第5章框架结构抗震设计1课件.pptx

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1、2023/3/2715.1 概述多层与高层1.对于多层建筑与高层建筑的划分，全世界至今没有统一的标准，在不同国家，不同年代，其规定不尽相同。美国规定：高度在2225m以上或7层以上的建筑为高层建筑。英国规定：高度24.3m以上的建筑为高层建筑。第1页/共109页2023/3/272多层与高层法国规定：居住建筑高度50m以上，其他建筑高度为28m以上的建筑为高层建筑。日本规定：高度超过31m或8层以上的建筑为高层建筑，30层以上的住宅规定为超高层建筑。第2页/共109页2023/3/273多层与高层2.联合国科教文组织所属的世界高层建筑委员会建议，将高层建筑划分为以下四类：第一类高层建筑：916

2、层（高度50m）第二类高层建筑：1725层（高度75m）第三类高层建筑：2640层（高度100m）第四类高层建筑：40层以上（高度100m）第3页/共109页2023/3/274多层与高层3.我国其他有关规范中规定：高层民用建筑设计防火规范（GBJ45-82）中规定10层及10层以上的住宅和建筑高度超过24m的其他民用建筑为高层建筑。钢筋砼高层建筑结构设计与施工规程（JBJ3-90）中规定10层和10层以上的民用建筑为高层建筑。此规定仅限于钢筋砼结构，其高度不超过200m。第4页/共109页2023/3/275结构体系多层及高层建筑结构体系1.框架结构体系2.剪力墙结构体系3.框架-剪力墙结构

3、体系4.筒体结构体系第5页/共109页2023/3/276框架结构体系典型的平面图第6页/共109页2023/3/277剪力墙结构平面图(a)(b)(c)(d)(e)(f)第7页/共109页2023/3/278框架剪力墙结构平面图第8页/共109页2023/3/279筒体（筒中筒）结构平面图及楼板布置第9页/共109页2023/3/2710筒体结构系第10页/共109页2023/3/2711筒体结构的转换层第11页/共109页2023/3/2712框架结构震害框架结构的震害及其分析1.柱端弯剪破坏。因柱端弯矩、剪力、轴力都较大。2.柱身剪力破坏。由剪力、扭矩复合作用引起。第12页/共109页2

4、023/3/2713框架结构震害3.角柱破坏。当房屋发生扭转时，角柱受剪最大；同时又因双向受弯。所以震害比内柱重。4.短柱破坏。长细比4或柱高与短边之比 30 3030 303025框架框架四四三三三三二二二二一一一一剧场体育馆等大跨公共建筑剧场体育馆等大跨公共建筑三三二二二二一一框架框架-抗震墙结构抗震墙结构高度（高度（m）60 60 60 60 60 6050框架框架四四三三三三二二二二一一一一抗震墙抗震墙三三二二一一一一抗震墙结构抗震墙结构高度（高度（m）80 80 80 80 80 80 60一般抗震墙一般抗震墙四四三三三三二二二二一一一一部分框支抗震墙部分框支抗震墙结构结构落地抗震墙

5、底部加强部位落地抗震墙底部加强部位三三二二二二一一不应不应采用采用不应不应采用采用框支层框架框支层框架二二二二一一一一筒体结构筒体结构框架框架-核心筒核心筒框架框架三三二二一一一一核心筒核心筒二二二二一一一一筒中筒筒中筒内筒内筒三三二二一一一一外筒外筒三三二二一一一一板柱板柱-抗震墙结构抗震墙结构板柱的柱板柱的柱三三二二一一不应不应采用采用抗震墙抗震墙二二二二二二第40页/共109页2023/3/2741关于确定结构抗震等级的说明1.表5-3中的抗震等级是按丙类建筑划分的。对于甲、乙、丁类建筑应先确定抗震构造措施所要求的设防烈度，再按表5-3确定抗震等级。2.部分框支抗震墙结构中，抗震墙加强部

6、位以上的一般部位，应允许按抗震墙结构确定其抗震等级。3.建筑为类场地时，除6度外可按降低一度对应的抗震等级采取构造措施，但相应的计算要求不降低。4.接近或等于高度分界时，应结合房屋不规则程度及场地、地基条件确定抗震等级。5.框架-抗震墙结构中，当取基本振型计算地震作用时，如抗震墙底部承受的地震倾覆力矩不大于结构总地震倾覆力矩的50%，则框架部分的抗震等级应按框架结构确定。第41页/共109页2023/3/2742关于确定结构抗震等级的说明续6.裙房与主楼相连，除应按裙房本身确定外，不应低于主楼的抗震等级。主楼结构在裙房屋面及上下各一层应适当加强抗震构造措施。裙房与主楼分离时，应按裙房本身结构确

7、定抗震等级。7.当地下室顶板作为上部结构嵌固部位时，地下一层的抗震等级应与上部结构相同。地下二层以下（包括地下二层）的抗震等级可以降低，可按三级或更低等级。地下室中无上部结构的部分，可根据具体情况采用三级或更低等级。9度时应专门研究。第42页/共109页2023/3/27435.3 框架结构内力与位移计算框架结构的水平地震作用计算 水平地震作用下框架内力的计算竖向荷载下框架内力的计算内力组合框架结构位移验算第43页/共109页2023/3/2744框架结构的水平地震作用计算1.水平地震作用的计算方法（1）底部剪力法（注意适用范围）（2）振型分解反应谱法第44页/共109页2023/3/2745

8、框架结构的水平地震作用计算2.结构自振周期的计算一般可采用顶点位移法计算框架结构的自振周期。公式如下：式中：T 周期折减系数。当采用实砌填充墙时取 T 0.60.7；当采用轻质或外挂墙板时取 T 0.8。uT假设以各楼层出的重力荷载Gi为水平荷载，按弹性方法求出主体结构主体结构顶部的位移（m）。第45页/共109页2023/3/2746框架结构的计算简图3.空间结构框架结构是一个由横向框架和纵向框架组成的空间结构。第46页/共109页2023/3/2747平面计算单元4.平面计算单元为了简化，计算内力时可以忽略框架的空间作用，简化为若干个横向平面 框架和纵向平面框架来分别计算。风荷载风荷载第4

9、7页/共109页2023/3/2748荷载或作用力5.各榀平面框架承担的荷载或作用力竖向荷载（恒载、活载）：根据荷载传递路径，分别由横向框架、纵向框架承担。风荷载：每榀框架只承担计算单元范围内的风荷载值。水平地震作用：每榀框架承担的水平力按各榀框架的侧向刚度分配。第48页/共109页2023/3/2749荷载传递（单向板单向板）1m宽板带框架梁框架柱框架梁框架梁集中荷载负荷面积第49页/共109页2023/3/2750荷载传递（双向板双向板）框架梁框架柱第50页/共109页2023/3/2751计算简图6.计算简图在平面框架计算简图中，框架杆件用轴线表示。第51页/共109页2023/3/27

10、52计算简图底层柱固定端取在基础顶面。除底层外，各层高度取层高。跨度按柱轴线位置确定。竖向荷载和风荷载下的计算简图风荷载 或地震作用基础顶面第52页/共109页2023/3/2753计算简图梁柱刚度确定梁柱刚度确定梁截面惯性矩计算，考虑现浇楼板作用：一边有楼板：Ib=1.5I0两边有楼板：Ib=2.0I0I0按梁的矩形截面bh计算。柱截面惯性矩计算：按照柱子实际截面尺寸确定 Ic第53页/共109页2023/3/2754计算简图框架上的荷载有：永久荷载、可变荷载、风荷载、地震作用；按照前面所述荷载传递方式计算确定：荷载分布形式和荷载数值；永久荷载和可变荷载分开计算；先计算荷载标准值，然后计算框

11、架内力标准值，最后内力组合时再考虑荷载分项系数得内力组合设计值。第54页/共109页2023/3/2755水平荷载下框架内力计算1.计算机分析方法：采用计算机程序计算。(1)中国建筑科学研究院研制的程序PK和PM、TBSA等可用于计算多高层建筑结构。(2)由美国加州大学伯克利分校土木系E.L.Wilson教授等研制的ETABS和Super-ETABS，是计算三维高层建筑结构的专用程序。第55页/共109页2023/3/2756计算机程序简介续(3)大型结构分析程序系统SAP(如SAP2000)，堪称世界最有影响的著名程序之一。由美国加州大学伯克利分校土木系E.L.Wilson教授等研制。程序的

12、主要功能：二维和三维桁架、网架结构分析；二维和三维框架结构分析；平面应力和平面应变问题分析；弹性力学空间问题分析；板壳应力分析；结构的静力和动力分析等。第56页/共109页2023/3/2757用D值法计算框架内力的步骤2.手算方法：采用反弯点法（用于初步设计估算）D值法（改进的反弯点法，精度较好）3.用D值法计算水平荷载下框架内力的步骤(1)计算各层柱的侧移刚度D计算柱子的线刚度：第57页/共109页2023/3/2758用D值法计算框架内力的步骤续计算第i层第j根柱子的侧移刚度：其中：h为层高；为修正系数，查表5.4（P.106）。一般层底层梁的线刚度第58页/共109页2023/3/27

13、59用D值法计算框架内力的步骤续(2)计算各根柱所分配的剪力已知第i层层间地震剪力：Vi计算第i层第j根柱子的剪力：其中，表示第i层所有柱子侧移刚度之和。第59页/共109页2023/3/2760用D值法计算框架内力的步骤续(3)确定柱子反弯点高度y柱子的反弯点高度：y=(y0+y1+y2+y3)h (5-9)y0 标准反弯点高度比，查表5.5；根据框架总层数m、柱所在层n和平均线刚度比 查表5.5（见P.107）。第60页/共109页2023/3/2761修正系数：y1、y2、y3 K1+K2K3+K4n上下层梁刚度不同的修正系数 y1，查表5.6（注意正负号）。n上、下层层高与本层层高不同

14、的修正系数y2 和y3查表5.7。第61页/共109页2023/3/2762用D值法计算框架内力的步骤续(4)计算柱端弯矩Mc柱子上端弯矩：柱子上端弯矩：h-yyh第62页/共109页2023/3/2763用D值法计算框架内力的步骤续(5)计算梁端弯矩Mb由节点平衡条件得：第63页/共109页2023/3/2764用D值法计算框架内力的步骤续(6)计算梁端剪力Vb(7)计算柱子的轴力N柱子轴力为各层梁端剪力的代数和：N=Vbi边柱中柱第64页/共109页2023/3/2765用D值法计算框架内力的步骤续(8)画出水平荷载下框架的内力图弯矩图轴力图剪力图第65页/共109页2023/3/2766

15、竖向荷载下框架内力的计算1.计算方法（1）分层法按本层梁和上下柱组成的计算单元，将整个框架分成若干个开口框架；然后按弯矩分配法计算各单元框架；最后再将柱端弯矩叠加，形成整体框架的弯矩图。第66页/共109页2023/3/2767竖向荷载下框架内力的计算续（2）弯矩二次分配法计算各节点分配系数和固端弯矩；对各节点的不平衡弯矩进行第一次分配，并向远端传递（系数为1/2）；再将因传递弯矩而产生的不平衡弯矩进行第二次分配，整个计算过程即告结束，画出弯矩图。第67页/共109页2023/3/2768竖向荷载下框架内力的计算续2.分层法计算步骤(1)逐层取出开口框架计算简图第68页/共109页2023/3

16、/2769竖向荷载下框架内力的计算续(2)计算出梁、柱的线刚度或相对线刚度。对柱线刚度作出调整：底层柱线刚度不变，传递系数为1/2；其余层柱线刚度乘以系数0.9，传递系数为1/3。第69页/共109页2023/3/2770竖向荷载下框架内力的计算续(3)用弯矩分配法计算各开口框架弯矩。(4)把计算结果桉节点一一对应迭加，即得整个框架弯矩。(5)如果节点不平衡弯矩值较大，可重新分配一次，但不再传递。第70页/共109页2023/3/2771弯矩二次分配法计算步骤3.弯矩二次分配法计算步骤(1)根据各杆件的线刚度计算各节点杆端弯矩分配系数；(2)计算竖向荷载下各跨梁的固端弯矩；(3)对各节点不平衡

17、弯矩进行第一次分配；(4)将所有杆端的分配弯矩向远端传递，传递系数1/2；(5)对因传递弯矩而产生的不平衡弯矩进行第二次分配；(6)将杆端的固端弯矩、分配弯矩和传递弯矩相加得最终杆端弯矩。（下面举例）第71页/共109页2023/3/2772竖向荷载下框架竖向荷载下框架的内力计算的内力计算弯矩二次分配法举例弯矩二次分配法举例第72页/共109页2023/3/2773竖向荷载下框架计算简图竖向荷载下框架计算简图采用弯矩二次分采用弯矩二次分配法计算图示框配法计算图示框架的弯矩图。架的弯矩图。图中图中i为杆件相为杆件相对线刚度：对线刚度：i=1.0i=1.0i=1.0i=1.0i=1.242i=1.

18、242第73页/共109页2023/3/2774杆端转动刚度和弯矩传递系数杆端转动刚度和弯矩传递系数杆端的转动刚度：杆端的转动刚度：远端固定：远端固定：S=4i；传递系数；传递系数C=0.5远端滑动：远端滑动：S=i；传递系数传递系数C=1远端铰支：远端铰支：S=3i；传递系数；传递系数C=0远端自由：远端自由：S=0 第74页/共109页2023/3/2775计算各节点的杆端弯矩分配系数计算各节点的杆端弯矩分配系数设杆端近端为设杆端近端为A，远端为，远端为j杆端分配系数为：杆端分配系数为：汇交于汇交于A节点的各杆转动刚度之和。节点的各杆转动刚度之和。SAj 汇交于汇交于A节点的节点的Aj杆杆

19、的的A端转动刚度。端转动刚度。第75页/共109页2023/3/2776计算各杆固端弯矩计算各杆固端弯矩均布荷载下的固端弯矩（顺时针为正）：均布荷载下的固端弯矩（顺时针为正）：两端固定：两端固定：一端固定另一端滑动支座：一端固定另一端滑动支座：第76页/共109页2023/3/2777计算图形利用对称性，取半利用对称性，取半个框架计算，计算个框架计算，计算图形如图。图形如图。第77页/共109页2023/3/2778固端弯矩和分配系数标注到图固端弯矩和分配系数标注到图上上120.6固端弯矩第78页/共109页2023/3/2779将节点不平衡弯矩进行第一次分配将节点不平衡弯矩进行第一次分配78

20、.5-98.4红框内是第一次红框内是第一次分配的弯矩分配的弯矩不平衡弯矩不平衡弯矩-120.696.2120.6第79页/共109页2023/3/2780将分配后的弯矩向远端传递将分配后的弯矩向远端传递将传递来的弯矩将传递来的弯矩写在线下面写在线下面柱下端柱下端第80页/共109页2023/3/2781进行第二次分配进行第二次分配-3.5蓝框内是第二次分配的弯矩23.7-13.111.8不平衡弯矩不平衡弯矩第81页/共109页2023/3/2782最后，计算杆端弯矩最后，计算杆端弯矩红框内是杆端红框内是杆端最终弯矩值最终弯矩值第82页/共109页2023/3/2783整个计算图整个计算图计算完

21、毕，画出计算完毕，画出弯矩图，整个框弯矩图，整个框架弯矩图见下页架弯矩图见下页第83页/共109页2023/3/2784竖向荷载下的框架弯矩图竖向荷载下的框架弯矩图(kNm)第84页/共109页2023/3/2785竖向荷载下框架内力的计算续4.梁端的弯矩调幅由于钢筋混凝土结构具有塑性内力重分布性能，在竖向荷载作用下可以考虑适当降低梁端弯矩，即进行弯矩调幅。调幅系数 如下：(1)现浇框架结构：=0.8-0.9(2)装配整体式框架：=0.7-0.8竖向荷载下的弯矩先调幅，再与其它荷载下的弯矩组合。第85页/共109页2023/3/2786竖向荷载下框架内力的计算续调幅后跨中弯矩为：梁端弯矩调幅后

22、，跨中弯矩应相应增加，并且调幅后的跨中弯矩不应小于简支情况下跨中弯矩的50%。调幅后调幅前第86页/共109页2023/3/2787活荷载的不利布置5.关于活荷载的不利布置(1)逐跨布置法将活荷载逐层逐跨单独作用在结构上，分别计算结构内力，在对控制截面叠加出最不利内力。例如：图示三跨四层框架。第87页/共109页2023/3/2788活荷载的不利布置图示三跨四层框架。有12种布置下的框架内力计算，然后还要对控制截面进行内力叠加组合，从中找出最不利内力。可见，计算工作量巨大。第88页/共109页2023/3/2789活荷载的不利布置(2)最不利位置法对每一控制截面由影响线确定最不利荷载布置，然后

23、进行内力计算。图示为荷载下的框架杆件变形曲线，圆点表示受拉一侧。第89页/共109页2023/3/2790活荷载的不利布置A2B2梁跨中最不利正弯矩A2B2梁的B2端最不利负弯矩B2C2梁的B2端最不利负弯矩第90页/共109页2023/3/2791活荷载的不利布置(3)满跨布置当活荷载不很大(5kN/m2)时，可以按满跨布置。当活荷载按满跨布置时，支座弯矩接近最不利布置值；但跨中弯矩偏小，为了安全，可将跨中弯矩乘以1.1-1.2的增大系数。第91页/共109页2023/3/2792框架的内力组合1.1.控制截面(1)梁：两端截面及跨中截面。(2)柱：原则上选择每层柱的上、下端作为控制截面。层

24、数不多时，整根柱配筋相同。层数较多时，分段配筋。第92页/共109页2023/3/2793 框架的内力组合续2.内力组合（组合内力设计值）（1）1.2恒+1.4活 可变荷载控制的组合（2）1.35恒+0.71.4活 永久荷载控制的组合（3）1.2（恒+0.5活）+1.3震 有地震作用的组合 组合时采用表格计算。恒恒载下的内力标准值 活活载下的内力标准值第93页/共109页2023/3/2794 框架的内力组合续3.选取最不利内力用于配筋计算(1)(1)梁的最不利内力 两端最大正负弯矩和剪力（考虑地震左、右作用）。跨中最大正弯矩，有时也可能出现负弯矩。梁端截面取柱边缘内力组合值用作配筋计算。配筋

25、计算：当层数不多时，各层梁可统一配筋。当层数较多时，可按几层为一段统一配筋。第94页/共109页2023/3/2795按构件边缘内力进行配筋计算。第95页/共109页2023/3/2796 框架的内力组合续(2)柱的最不利内力 考虑结构两个主轴方向分别组合。进行柱子两端内力组合，并考虑地震左、右作用。考虑以下几组组合：最大弯矩、及相应的剪力和轴力 最大轴力、及相应的弯矩和剪力 最小轴力、及相应的弯矩和剪力 按柱净高两端内力组合值进行配筋计算：层数不多时，整根柱配筋相同。当层数较多时，分段配筋。第96页/共109页2023/3/2797框架结构位移验算1.多遇地震作用下层间弹性位移验算（1）层间

26、地震剪力：Vi（2）层间刚度：（3）层间弹性位移：（4）层间弹性位移验算：第97页/共109页2023/3/2798 框架结构位移验算续2.罕遇地震作用下层间弹塑性位移验算(1)楼层屈服强度系数：其中：Vei 按罕遇地震计算的第i层弹性剪力Vyi 按实际配筋和材料标准强度计算的第i层抗剪承载力(2)计算罕遇地震作用下的层间地震剪力Vei 第98页/共109页2023/3/2799 框架结构位移验算续(3)层间屈服剪力Vyi的确定 梁、柱的屈服弯矩可近似按下式(P.71)计算：梁：柱：注意：公式中所用记号与抗震规范相同第99页/共109页2023/3/27100 框架结构位移验算续 计算柱端的有

27、效屈服弯矩可根据不同的屈服机构，确定柱端的有效屈服弯矩。第100页/共109页2023/3/27101 框架结构位移验算续根据屈服机制，有下面4种情况：(a)当 Myb Myc时，为强梁弱柱，柱端先出现塑性铰。柱端有效屈服弯矩为：第101页/共109页2023/3/27102 框架结构位移验算续(b)当 Myb Myc 时，为强柱弱梁，梁端先出现塑性铰。柱端有效屈服弯矩为：第102页/共109页2023/3/27103 框架结构位移验算续(c)当 Myb Myc，且 ，则柱端有效屈服弯矩为：第103页/共109页2023/3/27104 框架结构位移验算续(d)当 Myb Myc，且 ，则柱端

28、有效屈服弯矩为：第104页/共109页2023/3/27105 框架结构位移验算续计算第i层第j根柱的受剪承载力计算第i层的楼层屈服剪力第105页/共109页2023/3/27106 框架结构位移验算续(4)计算楼层屈服强度系数第i层的屈服强度系数：(5)确定薄弱层根据楼层屈服强度系数 yi确定薄弱层位置。第106页/共109页2023/3/27107 框架结构位移验算续(6)计算薄弱层的层间弹塑性位移薄弱层的弹性位移：薄弱层的弹塑性位移：其中弹塑性位移增大系数 p查表3.16。(7)薄弱层的弹塑性位移验算：第107页/共109页2023/3/27108本节结束第108页/共109页2023/3/27109感谢您的观看！第109页/共109页