某些情況，如梁的線剛度相對(duì)柱的線剛度大許多，開口框架可以進(jìn)一步簡化求解一個(gè)6次方程的工作量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于求解6個(gè)一次方程工作量標(biāo)準(zhǔn)層思考：為什么能大大簡化？？所有標(biāo)準(zhǔn)層只需計(jì)算一個(gè)開口框架一四層規(guī)則框架，按相同的平面布置增加1層，由分層法的概念可知，在豎向荷載作用下，底層的（A）梁、柱的內(nèi)力基本不變（B）梁、柱的彎矩、剪力大致成線性增加（C）梁的內(nèi)力基本不變，柱的內(nèi)力大致成線性增加（D）梁、柱的彎矩、剪力基本不變，柱的軸力大致成線性增加框架設(shè)計(jì)4.1

組成與布置4.2

結(jié)構(gòu)分析4.3

構(gòu)件設(shè)計(jì)4.4

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)4.2.1

分析模型4.2.2

分層法4.2.3

反彎點(diǎn)法4.2.4

修正反彎點(diǎn)法4.2.5

側(cè)移計(jì)算4.2.6

二階效應(yīng)M

AB

=

?6i根據(jù)轉(zhuǎn)角

?

?位移方程：

?M

BA

=

?6iABBh

ΔuABA度為無限大。則在忽略柱子軸向變形的情況下，節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角為零。MABMBA反彎點(diǎn)????

ΔuAB

hΔuAB

h桿件中點(diǎn)的彎矩為零，稱為反彎點(diǎn)。在工程設(shè)計(jì)中，底層柱的反彎點(diǎn)取為距基礎(chǔ)頂面2/3柱高處；其余各層柱的反彎點(diǎn)取為柱高的中點(diǎn)。4.2.3

水平荷載下的反彎點(diǎn)法

一、簡化分析模型

假定：框架梁的線剛

度相對(duì)框架柱的線剛∑Fi=

∑Vjk二、計(jì)算方法根據(jù)幾何條件（忽略梁軸向變形）

Δu

j1

=

Δu

j2

=L=

Δu

jk

=L=

Δu

jm

=

Δu

j求柱剪力

ni=

j

mk=1將框架在某一層的反彎點(diǎn)切開。根據(jù)平衡條件，有FnFjF1Vj1VjkVjmΔu

j1Δu

jkΔu

jmFnFjVj1VjkVjm=

ΔuAB=η

VVjk

=VFj

=VFj

=η

jk為j層k柱的剪力分配系數(shù)；∑Fi當(dāng)桿件兩端發(fā)生單位側(cè)移時(shí)，桿件內(nèi)的剪力稱為抗側(cè)剛度，用D表示。如果桿件兩端沒有轉(zhuǎn)角，桿件內(nèi)的剪力為：VABM

AB

+

M

BA

h=12i

h212ic

h2抗側(cè)剛度D為：

D

=對(duì)于j

層第k柱，其側(cè)移為Δu

jk

，相應(yīng)的剪力可表示為Vjk

=

D

jk

×Δu

jk（物理?xiàng)l件）Djk

ijk根據(jù)平衡條件、幾何條件和物理?xiàng)l件，可求得∑Djl

∑ijl

l=1

l=1

nm

m

VFj

jk

Fj

i=

j為水平荷載在j層產(chǎn)生的層間剪力。3

?

?Vj1hj/2

Vj1Vj1hj/2Vjkhj/2

Vjmhj/2

Vjk

VjmVjkhj/2

Vjmhj/

2?h1

?

?2h1

?

3

?ctM

c1k

=V1k

?M

b1k

=V1k

?

bcjk

tcjkhj

2M=

M=Vjk

?其余層柱：求柱端彎矩逐層取脫離體，利用上式求得各柱剪力后，根據(jù)各層反彎點(diǎn)位置，可以求出柱上、下端的彎矩

底層柱：M

:M

=

4i

:4iMb

=

lib

t

?(M

c

+

M

c)?ib

+ib?Mb

r

=

l

b

r

(M

c

b

+

M

c

t)?ib

+ib?M

+

MVb

=McbMctMbrMbl求梁端彎矩l

r

t

c

l

r

l

r

b

b

b

bM

b

+

M

b

=

M

c

+

M

br

?

?rl

bilVbMbrMblVb求梁端剪力

l

r

b

b

lVlbnVrbnNnkVlb,n-1

Nnk

Vrb,n-1Nn-1,k求柱軸力從上到下利用節(jié)點(diǎn)豎向力平衡條件。hj

hj

2hj三、計(jì)算步驟

在各層反彎點(diǎn)

處切開柱反彎點(diǎn)處的剪力剪力分配柱端彎矩)2

3

3(

、Vjk

?梁端彎矩利用節(jié)點(diǎn)力矩平衡條件梁端剪力l

rMb

+

Mb

lVb

=

柱軸力節(jié)點(diǎn)豎向力平衡條件框架設(shè)計(jì)4.1

組成與布置4.2

結(jié)構(gòu)分析4.3

構(gòu)件設(shè)計(jì)4.4

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)4.2.1

分析模型4.2.2

分層法4.2.3

反彎點(diǎn)法4.2.4

修正反彎點(diǎn)法4.2.5

側(cè)移計(jì)算4.2.6

二階效應(yīng)4.2.4

水平荷載下的修正反彎點(diǎn)法在反彎點(diǎn)法中，各層柱的反彎點(diǎn)位置是一個(gè)定值，各柱的抗側(cè)剛度只與柱本身有關(guān)。對(duì)于兩端同時(shí)存在轉(zhuǎn)角位移和相對(duì)線位移的桿件，其轉(zhuǎn)角位移方程可以為：

?

Δu

?

?M

BA

=

4iθ

B

+2iθ

A

?6i

h

可見反彎點(diǎn)位置與θ

A、θB

有關(guān)；同樣，柱的抗側(cè)剛度也與

θ

A、θB

有關(guān)。i4CFEHGicic

i2ic

Di1

B

i3

AhjθθθθΔuj

φABC一、修正抗側(cè)剛度

DEθ

FG

θH

θhj假定：

柱AB兩端節(jié)點(diǎn)及上下、左右相鄰節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角全等于θ

；

柱AB及與其上下相鄰柱的弦轉(zhuǎn)角均為?

=

；

hj

柱AB及與其上下相鄰柱的線剛度均為ic

。?M

BA

c

i

(θ

??)=

6?M

AC

c

i

(θ

??)=

6?M

BH??M

AB

=

4icθ

+2icθ

?6ic?

=

6ic(θ

??)???M

BD

=

6ic(θ

??)?=

4i1θ

+2i1θ

=

6i1θ=

6i2θ=

6i3θ=

6i4θ?M

BF???M

AE?M

AGθθθθΔuj

φAC

DBEθ

FG

θH

θhjθ

?M

BF

+

M

BA

+

M

BH

+

M

BD

=

0?6θ(i1

2

i

+2ic)?12ic?

=

0+i1

+i2

+i3

+i4

2ic其中：

K

=∑M

=

0

A∑M

=

0

B?M

AE

+

M

AB

+

M

AG

+

M

AC

=

0??6θ(i3

+i4

+2ic)?12ic?

=

0???

=θ

=

22+

K

4ici1

+i2

+i3

+i4

+4icθθθθΔuj

φABCDEθ

FG

θHhj12ic

Δu

j

2+

K

?22+

Khj柱AB剪力：=(?

?θ)=12ic

hjM

AB

+

M

BA

hjVABhj

hjVABΔu

j=12ic

2(

22+

K12ic

hj)

=α(?

??)

=j12ic

h2DAB=αVABΔu

j=柱AB抗側(cè)剛度：

K2+

Kα

=α

反映了梁柱線剛度比對(duì)柱抗側(cè)剛度的影響，它是小于1的一個(gè)系數(shù)。當(dāng)K

→

∞

時(shí)，α

→1

，即為反彎點(diǎn)法采用的抗側(cè)剛度。?θ

=

22+

K二、修正反彎點(diǎn)高度作如下假定：?

同層各節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角相等?

橫梁中點(diǎn)無豎向位移各柱的反彎點(diǎn)高度與該柱上下端的轉(zhuǎn)角比值有關(guān)。影響轉(zhuǎn)角的因素有：層數(shù)、柱子所在層次、梁柱線剛度比及上下層層高變化。i2i2i4

h

hhhh梁柱線剛度比及層數(shù)、層次對(duì)反彎點(diǎn)高度的影響

i2

ic

ic

i2ic

i2ic

i2ic假定梁的線剛度、柱的線剛度和層高沿框架高度不變，按圖示計(jì)算簡圖可求出各層柱的反彎

y0h點(diǎn)高度

y0h

，稱為標(biāo)準(zhǔn)反彎點(diǎn)高度。

h

hhhhi2

ic

i2

icic

i4icic(y0

+

y1)h上下層線剛度比對(duì)反彎點(diǎn)的影響

當(dāng)某層柱的上下橫梁剛度不同時(shí)，反彎點(diǎn)不同于標(biāo)準(zhǔn)

反彎點(diǎn)，修正值用

y1h

表示。i2i2i2i2i2ic

i2

icic

i2ic

i2icα2h

α2h

h

h

hi2

ic

ic

ic

ic

i2ic

h

hhα3hα3h(y0+y3)h層高變化對(duì)反彎點(diǎn)高度的影響上層層高變化，反彎點(diǎn)高度的變化值用y2h

表示；

(y0+y2)h下層層高變化，反彎點(diǎn)高度的變化值用y3h表示。頂層柱沒有

y2h

修正值；

底層柱沒有y3h

修正值。經(jīng)過各項(xiàng)修正后，柱反彎點(diǎn)高度：

yh

=

(y0

+

y1

+

y2

+

y3)h計(jì)算步驟

在各層反彎點(diǎn)

處切開柱反彎點(diǎn)處的剪力剪力分配柱端彎矩)2

3

3hj

hj

2hj

(

、Vjk

?梁端彎矩利用節(jié)點(diǎn)力矩平衡條件梁端剪力l

rMb

+

Mb

lVb

=柱軸力節(jié)點(diǎn)豎向力平衡條件思考題：一四層規(guī)則框架，按相同的平面布置增加1層，由D值法的概念可知，在風(fēng)荷載作用下，底層（A）梁、柱的內(nèi)力基本不變（B）梁、柱的彎矩、剪力基本成非線性增加（C）梁的內(nèi)力基本不變，柱的內(nèi)力大致成線性增加（D）梁、柱的彎矩、剪力大致成線性增加框架設(shè)計(jì)4.1

組成與布置4.2

結(jié)構(gòu)分析4.3

構(gòu)件設(shè)計(jì)4.4

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)4.2.1

分析模型4.2.2

分層法4.2.3

反彎點(diǎn)法4.2.4

修正反彎點(diǎn)法4.2.5

側(cè)移計(jì)算4.2.6

二階效應(yīng)4.2.5

水平荷載下的側(cè)移計(jì)算及限值Δu1ΔujuN框架結(jié)構(gòu)水平荷載下的側(cè)移由兩部分組成：梁柱彎曲變形引起的側(cè)移和柱軸向變形引起的側(cè)移?！艱jk頂點(diǎn)側(cè)移：

uM

=

∑Δu

j一、梁柱彎曲變形引起的側(cè)移=VjkDjk

VFj

mk=1層間側(cè)移：

Δu

j

=

n

j=1對(duì)于規(guī)則框架，各層柱的抗側(cè)剛度大致相等，而層間剪力自上向下逐層增加，因而層間側(cè)移自上向下逐層增加，整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形曲線類似懸臂構(gòu)件剪切變形引起的位移曲線，故稱為“剪切型”?？蚣芙Y(jié)構(gòu)uN

=∑

∫0H

N1N二、柱軸向變形引起的側(cè)移

dz

EA

水平荷