高层框架结构设计

高层建筑结构设计第五章高层框架结构设计深圳大学土木工程学院本章内容结构布置梁、柱截面尺寸估算计算简图竖向荷载下的内力计算方法（分层法）水平荷载下的内力计算方法（反弯点法、D值法）水平位移验算方法内力组合方法承载力计算方法构造要求结构布置双向布置框架，梁柱刚接，不宜铰接合适的柱网尺寸不宜大于10m×10m偏心距大于该方向柱宽的1/4时,增设梁的加腋一般原则:结构布置慎用单跨框架超静定次数少,一旦出现塑性铰,容易连续倒塌避免砌体墙承重与框架承重的混合体系抗侧力刚度、变形能力相差较大注意填充墙对结构的不利影响上下层填充墙布置的差异造成层间刚度的差异，形成薄弱层，如底层；窗台墙容易造成短柱的出现；布置不均匀造成刚度偏心；注意事项:梁、柱截面尺寸估算梁尺寸用跨度估算结构分析时必须考虑现浇楼板对梁刚度的增大，一般简单采用中梁刚度放大系数（2.0或1.5）2(1.1~1.2)(1.1~1.2)(12~14)/vccccNNkNmbhfbhfbhf负荷面积柱尺寸根据轴压比估算，不同抗震等级采用不同的限值，即对轴压比的限制hb)31~21(0)181~101(lh梁的抗弯刚度柱的抗弯刚度30112Ibh30112Ibh0cEIil梁截面惯性矩柱截面惯性矩梁线刚度ciEIiH柱线刚度计算简图计算单元计算简图楼面荷载分配58qq23(123)qq竖向荷载下的内力计算方法（分层法）基本假定1.竖向荷载下，框架侧移可忽略不计2.每层梁上的竖向荷载对其它层的影响可忽略不计分层法实质：分层采用弯距分配法进行计算结构内力弯距分配（复习）分配系数传递系数分层法弯距分配（复习）分配系数传递系数1C=2C=1C=0弯距分配（复习）不平衡弯矩：杆端弯矩（查表）不平衡弯矩：杆端弯矩（查表）弯距分配（复习）不平衡弯矩：杆端弯矩（查表）分层法修正一：除底层外，各层柱的线刚度乘以0.9修正二：除底层外，各层柱的传递系数由1/2改为1/3各开口框架计算的弯矩图叠加为最终弯矩图，节点不平衡弯矩分配一次分层法所有构件均可采用弹性刚度。考虑梁端塑性内力重分布，对负弯矩进行调幅，调幅系数：现浇框架：0.8~0.9；装配式框架：0.7~0.8。调幅后按照平衡条件计算跨中弯矩。跨中弯矩不小于简支跨中弯矩一半。竖向荷载下的弯矩先调幅，后组合。楼面活载大于4kN/m2，需考虑活载不利布置。分层法计算例1.计算各杆件的相对线刚度2.分别计算顶层、中间层和底层开口框架的弯矩图3.叠加各弯矩图得到总弯矩图1.计算各杆件线刚度截面：梁：250×600中柱：700×700边柱：600×600中梁刚度放大系数：2左边跨梁右边跨梁底层中柱底层边柱其余层中柱其余层边柱73413.251020.250.6124.30106.8EIikNml左边梁73413.251020.250.6123.66108.0EIikNml右边梁73413.25100.70.71213.1105.0EIikNml底中柱73413.25100.60.6127.02105.0EIikNml底边柱73410.93.25100.70.71218.29103.2EIikNml中余柱73410.93.25100.60.6129.87103.2EIikNml边余柱相对线刚度令左边梁的相对线刚度为1，则左边跨梁=1右边跨梁=3.66/4.3=0.85底层中柱=13.1/4.3=3.0底层边柱=7.02/4.3=1.63其余层中柱=18.29/4.3=4.25其余层边柱=9.87/4.3=2.302.1顶层开口框架弯矩计算2.1顶层开口框架弯矩计算2.2中间层开口框架弯矩计算2.2中间层开口框架弯矩计算2.3底层开口框架弯矩计算2.3底层开口框架弯矩计算2.3各开口框架弯矩叠加得到总弯矩水平荷载下的内力计算方法（反弯点法）反弯点：M=0，V≠0框架弯矩图要解决几个问题：1、各柱V的大小；2、柱反弯点的位置；3、由柱端弯矩求梁端弯矩柱反弯点的位置与“反弯点法”的假设反弯点位置与柱上下端的约束条件（转角）有关“反弯点法”关于反弯点位置的假设：除底层外各层柱端转角相等，底层柱反弯点在2/3层高处，其它层反弯点在1/2层高处柱抗侧刚度柱抗侧刚度与柱两端相对线位移与柱两端转角的关系“反弯点法”中柱抗侧刚度的计算“反弯点法”的假设柱抗侧刚度：柱顶产生单位位移所需的水平力（柱的剪力）“反弯点法”关于柱抗侧刚度的假设：假设柱两端转角为0，即认为梁刚度为无穷大26hEIMM下上3121MMVEIDhh下上212ih反弯点处剪力的计算（楼层总剪力按抗侧刚度分配给各柱）基本假定：同层各点侧移相等（楼面刚度无穷大）框架弯矩的计算柱端弯矩：柱剪力X反弯点至柱端距离梁端弯矩：根据节点平衡和梁线刚度分配“反弯点法”总结计算步骤1、确定各柱反弯点的位置2、计算各层、各柱反弯点处的剪力3、计算柱端弯矩和梁端弯矩适用范围：梁线刚度/柱线刚度≥3，一般为多层框架“反弯点法”例题水平荷载下的内力计算方法（改进的反弯点法—D值法）反弯点法的缺点1、柱的反弯点位置是个定值2、柱的抗侧刚度只与柱的线刚度及层高有关D值法的改进之处1、柱的抗侧刚度的修正（考虑梁、柱刚度比）2、柱的反弯点位置的修正（考虑梁、柱刚度比和上、下层的层高影响）柱的抗侧刚度的修正柱抗侧移刚度修正系数αc312hEIDc柱的反弯点位置的修正y=y0+y1+y2+y3标准反弯点高度比y0与该层所在的楼层位置，及梁、柱线刚度比有关因上、下横梁相对线刚度变化的修正值y1因上、下层层高变化的修正值y2、y3“D值法”总结1、求各柱的抗侧刚度（修正值）2、求各柱的反弯点位置（修正值）3、计算各层、各柱反弯点处的剪力4、计算柱端弯矩和梁端弯矩计算步骤“D值法”例题求A轴各层的反弯点位置与D值求B轴各层的反弯点位置与D值求C轴各层的反弯点位置与D值求A轴柱剪力与梁柱弯矩求B轴柱剪力与梁柱弯矩求C轴柱剪力与梁柱弯矩求最终弯矩图水平位移验算方法用D值法计算侧移层间侧移顶点侧移ijPjjDVunjjuu1水平位移验算方法例题内力组合方法控制截面梁取三个控制截面：左端支座、跨中、右端支座柱取两个控制截面：柱顶、柱底最不利内力组合的种类梁：支座-Mmax、Vmax，跨中Mmax柱(一般情况下)：Mmax及相应N、V-Mmax及相应N、VNmax及相应M、VNmin及相应M、VVmax及相应M、N内力组合例题三跨六层框架，内力计算过程（分层法和D值法）略对二层梁和二层柱进行内力组合延性框架设计框架结构的延性构件和结构屈服后，具有承载能力不降低或基本不降低、且具有塑性变形能力的一种性能结构延性的作用结构的延性指标提高结构延性的措施结构的延性指标——构件延性比构件位移延性比截面曲率延性比yufffyu结构的延性指标——结构延性比结构延性比yu地震作用与塑性变形的关系弹性结构与弹塑性结构的比较提高结构延性的措施“强柱弱梁”设计原则——控制塑性铰的位置“强剪弱弯”设计原则——控制构件的破坏形态“强节点弱构件”设计原则“强柱弱梁”设计原则合理的框架屈服机制1.梁比柱的塑性屈服尽可能早发生和多发生2.底层柱柱根的塑性铰较晚形成3.各层柱子的屈服顺序应错开，不要集中在某一层延性梁设计（一）：强剪弱弯梁端设计剪力的规定注意区别不同抗震等级的规定GbnrblbvbVlMMV/GbnrbualbuaVlMMV/1.1延性梁设计（二）：纵筋量与延性受压区高度最大受拉钢筋配筋率最小受压钢筋配筋量延性梁设计（三）：箍筋与延性梁端箍筋加密（加密区长度、最大间距、最小直径）箍筋形式延性梁设计（四）：剪压比和截面限制要求无地震作用组合时有地震作用组合时延性柱设计（一）:剪跨比与长、短柱剪跨比长柱，压弯破坏，延性较好短柱，剪切破坏，延性较差极短柱，剪切斜拉破坏，延性极差0/hVMcc225.15.1延性柱设计（二）:轴压比延性柱设计（三）:配箍率与箍筋形式配箍特征值与体积配箍率箍筋形式与约束作用延性柱设计（四）:柱的加强部位调整柱端弯矩，实现强柱弱梁底层固定端弯矩增大，推迟其屈服加大角柱设计内力，提高其承载力延性梁设计（五）：强剪弱弯柱端设计剪力的规定注意区别不同抗震等级的规定/tbvcccnVMMH1.2/tbcuacuanVMMH延性柱设计（六）：剪压比和截面限制要求无地震作用组合时有地震作用组合时强节点“弱”构件抗震等级为一、二级时，根据剪力设计值验算框架节点核心区的抗剪承载力抗震等级为三、四级时，按构造要求配置箍筋节点区钢筋锚固——非抗震设计梁下部钢筋伸入支座要求边梁上部钢筋锚入支座要求梁上部钢筋与架立钢筋搭接要求柱顶钢筋要求节点区钢筋锚固——抗震设计梁下部钢筋伸入支座要求边梁上部钢筋锚入支座要求梁上部钢筋与架立钢筋搭接要求柱顶钢筋要求本章小结竖向荷载下的内力计算方法（分层法）水平荷载下的内力计算方法（反弯点法、D值法）水平位移验算方法延性框架设计要求屈服机制（强柱弱梁）破坏模式（强剪弱弯）梁、柱的其它延性要求节点设计要求思考题（1）高层建筑结构应考虑哪些原则进行设计计算？（2）高层建筑结构计算如何考虑连梁和地下室顶板刚度？梁、柱、墙的变形？（3）为什么要考虑重力二阶效应？如何考虑高层建筑结构的重力二阶效应？（4）如何保证高层框架、剪力墙、框剪结构和筒体结构的稳定性？（5）作用效应如何组合？