框架结构抗震设计.ppt

第五章 多层及高层 钢筋混凝土房屋抗震设计 *1 第五章内容提要 5.1 概述 5.2 抗震设计的一般要求 5.3 框架结构内力与位移计算 5.4 框架结构构件设计 5.5 框架结构的抗震设计步骤 5.6 框架结构设计例题 Date2 5.1 概述 5.1.1 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。 Date3 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。 Date4 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） Date5 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。 Date6 结构体系 n5.1.2 多层及高层建筑结构体系 n1.框架结构体系 n2.剪力墙结构体系 n3.框架-剪力墙结构体系 n4.筒体结构体系 Date7 框架结构体系典型的平面图 Date8 剪力墙结构平面图 (a) (b)(c) (d)(e) (f) Date9 框架剪力墙结构平面图 Date10 筒体（筒中筒）结构平面图及楼板布置 Date11 n筒体结构系 Date12 筒体结构的转换层 Date13 框架结构震害 n5.1.3 框架结构的震害及其分析 n1.柱端弯剪破坏。 n因柱端弯矩、剪力、轴力都较大。 n2.柱身剪力破坏。 n由剪力、扭矩复合作用引起。 Date14 框架结构震害 n3.角柱破坏。 n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。 n4. 短柱破坏。 n长细比 30 3030 303025 框架四三三二二一一 剧场剧场体育馆馆等大跨公共建筑三二二一 框架-抗震墙结墙结构高度（m） 60 60 60 60 60 6050 框架四三三二二一一 抗震墙墙三二一一 抗震墙结墙结构高度（m） 80 80 80 80 80 80 60 一般抗震墙墙四三三二二一一 部分框支抗震墙墙 结结构 落地抗震墙墙底部加强部位三二二一不应应 采用 不应应 采用框支层层框架二二一一 筒体结结构框架-核心筒框架三二一一 核心筒二二一一 筒中筒内筒三二一一 外筒三二一一 板柱-抗震墙结墙结构板柱的柱三二一不应应 采用 抗震墙墙二二二 关于确定结构抗震等级的说明 n1. 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。 n2. 部分框支抗震墙结构中，抗震墙加强部位以上的一般部位，应允许 按抗震墙结构确定其抗震等级。 n3. 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。 n4. 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。 n5. 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。 Date43 关于确定结构抗震等级的说明续 n6. 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定抗震等级。 n7. 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。 Date44 5.3 框架结构内力与位移计算 n5.3.1 框架结构的水平地震作用计算 n5.3.2 水平地震作用下框架内力的计算 n5.3.3 竖向荷载下框架内力的计算 n5.3.4 内力组合 n5.3.5 框架结构位移验算 Date45 5.3.1 框架结构的水平地震作用计算 n1.水平地震作用的计算方法 n（1）底部剪力法（注意适用范围） n（2）振型分解反应谱法 Date46 5.3.1 框架结构的水平地震作用计算 n2.结构自振周期的计算 n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： n式中：T 周期折减系数。当采用实实砌填充墙时墙时 取T 0.60.7；当采用轻质轻质 或外挂墙墙板时时取T 0.8。 nuT假设设以各楼层层出的重力荷载载Gi为为水平荷载载，按弹弹 性方法求出主体结构顶顶部的位移（m）。 Date47 框架结构的计算简图 n3.空间结构 n框架结构是一个由 横向框架和纵向框 架组成的空间结构 。 Date48 平面计算单元 n4.平面计算单元 n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 Date49 荷载或作用力 n5.各榀平面框架承担的荷载或作用力 n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。 n风荷载：每榀框架只承担计算单元范围内的风荷载值。 n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。 Date50 荷载传递（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 Date51 荷载传递（双向板） 框架梁 框架柱 Date52 计算简图 n6.计算简图 n在平面框架计算简图中，框架杆件用轴线表示。 Date53 计算简图 n底层柱固定端取在基础顶面 。 n除底层外，各层高度取层高 。 n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 Date54 计算简图 n梁柱刚度确定 n梁截面惯性矩计算，考虑现浇楼板作用： n一边有楼板：Ib=1.5I0 n两边有楼板：Ib=2.0I0 nI0按梁的矩形截面bh计算。 n柱截面惯性矩计算： n按照柱子实际截面尺寸确定 Ic Date55 计算简图 n框架上的荷载有： n永久荷载、可变荷载、风荷载、地震作用； n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； n永久荷载和可变荷载分开计算； n先计算荷载标准值，然后计算框架内力标准值，最后内 力组合时再考虑荷载分项系数得内力组合设计值。 Date56 5.3.2 水平荷载下框架内力计算 n1.计算机分析方法：采用计算机程序计算。 n(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。 n(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。 Date57 计算机程序简介续 n(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。 n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。 Date58 用D值法计算框架内力的步骤 n2.手算方法： n 采用反弯点法（用于初步设计估算） n D值法（改进的反弯点法，精度较好） n3.用D值法计算水平荷载下框架内力的步骤 n(1)计算各层柱的侧移刚度D n计算柱子的线刚度： Date59 用D值法计算框架内力的步骤续 n计算第i层第j根柱子的侧移刚度： n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 Date60 用D值法计算框架内力的步骤续 n(2) 计算各根柱所分配的剪力 n已知第i层层间地震剪力：Vi n计算第i层第j根柱子的剪力： n其中， 表示第i层所有柱子侧移刚度之和。 Date61 用D值法计算框架内力的步骤续 n(3)确定柱子反弯点高度y n柱子的反弯点高度： y=(y0+y1+y2+y3)h (5-9) ny0 标准反弯点高度比，查表5.5； n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）。 Date62 修正系数：y1 、y2 、y3 K1+K2K3+K4 n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 同的修正系数y2 和y3查表5.7。 Date63 用D值法计算框架内力的步骤续 n(4)计算柱端弯矩Mc n柱子上端弯矩： n柱子上端弯矩： h-y y h Date64 用D值法计算框架内力的步骤续 n(5)计算梁端弯矩Mb n由节点平衡条件得： Date65 用D值法计算框架内力的步骤续 n(6)计算梁端剪力Vb n(7)计算柱子的轴力N n柱子轴力为各层梁端剪力的代数和： n N=Vbi 边柱中柱 Date66 用D值法计算框架内力的步骤续 n(8)画出水平荷载下框架的内力图 n弯矩图 n轴力图 n剪力图 Date67 5.3.3 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。 Date68 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。 Date69 竖向荷载下框架内力的计算续 n2.分层法计算步骤 n(1)逐层取出开口框架计算简图 Date70 竖向荷载下框架内力的计算续 n(2)计算出梁、柱的线刚度或相对线刚度。 n对柱线刚度作出调整： n底层柱线刚度不变，传递系数为1/2； n其余层柱线刚度乘以系数0.9，传递系数为1/3。 Date71 竖向荷载下框架内力的计算续 n(3)用弯矩分配法计算各开口框架弯矩。 n(4)把计算结果桉节点一一对应迭加，即得整个框架弯矩。 n(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。 Date72 弯矩二次分配法计算步骤 n3.弯矩二次分配法计算步骤 n(1)根据各杆件的线刚度计算各节点杆端弯矩分配系数； n(2)计算竖向荷载下各跨梁的固端弯矩； n(3)对各节点不平衡弯矩进行第一次分配； n(4)将所有杆端的分配弯矩向远端传递，传递系数1/2； n(5)对因传递弯矩而产生的不平衡弯矩进行第二次分配； n(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） Date73 竖向荷载下框架的内力计算 弯矩二次分配法举例 *74 竖向荷载下框架计算简图 n采用弯矩二次 分配法计算图 示框架的弯矩 图。 n图中i为杆件相 对线刚度： i=1.0i=1.0 i=1.0i=1.0 i=1.242 i=1.242 Date75 杆端转动刚度和弯矩传递系数 n杆端的转动刚度： n远端固定：S=4i ；传递系数C=0.5 n远端滑动：S=i ； 传递系数C=1 n远端铰支：S=3i ；传递系数C=0 n远端自由：S=0 Date76 计算各节点的杆端弯矩分配系数 n设杆端近端为A，远端为j n杆端分配系数为： n n 汇交于A节点的各杆转动刚度之和。 nSAj 汇交于A节点的Aj杆的A端转动刚度。 Date77 计算各杆固端弯矩 n均布荷载下的固端弯矩（顺时针为正）： n两端固定： n一端固定另一端滑动支座： Date78 计算图形 n利用对称性，取半 个框架计算，计算 图形如图。 Date79 固端弯矩和分配系数标注到图上 120.6 固端弯矩 Date80 将节点不平衡弯矩进行第一次分配 78.5-98.4 红框内是第一次 分配的弯矩 不平衡弯矩 -120.696.2 120.6 Date81 将分配后的弯矩向远端传递 将传递来的弯矩 写在线下面 柱下端柱下端 Date82 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 Date83 最后，计算杆端弯矩 红框内是杆端 最终弯矩值 Date84 整个计算图 n计算完毕，画 出弯矩图，整 个框架弯矩图 见下页 Date85 竖向荷载下的框架弯矩图 (kNm) Date86 竖向荷载下框架内力的计算续 n4. 梁端的弯矩调幅 n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： n(1)现浇框架结构： =0.8-0.9 n(2)装配整体式框架： =0.7-0.8 n竖向荷载下的弯矩先调幅，再与其它荷载下的弯矩组合。 Date87 竖向荷载下框架内力的计算续 n调幅后跨中弯矩为： n梁端弯矩调幅后，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 Date88 活荷载的不利布置 n5. 关于活荷载的不利布置 n(1)逐跨布置法 n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。 n例如：图示三跨四层框架 。 Date89 活荷载的不利布置 n图示三跨四层框架。 n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。 n可见，计算工作量巨大。 Date90 活荷载的不利布置 n(2)最不利位置法 n对每一控制截面由影响 线确定最不利荷载布置 ，然后进行内力计算。 n图示为荷载下的框架杆 件变形曲线，圆点表示 受拉一侧。 Date91 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 Date92 活荷载的不利布置 n(3)满跨布置 n当活荷载不很大(5kN/m2)时，可以按满跨布置。 n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。 Date93 5.3.4 框架的内力组合 n1.控制截面 n(1)梁：两端截面及跨中截面。 n(2)柱：原则上选择每层柱的上、下端作为控制截面。 n层数不多时，整根柱配筋相同。 n层数较多时，分段配筋。 Date94 5.3.4 框架的内力组合续 n2.内力组合（组合内力设计值） n（1）1.2恒+1.4活 可变荷载控制的组合 n（2）1.35恒+0.71.4活 永久荷载控制的组合 n（3）1.2（恒+0.5活）+1.3震 有地震作用的组合 n 组合时采用表格计算。 n 恒恒载下的内力标准值 n 活活载下的内力标准值 Date95 5.3.4 框架的内力组合续 n3.选取最不利内力用于配筋计算 n(1)梁的最不利内力 n 两端最大正负弯矩和剪力（考虑地震左、右作用）。 n 跨中最大正弯矩，有时也可能出现负弯矩。 n 梁端截面取柱边缘内力组合值用作配筋计算。 n 配筋计算：当层数不多时，各层梁可统一配筋。 n 当层数较多时，可按几层为一段统一配筋。 Date96 n按构件边缘内力进 行配筋计算。 Date97 5.3.4 框架的内力组合续 n(2)柱的最不利内力 n 考虑结构两个主轴方向分别组合。 n 进行柱子两端内力组合，并考虑地震左、右作用。 n 考虑以下几组组合： n 最大弯矩、及相应的剪力和轴力 n 最大轴力、及相应的弯矩和剪力 n 最小轴力、及相应的弯矩和剪力 n 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。 Date98 5.3.5 框架结构位移验算 n1.多遇地震作用下层间弹性位移验算 n（1）层间地震剪力：Vi n（2）层间刚度： n（3）层间弹性位移： n（4）层间弹性位移验算： Date99 5.3.5 框架结构位移验算续 n2.罕遇地震作用下层间弹塑性位移验算 n(1)楼层屈服强度系数： n其中： nVei 按罕