框架结构抗震设计经典讲义.ppt

2019/4/8,1,第五章,多层及高层 钢筋混凝土房屋抗震设计,2019/4/8,2,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,2019/4/8,3,5.1 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。,2019/4/8,4,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。,2019/4/8,5,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）,2019/4/8,6,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。,2019/4/8,7,结构体系,5.1.2 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-剪力墙结构体系 4.筒体结构体系,2019/4/8,8,框架结构体系典型的平面图,2019/4/8,9,剪力墙结构平面图,(a),(b),(c),(d),(e),(f),2019/4/8,10,框架剪力墙结构平面图,2019/4/8,11,筒体（筒中筒）结构平面图及楼板布置,2019/4/8,12,筒体结构系,2019/4/8,13,筒体结构的转换层,2019/4/8,14,框架结构震害,5.1.3 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。,2019/4/8,15,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4时为短柱 短柱刚度大，分配到的地震剪力也大，常发生剪切破坏。,2019/4/8,16,框架结构震害,5. 梁柱节点破坏 因箍筋不足，在剪压作用下节点区破坏。 6. 梁端纵筋锚固不足，产生锚固破坏。 7. 梁端剪切破坏。 8. 填充墙破坏 因框架层间位移较大，而砖砌体的极限变形很小。这样，在地震作用下填充墙容易产生裂缝，甚至倒塌。,2019/4/8,17,5.2 抗震设计的一般要求,5.2.1 结构体系选择 5.2.2 结构布置 5.2.3 结构抗震等级,2019/4/8,18,结构体系选择,5.2.1 结构体系选择 1. 房屋最大适用高度 抗震规范在考虑地震烈度、场地土、抗震性能、使用要求、经济效果等因素，并在总结震害经验的基础上，对现浇钢筋混凝土房屋的适用高度给出了规定，见表5-1。 对于平面和竖向均不规则的结构或建造与类场地的结构，适用最大高度应适当降低。,2019/4/8,19,房屋适用的最大高度,表5-1 现浇钢筋混凝土房屋适用的最大高度,2019/4/8,20,房屋的最大高宽比,2. 高层建筑的最大高宽比 高层建筑的高宽比一般不宜超过下表（表5-2）的限值。,2019/4/8,21,基础的选择,3.选择合理的基础形式及埋置深度 埋置深度，我国高层规程规定： 采用天然地基时，可不小于建筑高度的1/15； 采用桩基时，可不小于建筑高度的1/18，桩的长度不计入基础埋置深度。 当基础落在基岩上时，埋深可根据工程具体情况确定，可不设地下室，但应采取地锚等措施。,2019/4/8,22,基础的选择,常用的基础形式 独立基础； 条形基础、十字交叉基础； 筏板基础：梁板式、平板式； 箱形基础：由底板、顶板及纵横墙体构成； 桩基础（深基础）：磨擦桩、端承桩；,2019/4/8,23,基础的形式,筏板基础,条形基础,十字形基础,箱形基础,2019/4/8,24,基础的形式,桩基础,桩,承台,2019/4/8,25,5.2.2 结构布置,1.多高层钢筋混凝土结构房屋结构布置的基本原则是： 结构平面布置 平面布置力求简单规则； 结构的主要抗侧力构件应对称均匀布置； 尽量使结构的刚心与质心重合。,2019/4/8,26,结构布置,结构的竖向布置 应使其质量沿高度方向均匀分布； 避免结构刚度突变； 应尽可能降低建筑物的重心，以利结构的整体稳定性。 合理地设置防震缝（p.85-86） 加强楼屋盖的整体性,2019/4/8,27,框架结构体系,2.框架结构种类 按照施工方法不同分为： 整体式现浇框架。整体性好，抗震能力强。 装配式梁、柱等构为预制。施工速度快，整体性差。 装配整体式部分构件预制，其余部分现浇。工程中常见的是柱子现浇，梁、板预制，做整体浇筑层。,2019/4/8,28,框架结构布置,3. 框架结构布置 按照结构布置不同，框架结构可分为三种布置方案： 横向承重方案 纵向承重方案 纵横向承重方案,2019/4/8,29,横向承重框架,纵向承重框架,纵横向承重框架,2019/4/8,30,框架结构布置,(1)为抵抗不同方向的地震作用，承重框架宜双向设置。 常见框架的柱网形式有方格式与内廊式两类，见图5-3。,方格式柱网,内廊式柱网,2019/4/8,31,框架结构布置,框架结构剖面图,多层多跨框架,复式框架（缺梁）,2019/4/8,32,框架结构布置,(2)楼电梯间不宜设在结构单元的两端及拐角处。因为单元角部扭转应力大，受力复杂，容易造成破坏。 (3)框架刚度沿高度不宜突变，以免造成薄弱层。 (4) 宜将框架梁设置在同一标高处，尽可能不采用复式框架，避免出现错层和夹层，造成短柱破坏,2019/4/8,33,框架结构布置,(5)出屋面小房间不要做成砖混结构，可将框架柱延伸上去或做钢木轻型结构，以防鞭端效应造成结构破坏。 (6)梁与柱的轴线宜重合，不能重合时其最大偏心距不宜大于柱宽的1/4。 (7)框架结构中填充墙的要求 非承重墙体的材料应优先采用轻质墙体材料。,2019/4/8,34,框架结构布置, 刚性非承重墙体的布置，在平面和竖向的布置宜均匀对称，避免形成薄弱层或短柱。 墙体与结构体系应有可靠的连接或拉结，应能适应不同方向的层间位移。 砌体填充墙宜与梁柱轴线位于同一平面内。,2019/4/8,35,抗震缝布置,4. 抗震缝布置 对于体形复杂、平立面特别不规则的建筑结构，可按实际需要在适当部位设置防震缝。 防震缝应根据抗震设防烈度、结构材料种类、结构类型、结构单元的高度和高差情况，留有足够的宽度。 当设置伸缩缝和沉降缝时，其宽度应符合防震缝的要求。,2019/4/8,36,抗震规范规定，防震缝最小宽度应符合下列要求： 1.框架结构房屋的防震缝宽度，当高度不超过15m时可采用70mm；超过15m时度、7度、8度和9度相应每增加高度5m、4m、3m和2m，宜加宽20mm。 2.框架-剪力墙结构房屋，其防震缝宽度可采用框架结构房屋规定数值的70，但不宜小于70mm。 3.防震缝两侧结构体系不同时，防震缝宽度按不利体系考虑，并按低的房屋高度计算缝宽。,抗震缝布置,2019/4/8,37,框架结构单独基础连系梁的布置 框架结构单独基础有下列情况之一时，宜沿两个主轴方向设置基础连系梁： (1)一级框架和类场地的二级框架。 (2)各柱基承受的重力荷载代表值差别较大。,基础连系梁布置,2019/4/8,38,基础连系梁布置,(3)基础埋置较深，或各基础埋置深度差别较大。 (4)地基主要受力层范围内存在软弱粘土层、液化土层和严重不均匀土层。 (5)桩基承台之间。,2019/4/8,39,5.2.3 结构抗震等级,1. 钢筋混凝土结构的地震反应特点 （1）地震作用越大房屋的抗震要求越高。 不同的设防烈度和场地上，同样结构所具有的实际抗震能力会有较大的差别。因此，对于不同设防烈度和场地的结构抗震要求应加以区别。,2019/4/8,40,结构抗震等级,（2）结构的抗震能力主要取决于抗侧力构件的性能，主、次要抗侧力构件的抗震要求应有所区别。 例如：框架结构中的框架抗震要求应高于框架-抗震墙中的框架。框支墙结构的框架抗震要求更高。框架-剪力墙结构中的剪力墙抗震要求应高于剪力墙结构中剪力墙。 （3）房屋越高，地震反应越大，其抗震要求应越高。,2019/4/8,41,结构抗震等级,2. 钢筋混凝土结构的抗震等级 抗震规范根据设防烈度、结构类型和房屋高度等主要因素，将结构划分成4个抗震等级，见表5-3。,表5-3 丙类多层及高层现浇钢筋混凝土结构的抗震等级,2019/4/8,43,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。,2019/4/8,44,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。,2019/4/8,45,5.3 框架结构内力与位移计算,5.3.1 框架结构的水平地震作用计算 5.3.2 水平地震作用下框架内力的计算 5.3.3 竖向荷载下框架内力的计算 5.3.4 内力组合 5.3.5 框架结构位移验算,2019/4/8,46,5.3.1 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,2019/4/8,47,5.3.1 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顶部的位移（m）。,2019/4/8,48,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。,2019/4/8,49,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,2019/4/8,50,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。,2019/4/8,51,荷载传递（单向板）,2019/4/8,52,荷载传递（双向板）,框架梁,框架柱,2019/4/8,53,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。,2019/4/8,54,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,2019/4/8,55,计算简图,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=2.0i0 i0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,2019/4/8,56,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。,2019/4/8,57,5.3.2 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。,2019/4/8,58,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。,2019/4/8,59,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：,2019/4/8,60,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,2019/4/8,61,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。,2019/4/8,62,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）。,2019/4/8,63,修正系数：y1 、y2 、y3,k1+k2k3+k4,k1+k2k3+k4,上下层梁刚度不同的修正系数 y1，查表5.6（注意正负号）。,上、下层层高与本层层高不同的修正系数y2 和y3查表5.7。,2019/4/8,64,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-y,y,h,2019/4/8,65,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：,2019/4/8,66,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,2019/4/8,67,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,2019/4/8,68,5.3.3 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。,2019/4/8,69,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。,2019/4/8,70,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,2019/4/8,71,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。,2019/4/8,72,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。,2019/4/8,73,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）,2019/4/8,74,竖向荷载下框架的内力计算,弯矩二次分配法举例,2019/4/8,75,竖向荷载下框架计算简图,采用弯矩二次分配法计算图示框架的弯矩图。 图中i为杆件相对线刚度：,i=1.0,i=1.0,i=1.0,i=1.0,i=1.242,i=1.242,2019/4/8,76,杆端转动刚度和弯矩传递系数,杆端的转动刚度： 远端固定：s=4i ；传递系数c=0.5 远端滑动：s=i ； 传递系数c=1 远端铰支：s=3i ；传递系数c=0 远端自由：s=0,2019/4/8,77,计算各节点的杆端弯矩分配系数,设杆端近端为a，远端为j 杆端分配系数为： 汇交于a节点的各杆转动刚度之和。 saj 汇交于a节点的aj杆的a端转动刚度。,2019/4/8,78,计算各杆固端弯矩,均布荷载下的固端弯矩（顺时针为正）： 两端固定： 一端固定另一端滑动支座：,2019/4/8,79,计算图形,利用对称性，取半个框架计算，计算图形如图。,2019/4/8,80,固端弯矩和分配系数标注到图上,120.6,固端弯矩,2019/4/8,81,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,-120.6,96.2,120.6,2019/4/8,82,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,2019/4/8,83,进行第二次分配,-3.5,蓝框内是第二次分配的弯矩,23.7,-13.1,11.8,不平衡弯矩,2019/4/8,84,最后，计算杆端弯矩,红框内是杆端最终弯矩值,2019/4/8,85,整个计算图,计算完毕，画出弯矩图，整个框架弯矩图见下页,2019/4/8,86,竖向荷载下的框架弯矩图 (knm),2019/4/8,87,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。,2019/4/8,88,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，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%。,2019/4/8,89,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。,2019/4/8,90,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。,2019/4/8,91,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。,2019/4/8,92,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,2019/4/8,93,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。,2019/4/8,94,5.3.4 框架的内力组合,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。 层数不多时，整根柱配筋相同。 层数较多时，分段配筋。,2019/4/8,95, 5.3.4 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,2019/4/8,96, 5.3.4 框架的内力组合续,3.选取最不利内力用于配筋计算 (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。,2019/4/8,97,按构件边缘内力进行配筋计算。,2019/4/8,98, 5.3.4 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