框架结构设计讲义.ppt

第5章 框架结构设计,5.1 框架结构内力与位移计算,框架结构的布置与计算简图；竖向荷载作用下的近似计算分层计算法；水平荷载作用下的近似计算反弯点法；水平荷载作用下的改进反弯点法D值法；水平荷载作用下侧移的近似计算；,通过本章学习，了解框架抗震设计方法、概念和要点。掌握框架梁、框架柱的剪力、弯矩大小的计算方法以及构造要求。掌握框架梁、柱节点的剪力、弯矩大小的计算方法以及构造要求。,框架抗震设计方法延性框架的概念框架梁抗震设计框架柱抗震设计梁柱节点区抗震设计,计算内力之前，必须先进行结构的布置，并确定杆件的截面尺寸和惯性矩。,高层框架是超静定结构,框架结构的布置,杆件的截面尺寸,刚度取值,框架结构的计算简图,计算简图,跨度与层高的确定,荷载计算,5.1.1框架结构布置与计算简图,5.1.1 框架结构的布置与计算简图,5.1.1 框架结构的布置,框架按支承楼板方式，可分为横向承重框架、纵向承重框架和双向承重框架。,5.1.1 框架结构布置,框架结构除应满足结构总体布置的一般原则外，还应考虑下面的一些要求：,5.1.1 框架结构布置,5.1.1 框架结构布置,5.1.1 框架结构布置,梁的水平加腋厚度可取梁截面高度，水平尺寸宜满足下列要求：,梁水平加腋宽度,梁水平加腋长度,梁截面宽度,偏心方向上柱截面宽度,非加腋侧梁边到柱边的距离,5.1.1 框架结构布置,5.1.1 框架结构布置,5.1.2 框架梁截面尺寸估算,框架梁截面尺寸应根据承受竖向荷载大小、跨度、抗震设防烈度、混凝土强度等多方面因素综合考虑确定。,一般荷载情况下，框架梁截面高度hb可按计算跨度的1/101/18，且不小于400mm，也不宜大于1/4净跨。框架梁的宽度bb一般为梁截面高度hb的1/21/3，且不应小于200mm。,5.1.2 框架结构截面尺寸,为了降低楼层高度，或便于通风管道等通行，必要时可设计成宽度较大的扁梁，此时应根据荷载及跨度情况满足梁的挠度限值，扁梁截面高度hb可取计算跨度的1/151/18，梁的宽度bb取,5.1.2 框架结构截面尺寸,为满足梁的刚度和承载力要求，节省材料和有利的建筑空间，可将梁设计成加腋形式。,这种加腋梁在进行框架的内力和位移计算时，可采用等效线刚度代替变截面加腋梁的实际线刚度。当梁两端加腋对称时，其等效线刚度为,5.1.2 框架结构截面尺寸,KbKb,表5.1 加腋梁等效刚度系数,5.1.2 框架结构截面尺寸,框架梁截面的惯性矩,在框架结构中，由于楼板参加梁的工作，故要精确地确定梁截面的惯性矩是一个复杂的问题。因为大梁在左右反弯点之间，是一个翼缘受压的T形截面，在反弯点之外，是一个翼缘受拉的T形截面，所以在裂缝开展后，会引起梁截面刚度的变化。为了简化计算，我们可忽略刚度变化，并假定梁截面的惯性矩不变。,5.1.2 框架结构截面尺寸,5.1.2 框架结构截面尺寸,现浇楼面可以作为梁的翼缘，增大梁的有效刚度，减少框架侧移，每一侧有效翼缘的宽度可以取至板厚的6倍；,5.1.2 框架结构截面尺寸,为简化计算，在设计中可以采用以下的方法近似计算框架梁的惯性矩Ib,5.1.2 框架结构截面尺寸,梁的惯性矩Ib,5.1.2 框架结构截面尺寸,框架柱的截面尺寸估算,框架柱的截面尺寸一般根据柱的轴压比限值按下列公式估算：,NAGn,混凝土轴心抗压强度设计值,框架柱轴压比限值，对一级、二级和三级抗震等级，分别取0.7,0.8和0.9。,5.1.2 框架结构截面尺寸,其中 考虑地震作用组合后柱轴压力增大系数，边柱取1.3，不等跨内柱取1.25，等跨内柱取1.2；A按简支状态计算的柱的负载面积；G折算在单位建筑面积上的重力荷载代表值，可根据实际荷载计算，也可近似取1216 kN/m2；n验算截面以上楼层层数；,5.1.2 框架结构截面尺寸,5.1.2 框架结构截面尺寸,按上述方法确定的柱截面高度hc不宜小于400mm，宽度不宜小于350mm，柱净高与截面长边尺寸之比宜大于4。,5.1.3 框架结构的计算简图,5.1.3 框架结构计算简图,跨度与层高的确定,在结构计算简图中，杆件用其轴线来表示。,框架梁的跨度即取柱子轴线之间的距离；当上下层柱截面尺寸变化时，一般以最小截面的形心线来确定。,框架的层高，即框架柱的长度可取相应的建筑层高，即取本层楼面至上层楼面的高度，但底层的层高则应取基础顶面到二层楼板顶面之间的距离。,5.1.3 框架结构计算简图,5.1.3 框架结构计算简图,荷载计算,区格板长边边长与短边边长之比大于2时沿单向传递，小于或等于2时沿双向传递。,5.1.3 框架结构计算简图,三角形和梯形荷载等效成均布荷载（al）,5.1.3 框架结构计算简图,5.2 框架结构内力与位移计算,在多数情况下，框架结构可以按照上节所述的基本假定及简化方法，简化为平面结构进行内力分析，在纵向和横向都分别由若干榀框架承受竖向荷载和水平荷载。,框架是典型的杆件体系，结构力学中已经比较详细地介绍了超静定刚架（框架）力和位移计算方法。,5.2 框架结构内力与位移计算,精确方法,实用中已大多被更精确、更省人力的计算机程序分析杆件有限元方法所代替。,5.2 框架结构内力与位移计算,计算简便、易于掌握，实际工程应用还很多 特别是初步设计时需要估算,近似方法,5.2 框架结构内力与位移计算,本章主要介绍在多、高层建筑设计中常用的近似计算手算方法。,本章主要介绍结构没有扭转时的内力及位移分析。在扭转作用下的近似分析将在第六章中介绍。,（一）竖向荷载作用下分层力矩分配法 侧移比较小，可作为无侧移框架按力矩分配法进行内力分析。由精确分析可知，各层荷载对其他杆件内力影响不大，因此在近似方法中，可将多层框架简化为单层框架，即分层作力矩分配计算。,计算要点 1、框架的侧移忽略不计。2、作用在框架梁上的竖向荷载，仅使该层框架梁及跟该层梁直接连接的柱产生弯矩。其它框架梁和柱的弯矩忽略不计。,5.2.1 竖向荷载作用下的近似计算（分层计算法）,5.2.1 分层计算法,分层计算所得梁弯矩即为最后弯矩，但是必须将上下两层所得同一根柱子的内力叠加，才能得到柱的内力，因为每一根柱都同时属于上下两层。,5.2.1 分层计算法,1、上层各柱线刚度乘以0.9加以修正。梁不变,2、除底层柱外，各柱传递系数修正为1/3。梁不变,计算结果中结点上弯矩可能不平衡，但是误差不会太大，可以不再计算，也可以为提高精度，再进行一次弯矩分配。,5.2.1 分层计算法,多层框架在各层竖向荷载同时作用下的内力，可以分解为一系列开口框架进行计算。除底层柱子外，其余各层柱的线刚度乘以0.9的折减系数，弯矩传递系数取为1/3。,5.2.1 分层计算法,梁剪力,5.2.1 分层计算法,假定梁与柱铰接，于是柱轴力等于简支梁的支座反力。,柱轴力,5.2.1 分层计算法,例题,A,7.50m,5.60m,3.80m,4.40m,q=2.8kN/m,q=3.8kN/m,q=3.4kN/m,（7.11）,（4.21）,（4.21）,（1.79）,（4.84）,（12.77）,（7.63）,（10.21）,（9.53）,（3.64）,B,C,D,E,F,G,H,I,（括号内数字为线刚度相对值）,（i=EI/l）,5.2.1 分层计算法,解：,A,7.50m,5.60m,3.80m,4.40m,（7.11）,（4.21）,（4.21）,（1.79）,（4.84）,（12.77）,（7.63）,（10.21）,（9.53）,（3.64）,B,C,D,E,F,G,H,I,上层各柱线刚度0.9，然后计算各节点的弯矩分配系数,（i=EI/l）,0.9=3.789,0.9=3.789,0.9=1.611,5.2.1 分层计算法,上层计算,0.332,（3.789）,（3.789）,（1.611）,（7.63）,（10.21）,D,E,F,G,H,I,0.668,0.353,0.472,0.175,0.864,0.136,-13.125*,+13.125*,-7.317*,+7.317*,8.678,4.358,4.384,-6.332,-0.995,-3.161,-2.482,-3.319,-1.230,-1.241,-1.660,0.829,0.412,0.414,1.434,0.226,0.717,-0.399,-0.534,-0.198,-0.200,-0.267,0.133,0.066,0.231,0.036,0.067,0.115,-0.064,-0.086,-0.032,15.045,-13.585,-1.460,-4.836,4.836,0.733,-0.733,1.612,-0.487,-0.244,5.2.1 分层计算法,下层计算,A,B,C,D,E,F,G,H,I,0.348,0.466,0.185,0.308,0.413,0.156,0.123,0.709,0.202,0.089,-17.813*,+17.813*,-8.885*,+8.885*,8.301,-1.529,0.713,-1.167,0.078,-10.417,4.150,0.356,-0.334,-3.058,0.039,-0.036,18.930,-1.459,-0.169,-0.018,-1.736,-3.150,-6.299,-4.100,-2.050,0.727,1.453,-0.447,-0.224,-0.079,0.159,-0.049,-15.825,1.924,6.199,0.532,0.058,3.925,0.283,0.031,3.609,6.789,-0.791,-1.795,0.414,0.045,0.182,0.020,-1.221,-0.133,-0.015,-1.369,-0.589,-1.336,3.395,-0.868,-0.668,-0.196,-0.456,1.203,1/3,1/2,5.2.1 分层计算法,各层叠加后的M图,5.2.1 分层计算法,精度分析,A,B,C,D,E,F,G,H,I,分析结论：1）梁的误差较小；2）柱的误差比较大。,5.2.1 分层计算法,作业题:某三层两跨框架，跨度及层高、尺寸如图，柱截面积尺寸300350，左跨梁截面为250500，右跨梁截面为250400，现浇梁柱及楼面，采用C30钢筋混凝土（Ec=3.0104MPa），试用分层法求其内力（M图）。,A,7.80m,6.00m,3.60m,4.50m,B,C,D,E,F,G,H,I,J,K,L,3.60m,q=2.5kN/m,q=3.5kN/m,q=30kN/m,q=3.5kN/m,q=30kN/m,5.2.1 分层计算法,框架所受水平荷载主要是风力和地震作用。将在每个楼层上的总风力和总地震作用分配给各个框架，将结构分析简化为平面框架分析。,5.2.2 水平荷载作用下的近似计算方法（反弯点法）,5.2.2 反弯点法,水平荷载作用下框架变形,5.2.2 反弯点法,多层多跨框架在水平荷载作用下的弯矩图通常如下图所示，它的特点是，各杆的弯矩图均为直线，每杆均有一个零弯矩点，称为反弯点，该点有剪力，如图中所示的V1、V2、V3。,如果能定出这些V1、V2、V3及其反弯点高度y，那么各柱端弯矩就可以算出，进而可以算出梁端弯矩。,5.2.2 反弯点法,反弯点法,反弯点法的基本工作有两个：,将每层以上的水平荷载按某一比例分配给该层的各柱，求出各柱的剪力。,确定反弯点高度。,观察整个框架在荷载作用下的变形情况，如图虚线所示：,1、如不考虑轴向变形的影响，则上部同一层的各结点水平位移相等。2、上部各结点有转角，固定柱脚处，线位移和角位移为零,5.2.2 反弯点法,反弯点法,基本假定,梁柱线刚度比无穷大(=3)不考虑梁轴向变形，同层柱顶位移相等,柱上下端转角相等(底层除外)中间层：反弯点居中底 层：反弯点2/3h,梁端弯矩由节点平衡确定且按刚度分配,5.2.2 反弯点法,柱上弯矩为0的点。注意反弯点可能在柱上，也可能在柱外。,反弯点,当梁的刚度 ib时，柱的两端无转角、而且弯矩相等时，反弯点在柱高中点；,当 ib/ic3时，柱的两端转角很小，反弯点接近柱高中点，可以假定就在柱高中点；,对底层柱，由于底端固定，而上端有转角，反弯点上移，通常假定在柱子高度的2/3处,5.2.2 反弯点法,反弯点法的思路,总水平荷载作用，按照柱的抗侧移刚度，直接分配到柱 Vc,根据Vc 和反弯点位置，求得柱端弯矩Mc,由节点平衡条件，求得梁端弯矩Mb和剪力Vb,V,Vc,Mc,Mb,Vb,yc,5.2.2 反弯点法,当杆件两端发生单位侧移时，杆件内的剪力称为抗侧刚度，用D表示。如果杆件两端没有转角，但有水平位移时，杆件内的剪力为：,抗侧刚度d为：,反弯点法柱端剪力,5.2.2 反弯点法,逐层取脱离体，利用上式求得各柱剪力后，根据各层反弯点位置，可以求出柱上、下端的弯矩,底层柱：,其余层柱：,求柱端弯矩,5.2.2 反弯点法,对于边柱,对于中柱 设梁端弯矩与梁线刚度成正比，则,5.2.2 反弯点法 梁端弯矩,梁端弯矩,反弯点法的计算步骤,反弯点法的计算步骤可以归纳如下：,1、计算框架梁柱的线刚度，判断是否大于3；ib/ic3,2、计算柱子的抗侧刚度；,3、将层间剪力在柱子中进行分配，求得各柱剪力值；,4、按反弯点高度计算到柱子端部弯矩；,5、利用节点平衡计算梁端弯矩，进而求得梁端剪力；,6、计算柱子的轴力。,5.2.2 反弯点法,【例】如图所示框架的弯矩图，图中括号内数字为各杆的线刚度。,当同层各柱h相等时，各柱抗侧刚度d12ic/h2，可直接用ic计算它们的分配系数。这里只有第3层中柱与同层其它柱高不同，作如下变换即可采用折算线刚度计算分配系数。,【解】,折算线刚度,5.2.2 反弯点法,5.2.2 反弯点法,5.2.2 反弯点法,5.2.2 反弯点法,5.2.2 反弯点法,括号内数字为精确解。本例表明，用反弯点法计算的结果，除个别地方外，误差是不大的。表明除个别位置外，反弯点法计算误差不大。,5.2.2 反弯点法,作业题:某三层两跨框架，跨度及层高、尺寸如图，柱截面积尺寸300350，左跨梁截面为250500，右跨梁截面为250400，现浇梁柱及楼面，采用C30钢筋混凝土（Ec=3.0104MPa），试用反弯点法求其内力（M图）。,A,7.80m,6.00m,3.60m,4.50m,B,C,D,E,F,G,H,I,J,K,L,3.60m,0.8kN,1.2kN,1.5kN,5.2.2 反弯点法,当框架的高度较大、层数较多时，柱子的截面尺寸一般较大，这时梁、柱的线刚度之比往往要小于3，反弯点法不再适用。如果仍采用类似反弯点的方法进行框架内力计算，就必须对反弯点法进行改进改进反弯点（D值）法。,日本武藤清教授在分析多层框架的受力特点和变形特点的基础上作了一些假定，经过力学分析，提出了用修正柱的抗侧移刚度和调整反弯点高度的方法计算水平荷载下框架的内力。修正后的柱侧移刚度用D表示，故称为D值法。,5.2.3 水平荷载作用下的改进反弯点法D值法,5.2.3 D值法,基本假定假定同层各节点转角相同；承认节点转角的存在，但是为了计算的方便，假定同层各节点转角相同。假定同层各节点的侧移相同。这一假定，实际上忽略了框架梁的轴向变形。这与实际结构差别不大。,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。,修正内容：柱侧移刚度D值柱反弯点高度比,5.2.3 D值法,柱侧移刚度D值,5.2.3 D值法,当梁柱线刚度比为有限值时，在水平荷载作用下，框架不仅有侧移，且各结点都有转角。当杆端有相对位移，且两端有转角l及2时，由转角位移方程得到,令,5.2.3 D值法,D值推导,D值也称为柱的抗侧刚度，定义与d值相同，但D值与位移和转角均有关。现推导D值如下。,在有侧移和转角的框架中取出一部分结构，假定框架各层层高相等，并假定各层梁柱节点转角相等,框架侧移与节点转角,即 l23，,各层层间位移相等，即l23。取中间节点2为隔离体，由平衡条件M2=0,5.2.3 D值法,D值推导,上式反映了转角与层间位移的关系,K为梁柱刚度比，值表示梁柱刚度比对柱刚度的影响。,令 则,框架侧移与节点转角,5.2.3 D值法,K为梁柱刚度比，值表示梁柱刚度比对柱刚度的影响。当K值无限大时，1，所得D值与d值相等；当K值较小时，1，D值小于d值。因此，称为柱刚度修正系数。,5.2.3 D值法,对于边柱，令ili30（或i2i40），可得,对于框架的底层柱，由于底端为固结支座，无转角，亦可采取类似方法推导，过程从略，所得底层柱的K值及值不同于上层柱。,现将框架中常用各种情况的K值及计算公式列于表中，以便应用。,5.2.3 D值法,框架中常用各种情况的K值及计算公式,5.2.3 D值法,有了D值以后，与反弯点法类似，假定同一楼层各柱的侧移相等，可得各柱的剪力,式中，Vij第j层第i柱的剪力；Dij第j层第i柱的侧移刚度D值；Dij第j层所有柱D值总和；VPj第j层由外荷载引起的总剪力。,5.2.3 D值法,柱反弯点高度比,影响柱反弯点高度的主要因素是柱上下端的约束条件。当两端固定或两端转角完全相等时，j-1j，因而Mj-1Mj，反弯点在中点。两端约束刚度不相同时，两端转角也不相等，j-1j，反弯点移向转角较大的一端，也就是移向约束刚度较小的一端。当一端为铰结时（支承转动刚度为0），弯矩为0，即反弯点与该端重合。,反弯点位置,(1)结构总层数及该层所在位置；(2)梁柱线刚度比；(3)荷载形式；(4)上层与下层梁刚度比；(5)上下层层高变化。,影响柱两端约束刚度的主要因素,在D值法中，通过力学分析求得标准情况下的标准反弯点高度比y（即反弯点到柱下端距离与柱全高的比值），再根据上、下梁线刚度比值及上、下层层高变化，对yn进行调整。,假定：1、各层层间位移相等2、各层梁、柱转角相等3、上下层柱线刚度相等4、上下层柱高相等,5.2.3 D值法,1柱标准反弯点高度比 标准反弯点高度比是在各层等高、各跨相等、各层梁和柱线刚度都不改变的多层框架在水平荷载作用下求得的反弯点高度比。为使用方便，已把标准反弯点高度比的值制成表格。,反弯点高度比修正,在均布水平荷载下的yn列于表32；在倒三角形分布荷载下的yn列于表33。根据该框架总层数m及该层所在楼层j以及梁柱线刚度比K值，从表中查得标准反弯点高度比yn。,5.2.3 D值法,当某柱的上梁与下梁的刚度不等，柱上、下结点转角不同时，反弯点位置有变化，应将标准反弯点高度比yn加以修正，修正值为yl。,反弯点高度比修正,2上下梁刚度变化时的反弯点高度比修正值yl,当i1十i2i3十i4时令1（i1十i2）/（i3十i4），根据1和K值从表3-4中查出y1，这时反弯点应向上移，y1取正值。当i3十i4i1十i2时令1（i3十i4）/（i1十i2），根据1和K值从表3-4中查出y1，这时反弯点应向下移，y1取负值。对于底层，不考虑y1修正值。,5.2.3 D值法,令上层层高和本层层高之比h上h2，由表35可查得修正值y2。当21时，y2为正值，反弯点向上移。当21时，y2为负值，反弯点向下移。同理，令下层层高和本层层高之比h下h3，由表35可查得修正值y3。,层高有变化时，反弯点也有移动，如图所示。,综上所述，各层柱的反弯点高度比由下式计算：yyn十y1十y2十y3,3上下层高度变化时反弯点高度比修正位y2和y3,5.2.3 D值法,例3-3：图为3层框架结构的平面及剖面图。图b给出了楼层高处的总水平力及各杆线刚度相对值。要求用D值法分析内力。,5.2.3 D值法,解：计算各层柱D值如表1。由图a可见，每层有10根边柱及5根中柱，所有柱刚度之和可计算每根柱分配到的剪力。,反弯点高度比,5.2.3 D值法,图给出了柱反弯点位置和根据柱剪力及反弯点位置求出的柱端弯矩、根据结点平衡求出的梁端弯矩。根据梁端弯矩可进一步求出梁剪力（图中未给出）。,作业练习,1用反弯点法和D值法计算的刚度系数d和D值物理意义是什么？什么区别？为什么？二者在基本假定上有什么不同？分别在什么情况下使用？,2影响水平荷载下柱反弯点位置的主要因素是什么？框架顶层和底层柱反弯点位置与中部各层反弯点位置相比,有什么变化？,3D值法的计算步骤是什么？边柱和中柱，上层柱和底层柱D值的计算公式有是区别？,4请归纳一下D值法与反弯点法都作了哪些假定？有哪些是相同的？为什么说二者都是近似方法？D值法比反弯点法有哪些改进？,5.2.3 D值法,作业题:某三层两跨框架，跨度及层高、尺寸如图，柱截面积尺寸300350，左跨梁截面为250500，右跨梁截面为250400，现浇梁柱及楼面，采用C30钢筋混凝土（Ec=3.0104MPa），试用D值法求其内力（M图）。,A,7.80m,6.00m,3.60m,4.50m,B,C,D,E,F,G,H,I,J,K,L,3.60m,0.8kN,1.2kN,1.5kN,5.2.3 D值法,5.3.3 水平荷载作用下侧移的近似计算,框架侧移主要由水平荷载引起，规范对层间以及顶点位移的大小限制，故需要计算层间位移以及顶点位移。框架侧移主要由两部分变形组成：,5.3.3 框架侧移,水平荷载作用下侧移的近似计算,一根悬臂柱在均布荷载作用下，可以分别计算弯矩作用和剪力作用引起的变形曲线，二者形状不同，如图虚线所示。,由弯矩引起的变形愈到顶层，相对变形愈大,当q向右时，曲线凹向右。,由剪切引起的变形形状愈到底层，相邻两点间的相对变形放大，当q向右时，曲线凹向左。,5.3.3 框架侧移,弯曲变形与剪切变形,5.3.3 框架侧移,现在来看框架的变形情况。下图所示单跨9层框架，承受楼层处集中水平荷载。如果只考虑梁柱杆件弯曲产生的 侧移，则侧移曲线如图（b)中虚线所示，它与悬臂柱剪切变形的曲线形状相似，可称为剪切型变形曲线。,5.3.3 框架侧移,如果只考虑柱轴向变形产生的 侧移，则侧移曲线如图（c)虚线所示，它与悬臂柱弯曲变形的形状相似，可称为弯曲型变形曲线。,5.3.3 框架侧移,为了便函于理解，可以把下图的框架看成一根空腹的悬臂柱，它的截面高度为框架的跨度。如果通过反弯点将某层切开，空腹悬臂柱的弯矩M和剪力V如图（d）示。M是由NA、NB这一力偶组成，V是由柱截面剪力VA、VB组成。,梁柱的弯曲变形是由剪力VA、VB引起，相当于悬臂柱的剪切变形，所以变形曲线呈剪切型。柱轴向变形由轴力产生，相当于弯矩M产生的变形，所以变形曲线呈弯曲型。,5.3.3 框架侧移,框架的总变形应由这两部分变形组成。但由上图可见，在层数不多的框架中，柱轴向变形引起的侧移很小，常常可以忽咯。,在近似计算中，只需计算由杆件弯曲引起的变形，即所谓剪切型变形。在高度较大的框架中，柱轴力较大，柱轴向变形引起的侧移不能忽略。一般来说，二者叠加以后的侧移曲线仍以剪切型为主。,5.3.3 框架侧移,只考虑梁柱弯曲产生的侧移，梁柱弯曲变形由VA、VB 引起，剪切型变形曲线，只考虑梁柱轴向变形的侧移，柱轴向变形由NA、NB合成的M引起，弯曲型变形曲线，框架总变形由弯曲变形和剪切变形两部分组成，层数不多的框架，可以忽略轴向变形引起的弯曲变形，高度较大时候，两者均要考虑。一般而言，总的侧移曲线仍以剪切型为主。,5.3.3 框架侧移,梁、柱弯曲变形产生的侧移,抗侧刚度D值的物理意义是单位层间侧移所需的层剪力（该层间侧移是梁柱弯曲变形引起的）。,当已知框架结构第j层所有柱的D值及层间剪力后，可得近似计算层间侧移的公式,5.3.3 框架侧移,梁、柱弯曲变形产生的侧移,各层楼板标高处侧移绝对值是该层以下各层层间侧移之和。顶点侧移即所有层（n层）层间侧移之总和。,5.3.3 框架侧移,【例54】,求图所示三跨12层框架内杆件弯曲产生的顶点侧移n及最大层间侧移j，层高h400cm，总高H400124800cm，弹性模量E2.0104MPa。各层梁截面尺寸相同，柱截面尺寸有四种，7层以上柱断面尺寸减小，内柱、外柱尺寸不同，详见图中所注。,5.3.3 框架侧移,5.3.3 框架侧移,【解】各层ic、K、D、Dij及相对侧移j、绝对侧移j计算如表1，计算结果绘于图,柱轴向变形产生的侧移,在水平荷载作用下，对于一般框架，只有两根边柱轴力较大，一拉一压。中柱因两边梁的剪力相近，轴力很小。可假定除边柱外，其他柱子轴力为零。此时，只需考虑边柱轴向变形产生的侧移。这样可大大简化计算。,柱轴向变形产生的侧移,在水平荷载q(z)作用下，用单位荷载法求出由柱轴向变形引起框架顶点的水平位移。为了简化计算，把图所示框架边柱轴向变形及水平位移看成连续函数。则可得到j层侧移如下式（其中Hj为j层楼板距底面高度）：,（a）,这里，N为单位水平集中力作用在j层时边柱的轴力，,（b）,N是水平荷载引起的边柱内力。令水平荷载引起的总力矩为M(z)，则 N=M(z)/B（c）A为边柱截面面积。假定边柱截面沿z轴呈直线变化，令 nA顶/A底 A(z)1(1n)zH A底（d）A顶及A底分别为顶层柱及底层柱截面面积。,把式(b)、(c)、(d)代人式(a)得,（e）,5.3.3 框架侧移,M(z)与外荷载有关，积分后得到的计算公式如下：,式中，V0基底剪力；Fn系数。,在不同荷载形式下，V0及Fn不同。V0可根据荷载计算。,5.3.3 框架侧移,算出 jN后，用下式计算第j层的层间变形：,Fn可直接由下图查出，图中变量为Fn及Hj/H。,考虑柱轴向变形后，框架的总侧移为,柱轴向变形产生的侧移是弯曲型的，顶层层间变形最大，向下逐渐减小。而梁、柱弯曲变形产生的侧移则是剪切型的，底层最大，向上逐渐减小。由于后者变形是主要成分，二者综合后仍以底层的层间变形最大，故仍表现为剪切型变形特征。,5.3.3 框架侧移,例35：求右图所示框架由于柱轴向变形产生的侧移,解：,由计算结果可见，柱轴向变形产生的侧移与梁，柱弯曲变形产生的侧移相比，前者占的比例较小。在本例中，总顶点位移为,5.3.3 框架侧移,5.3.3 框架侧移,柱轴向变形产生的侧移是弯曲型的，顶层层间变形最大，向下逐渐减小。而梁、柱弯曲变形产生的侧移则是剪切型的，底层最大，向上逐渐减小。由于后者变形是主要成分，二者综合后仍以底层的层间变形最大，故仍表现为剪切型变形特征。,5.3.3 框架侧移,5.5 框架设计与构造,框架是框架结构体系、框剪结构体系及框筒结构中的基本结构单元。各种体系的内力计算方法有所不同，但在求出内力以后，都要通过内力组合求出梁、柱控制截面的最不利内力，然后进行截面配筋计算及构造设计。框架梁按照受弯构件设计，框架柱按照压弯构件设计。梁、柱截面的一般配筋计算及构造在钢筋混凝土基本构件中已有详细讨论，这里不再重复。但是抗震设计时，对钢筋混凝土构件有特殊的要求，要进行专门的抗震设计。本章重点讨论框架梁、柱及其节点的抗震设计方法，适当补充一些非抗震情况下的设计要求。,5.5 框架抗震设计的延性要求,5.5 框架抗震设计方法延性框架的概念,在框架体系、框架剪力墙体系以及框筒体系中，虽然内力计算方法不同，但是在求出内力以后，都要通过内力组合求出梁、柱控制截面的最不利内力，然后进行截面配筋计算以及构造设计。,虽然梁、柱截面的一般配筋计算以及构造在一般的钢筋混凝土教材中已有讨论，但在抗震设计时，对钢筋混凝土构件有特殊要求。,本章重点讨论框架梁、柱以及节点的抗震设计方法，并适当补充一些非抗震情况下的设计要求。,5.5 框架抗震设计的延性要求,在罕遇地震作用下要求结构处于弹性状态是不必要，也是不经济的。通常是在中等烈度的地震作用下允许结构某些构件屈服，出现塑性铰，使结构刚度降低，塑性变形加大。当塑性铰达到一定数量后，结构会出现屈服现象，即承受的地震作用力不增加或增加很少，而结构变形迅速增加。,一、延性框架的概念,5.5 框架抗震设计的延性要求,延性结构的荷载位移曲线,一、延性框架的概念,下图为延性结构的荷载位移曲线，延性结构即是能维持承载能力而又具有较大塑性变形能力的结构。,结构延性能力通常用顶点水平位移延性比来衡量。,延性比定义：u/y,其中：y结构屈服时的顶点位移；u能维持承载能力的最大顶点位移。,5.5 框架抗震设计的延性要求,框架顶点水平位移是由各个杆件的变形形成的。当各杆件都处于弹性阶段时，结构变形是弹性的。当杆件屈服后，结构就出现塑性变形。框架中，塑性铰可能出现在梁上，也可能出现在柱上，因此，梁、柱构件都应由良好的延性。构件的延性以构件的变形或塑性铰转动能力来衡量，称为构件位移延性比 f fu/fy或截面曲率延性比u/y。,5.5 框架抗震设计的延性要求,延性结构的要求和分析1、要保证框架结构有一定的延性，梁、柱构件需要具有足够的延性，钢筋混凝土构件的剪切破坏是脆性的，或者延性很小。因此，构件不能过早剪坏；2框架结构中，塑性铰出现在梁上比较有利，如图所示：,5.5 框架抗震设计的延性要求,延性结构的要求和分析 3塑性铰出现在柱中的时候，很容易形成破坏机构，如图所示：4延性框架，不仅要保证梁、柱构件必须具有延性外，还必须保证各构件的连接部分节点区不出现脆性剪切破坏，同时还要保证支座连接和锚固不发生破坏。,5.5 框架抗震设计的延性要求,5.5 框架抗震设计的延性要求,5.5 框架抗震设计的延性要求,5.5 框架抗震设计的延性要求,延性结构的设计原则,1强柱弱梁要控制梁、柱的相对强度，使塑性铰首先在梁端出现，尽量避免和减少柱子中的塑性铰；2强剪弱弯对于梁、柱构件，要保证构件出现塑性铰而不过早剪坏，因此，要使构件抗剪承载力大于塑性铰抗弯承载力，为此要提高构件的抗剪承载力；,5.5 框架抗震设计的延性要求,延性结构的设计原则,3强节点、强锚固、弱构件要保证节点区和钢筋锚固不过早破坏，不在梁、柱塑性铰充分发挥作用前破坏。注意：上述抗震措施要点，不仅适用于延性框架，也适用于其它钢筋混凝土延性结构。下面几节将主要介绍在延性框架中实现这些要点的措施。,5.5 框架抗震设计的延性要求,5.6 框架梁抗震设计,强柱弱梁结构中，主要由梁构件的延性来提供框架结构的延性。因此，要求设计具有良好延性的框架梁。,一、梁的破坏形态与延性钢筋混凝土梁有两种破坏可能：弯曲破坏与剪切破坏。弯曲破坏时，由于纵筋配筋率的影响，可能出现三种破坏形态：,1少筋破坏：,2超筋破坏：,3适筋破坏：,剪切破坏是脆性的，或者延性很小。要防止梁在屈服以前出现剪切破坏，即要求强剪弱弯。,梁的钢筋配置,二、梁最小截面尺寸,框架主梁的截面高度可按（1/101/18）l确定，l为主梁计算跨度，满足此要求时，一般荷载作用下，可不验算挠度。在地震作用下，梁端塑性铰区混凝土保护层容易剥落。如果梁截面宽度过小则截面损失比例较大，故一般框架梁宽度不宜小于200mm。狭而高的梁不利于混凝土约束，也会在梁刚度降低后引起侧向失稳，故梁的高宽比不宜大于4。另外，梁的塑性铰区发展范围与梁的跨高比有关，当跨高比小于4时，属于短梁，在反复弯剪的作用下，斜裂缝将沿梁全长发展，从而使梁的延性和承载力急剧降低。所以，梁净跨与截面高度之比不宜小于4。,框架梁的截面尺寸应满足三方面的要求：承载力要求、构造要求、剪压比限值。,1构造要求,5.6 框架梁的设计,二、梁最小截面尺寸,2剪压比限值,梁端塑性铰区的截面剪应力大小对梁的延性、耗能及保持梁的刚度和承载力有明显影响。根据反复荷载下配箍率较高的梁剪切试验资料，其极限剪压比平均值约为0.24。当剪压比大于0.30时，即使增加配箍，也容易发生斜压破坏。,剪压比限值，主要是防止发生剪切斜压破坏，其次是限制使用荷载下斜裂缝的宽度，同时也是梁的最大配箍条件。因此框架梁的截面应符合下列要求：,5.6 框架梁的设计,（1）无地震作用组合时：,（2）有地震作用组合时：,Vb0.25cfcbbh0,跨高比大于2.5的梁：,跨高比不大于2.5的梁：,式中c混凝土强度影响系数，混凝土强度等级不高于C50时 取1.0，为C80时取0.8，高于C50、低于C80时取线性插值；Vb框架梁剪力设计值，按强剪弱弯原则调整梁的截面剪力。,5.6 框架梁的设计,三、框架梁的混凝土受压区的限制,控制框架梁混凝土受压区的目的是控制塑性铰区纵向受拉钢筋的最大配筋率。试验表明，当纵向受拉钢筋配筋率很高时，梁受压区的高度相应加大，截面上受到的压力也大，梁的变形能力随截面混凝土受压区的相对高度增大而减小。为防止框架梁因过高的配筋率而不能满足延性的要求，对梁的混凝土受压区高度应根据不同抗震等级加以限制，受压区高度小则有利于提高梁的延性。当（x/h0）为0.200.35时，梁的位移延性比可达34。,5.6 框架梁的设计,三、框架梁的混凝土受压区的限制,另外，梁端截面上纵向受压钢筋与纵向受拉钢筋保持一定的比例，对梁的延性也有较大的影响。原因是：1、一定的受压钢筋可以减小混凝土受压区高度；2、在地震作用下，梁端可能会出现正弯矩，如果梁底面钢筋过少，梁下部破坏严重，也会影响梁的承载力和变形能力。因此，梁端部截面必须配置一定的受压钢筋用以提高梁的截面延性。具体要求如下：,5.6 框架梁的设计,三、框架梁的混凝土受压区的限制,（1）非抗震设计：,（2）抗震设计：,xbh0,一级抗震等级：x0.25hb0二、三级抗震等级：x0.35hb0,5.6 框架梁的设计,三、框架梁的混凝土受压区的限制,式中hb0梁截面有效高度；1混凝土等效矩形受压区高度与中和轴高度的比值，当混凝土强度等级不大于C50时取0.8，当为C80时取0.74，其他情况按线性内插值取用；ES钢筋弹性模量；x等效矩形应力图的混凝土受压区高度，计算x时，应计入受压钢筋，,5.6 框架梁的设计,可见，增大受拉钢筋的配筋率，相对受压区高度增大；增大受压钢筋的配筋率，相对受压区高度减小。因此，为实现延性钢筋混凝土梁，应限制梁端塑性铰区上部受拉钢筋的配筋率，同时，必须在梁端下部配置一定量的受压钢筋，以减小框架梁端塑性铰区截面的相对受压区高度。梁跨中截面受压区高度控制与非抗震设计时相同。,5.6 框架梁的设计,受压钢筋的面积除按计算确定外，与顶面受拉钢筋面积的比值还应满足以下要求：一级框架梁：As/As0.5 二、三级框架梁：As/As0.3式中As、As梁端塑性铰区顶面受拉钢筋面积和底面受压钢筋面积。,5.6 框架梁的设计,三、框架梁正截面抗弯承载力计算,1梁受弯承载力的设计表达式,2由抗弯承载力确定截面配筋,（1）非抗震设计：0MMu（2）抗震设计：REMEMu,（1）无地震作用组合时：bx1fcAsfyAsfy Mb(AsAs)fy(hb00.5x)Asfy(hb0a),5.6 框架梁的设计,三、框架梁正截面抗弯承载力计算,2由抗弯承载力确定截面配筋,（2）有地震作用组合时：试验研究表明，在低周反复荷载作用下，构件的正截面承载力与一次加载时的正截面承载力没有太多差别。因此，对框架梁正截面承载力仍可用非抗震设计的相应公式计算，但应考虑相应的承载力抗震调整系数。bx1fcAsfyAsfy,5.6 框架梁的设计,四、框架梁斜截面抗剪承载力的验算,梁的受剪承载力由混凝土和抗剪钢筋两部分组成。试验研究表明，在低周反复荷载作用下，构件上出现两个不同方向的交叉斜裂缝，直接承受剪力的混凝土受压区因有斜裂缝通过，受剪承载力比一次加载时的受剪承载力要低，梁的受压区混凝土不再完整，斜裂缝的反复张开与闭合，使骨料咬合作用下降，严重时混凝土将剥落。根据试验资料，反复荷载下梁的受剪承载力比静载下约低20%40。,5.6 框架梁的设计,四、框架梁斜截面抗剪承载力的验算,（1）无地震作用组合时：,集中荷载对梁端产生的剪力占总剪力值的75%以上的矩形截面梁：,对矩形、T形和工字形截面一般梁,（1.53）,5.6 框架梁的设计,（2）有地震作用组合时,对矩形、T形和工字形截面一般梁,集中荷载对梁端产生的剪力占总剪力值的75%以上的矩形截面梁：,（1.53）,5.6 框架梁的设计,（2）有地震作用组合时,式中 Vb为保证延性框架梁塑性铰区的强剪弱弯的设计剪力，一、二、三级抗震时要根据梁