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2.5 框架结构内力和侧移的近似计算方法

多层空间框架结构采用有限元分析程序可以得到精确的内力、侧移计算结果。如前所述,为掌握基本概念、规律,可将空间框架结构简化为二维平面框架结构,并采用近似方法进行内力、侧移计算,例如采用分层法计算竖向荷载作用下的框架内力,采用反弯点法或 D 值法计算水平荷载下框架的内力、变形。平面框架同时承担竖向力、水平荷载[图2.2(d)和图2.2(e)]时,则分别计算框架在竖向力或水平荷载单独作用下的内力,并将计算结果叠加。

2.5.1 框架结构的计算简图

1)计算单元的确定

按照如图2.2所示方法将空间框架简化为平面框架之后,可在各榀横向框架中选取有代表性的一榀作为计算单元,当横向框架的荷载、构件截面尺寸等均相同时,一般取中间一榀平面框架进行计算(其结果可代表其他各榀横向框架);各榀纵向框架可按相同方法选取计算单元。当纵向框架数量少时(例如图2.2中仅3榀纵向框架),边榀纵向框架与中间榀纵向框架的荷载、梁柱尺寸可能存在明显差别,此时可分别进行计算。

2)梁柱节点的计算模型

在框架结构的计算简图中,应根据节点的构造措施、施工方法选择相应的节点计算模型。

对于普遍应用的现浇钢筋混凝土框架结构,由于梁和柱的纵筋都穿过节点或锚固在节点之中,节点区混凝土现场浇筑,可有效地传递弯矩,应按刚性节点模型进行计算。

在装配式框架中,构件的连接方法一般是通过在梁和柱的适当部位预埋钢板,构件吊装就位后再采用焊接等方法将构件连接在一起。由于钢板在其平面外刚度很小,这类节点一般采用铰节点模型[图2.3(h)]或半铰节点模型[图2.3(i)]进行计算。

在装配整体式框架结构中,梁(柱)纵筋在节点内搭接、弯折或焊接后,现场浇筑节点混凝土,因此其受力性能与现浇框架的节点类似,可视为刚性节点。不过,这种节点的刚性可能较现浇节点稍差,故节点处的梁端负弯矩一般略小于按刚性节点假定计算的结果。

多层现浇框架中,框架柱与基础常采用刚接连接方式,如图2.18(a)所示(以柱下独立基础为例)。预制柱与基础的连接可采用刚接方式[图2.18(b)]或铰接方式[图2.18(c)],柱底部的约束条件则相应简化为固定支座、铰接支座。

图2.18 柱与基础的连接构造

3)梁跨度、柱高度的确定

在多层框架的计算简图中,合理的方法是根据梁、柱的截面形心线位置确定梁跨度、柱高度。为简化工程计算,梁的跨度也可近似取柱轴线之间的距离,当上层柱截面尺寸减小时,一般以最小截面的形心线位置确定梁跨度。确定框架柱的长度时,底层柱的高度取从基础顶面至二层楼面板顶面之间的距离,其他各层柱的高度取相邻两层楼面板顶面之间的距离。

4)梁的截面抗弯刚度确定

在计算框架梁的截面惯性矩 I 时,应考虑楼板的影响。在负弯矩作用下(例如框架梁靠近支座的部分)楼板受拉,可认为楼板混凝土受拉开裂后退出工作,其影响较小;在正弯矩作用下(例如框架梁靠近跨中的部分)楼板受压,故其影响较大。为简化计算模型,在多层框架的计算简图中一般假定梁的截面惯性矩沿长度不变,并根据楼板的类型适当调整梁的截面惯性矩(《高层建筑混凝土结构技术规程》建议取1.3~2.0的修正系数)。对于现浇楼盖,简化方法是中框架取 I =2 I 0 ,边框架取 I =1.5 I 0 ;对于装配整体式楼盖,中框架取 I =1.5 I 0 ,边框架取 I =1.2 I 0 ;对于装配式楼盖,取 I = I 0 。其中 I 0 为不考虑楼板影响时梁的惯性矩。

5)荷载计算

框架上作用的荷载可分为水平荷载、竖向荷载两大类。

水平荷载包括风荷载、地震作用,可按照相关规范的方法进行计算,最后一般简化为作用在节点的水平集中力[图2.2(d)和图2.2(e)]。

竖向荷载包括结构自重、楼(屋)面活荷载、非结构构件自重(如填充墙等)、雪荷载、屋面积灰荷载和施工检修荷载等。竖向荷载可能是分布荷载,也可能是集中荷载。其中,楼(屋)面活荷载、楼(屋)面恒载的计算方法与第1章相同;梁上活荷载(例如梁上填充墙自重)、恒载(例如梁的自重)可按照常规方法进行计算。

6)填充墙对框架计算模型的影响

在钢筋混凝土框架结构中,填充墙属于非结构构件。填充墙常采用轻质材料,一般附着在楼面、屋面的梁上。填充墙与钢筋混凝土柱的连接方式对框架结构的受力性能、抗震能力有影响,但由于填充墙的设置在建筑物的使用过程中具有不确定性,且难以准确计算其贡献,框架结构的计算模型一般采用简化方法考虑填充墙的影响。

当填充墙与框架柱之间留有缝隙、彼此脱开、仅通过钢筋柔性连接时,框架的计算模型可只考虑填充墙的质量(梁上线荷载)。但是,当采用刚性连接方式,即填充墙沿高度方向设置有拉结钢筋并与柱紧密连接时,填充墙对框架的刚度、强度的影响较明显,特别是在水平荷载作用下,填充墙的作用类似于双向布置的与节点相连的斜压杆。因此,填充墙采用刚性连接方式时,框架的计算模型除应考虑填充墙的重量对梁施加线荷载之外,在计算地震作用的过程中,还通过折减框架结构基本周期的方法近似考虑填充墙对结构刚度的贡献。

7)框架设计例题

某现浇钢筋混凝土框架结构的设计条件、结构平面布置等详见2.7.1节;典型横向框架计算简图的确定方法,包括竖向恒载、活载以及水平地震作用、风荷载作用下的计算简图等,详见2.7.3节~2.7.8节,以及2.7.10节。

2.5.2 竖向荷载作用下框架结构的内力计算

在竖向荷载作用下,规则多层框架结构的侧移非常小,可以将其近似为无侧移框架。因此,可以方便地采用弯矩分配法或迭代法计算其内力,或采用更简便的分层法进行计算。本节介绍分层法的基本思路和计算方法。

1)分层法的基本假定和计算思路

分层法的基本假定有以下两点:

①竖向荷载作用下,框架的侧移很小,可忽略其影响;

②每一层梁上的荷载只对本层的梁和相连上下柱产生内力,忽略它对其他各层梁及其他柱内力的影响。

由于假定①,分层法可以采用力矩分配法计算。

假定②引起的误差较小,该假定近似成立的原因是,竖向荷载主要使本层梁及与该梁相连柱产生较大内力,该荷载对其他楼层梁、柱内力的影响小。与本层梁相连柱的远端(包括下层柱的下端、上层柱的上端)一般有其他层的梁和柱,故传递给柱远端的弯矩(其传递系数介于0~0.5)在该柱远端要进行分配,使相邻层的梁端和柱端形成弯矩,然后再进一步向各杆件的远端传递。可见,杆件弯矩随着传递和分配次数的增加不断减小,且梁的线刚度越大,减小越快。因此,分层法更适用于梁柱线刚度比较大(例如不小于3)、竖向荷载沿高度分布较均匀的多层框架。采用假定②的好处是,原多层框架可分解为多个单层开口框架分别计算。

如图2.19(a)所示,竖向荷载作用下的多层框架可以分解为各层竖向荷载单独作用时框架内力的叠加,对于弹性小变形计算,叠加原理成立,这一分解过程是准确的。

然后,采用假定②,可在图2.19(a)中仅保留有竖向荷载作用的梁以及相连的柱(虚线部分的构件内力很小,可忽略),即得到如图2.19(b)所示的实线部分。

最后,将与楼层梁相连的柱远端加上约束条件(将其近似为固定端),形成与每个楼层对应的开口框架,如图2.19(c)所示。

图2.19 分层法计算的基本思路

2)分层法的误差修正

在如图2.19所示的计算过程中,图2.19(b)所形成的误差是由分层法基本假定②所引起的,一般无须进行修正。在图2.19(c)所示的各楼层开口框架计算中,假定上、下柱的远端为固端约束,实际上除底层柱下端外其他框架节点是有转角变形的,即图2.19(b)中虚线部分对实线柱的约束作用是介于铰接约束与固定约束之间的弹性约束,这将导致计算误差。

为了减小误差,按如图2.19(c)所示计算简图进行计算时需做如下修正:

①除底层柱外,其他各层柱的线刚度均乘0.9的折减系数;

②除底层柱外,其他各层柱的弯矩传递系数取为1/3,底层仍为1/2。

需注意的是,按分层法将各层梁及上下柱作为独立单元(开口框架)进行计算时,各开口框架计算得到的梁弯矩即为该梁在原框架中的弯矩,但由于每一层柱同时属于上、下两层开口框架,因此每一根柱的弯矩需由上、下两层开口框架计算所得的弯矩值叠加得到,即原框架中每一柱的端部弯矩均等于上、下两层开口框架计算所得弯矩之和。

由于柱端弯矩为上、下两层开口框架柱端弯矩之和,因此叠加后的弯矩图往往在框架节点处不平衡。节点不平衡弯矩一般需进行修正,即将这些不平衡弯矩进行一次分配。

3)分层法的计算步骤

一般以梁端弯矩为出发点计算其他内力,并可采用以下基本步骤:

①画出框架计算简图(包括框架梁跨度、柱高度、荷载、节点和杆件编号等)。

②按规定计算梁、柱的线刚度(注意对框架梁截面惯性矩进行修正)。

③除底层柱外,其他各层柱的线刚度乘以0.9的折减系数。

④计算各杆件在节点处的弯矩分配系数及传递系数,具体包括:

a.按照弯矩分配法相关规定计算转动刚度、弯矩分配系数;

b.对底层基础处,若为嵌固端,传递系数为1/2;若为铰支,传递系数为0;

c.其他各层柱的弯矩传递系数取为1/3。

⑤用弯矩分配法从上至下分别计算各楼层开口框架的杆端弯矩。

⑥叠加相关各层开口框架求得柱端弯矩,对节点不平衡弯矩进行一次分配。

⑦根据梁端弯矩及梁上荷载求得梁跨中弯矩。

⑧由静力平衡条件求得梁端剪力、柱端剪力、柱轴力。

4)分层法的算例

对于2.7节给出的多层框架,通过荷载导算(见2.7.4节和2.7.5节)可得到③轴线平面框架在恒载、竖向活荷载作用下的计算简图,如图2.41和图2.43所示。

采用分层法对③轴线平面框架在恒载、竖向活荷载作用下的内力进行计算,其过程、结果分别详见2.7.12节和2.7.13节。

2.5.3 水平荷载作用下计算框架结构内力的反弯点法

对于较为规则、层数不多的框架结构,柱轴向变形对框架的内力、变形影响小,可采用反弯点法或 D 值法(下一小节介绍)计算框架结构的内力和变形。

1)水平荷载作用下框架内力和变形的特点

如前所述,风荷载、地震作用一般可简化为作用在框架节点上的水平集中力,如图2.20(a)所示。

在节点水平荷载作用下,根据结构力学的基本知识可知,多层框架的弯矩图[图2.20(a)]具有以下特点:各梁、柱的弯矩是直线形分布,且一般有一个反弯点(图中弯矩为零的位置称为反弯点)。因此,如果能求出各柱反弯点位置及各柱所分配到的层间剪力,则各梁、柱的内力很容易计算。

图2.20 框架在节点水平荷载作用下的弯矩图和变形图

节点水平荷载作用下多层框架的变形如图2.20(b)所示。由于楼板平面内刚度很大,可忽略梁的轴向变形,因此,同一楼层各节点具有相同的侧向位移和层间位移。框架上部各节点均有转角,且各节点的层间位移和转角从底层往上逐渐减小。这种变形特征与框架的楼层剪力从底层向上越来越小有关。

2)反弯点法的基本假定

为了能方便地确定反弯点的位置、每层各柱的剪力,可假定:

①在确定柱的反弯点位置时,假定除底层柱外,其他各层柱的上、下端节点转角均相同。因此,除底层柱外的其他各层柱的反弯点位于层高的中点;底层柱的反弯点则假定位于距下支座2/3层高处。

②在计算各柱剪力时,假定梁的线刚度无限大(即柱上、下端不发生角位移)。对于层数较少、楼面荷载较大的框架结构,本假定与实际情况较符合。

结合前述框架变形图特征可知,无论假定①的柱上下端节点转角相同,还是假定②的柱上下端不发生角位移,它们均与图2.20(b)所示的框架变形实际情况有差别,这显然会引起计算误差。当框架结构的梁线刚度相对柱较大时,柱上、下端的节点转角较小,柱较为接近两端固定约束的构件,柱的反弯点一般在构件中点附近,则假定①、假定②近似成立。理论推导和计算分析均表明,当梁柱线刚度之比超过3时,由上述假定所引起的误差较小,能满足工程设计的精度要求。

3)反弯点法的柱剪力计算方法

在上述假定②的基础上,可以建立两端固定柱的侧向刚度的概念,并可进一步推导每一楼层各柱剪力的计算方法。

由假定②可知,在水平力作用下,柱上、下端不发生角位移,仅发生楼层水平位移Δ u j

图2.21 两端固定柱的变形及弯矩

当Δ u j =1(单位水平位移)时,柱的变形如图2.21(a)所示。由结构力学的杆件转角位移方程可知,该柱上、下端的弯矩均为6 i / h [图2.21(b)],故该柱的剪力为:

将两端固定等截面柱的上、下端产生单位相对水平位移(Δ u j =1)所需在柱顶施加的水平力定义为该柱的抗侧刚度,用符号 d 表示。由柱侧向刚度 d 的定义及式(2.1)可知:

式中 i ——柱的线刚度;

h ——柱高度。

式(2.2)表明,在框架结构中,各柱的抗侧刚度 d 只与柱本身有关,忽略了梁对框架结构变形能力的影响。

以图2.22(a)所示的框架结构为例,框架共 n 层,每层有 m 根柱。

首先,将框架沿第 j 层各柱的反弯点处切开,各柱的未知剪力和轴力如图2.22(b)所示。对于图2.22(b)中的脱离体,按水平方向的力平衡条件有:

式中 V F j ——第 j 层的楼层剪力,它可以根据节点水平力 F i 求得。

由于第 j 层各柱具有相同的层间位移Δ u j (即忽略梁的轴向变形),对于第 j 层任意第 k 根柱,根据抗侧刚度 d 的定义可以写出:

图2.22 反弯点法的柱剪力计算方法推导

将式(2.4)代入式(2.3)有

将式(2.6)代入式(2.4)得

当同一楼层柱高度相同时,式(2.7)可改写为

式(2.7)和式(2.8)表明:规则框架结构中,同一楼层各柱剪力按各柱的抗侧刚度 d jk 之比对楼层剪力 V F j 进行分配;考虑到同一楼层柱的高度一般相同,因此同层各柱剪力可按各柱的线刚度 i jk 之比进行分配。

4)反弯点法的计算步骤

①确定各楼层柱的反弯点位置。

②计算各楼层每一柱的抗侧刚度 d [式(2.2)]。

③计算各楼层的层间剪力 V F j [式(2.3)],并将 V F j 分配给本楼层各柱[式(2.7)或式(2.8)]。

④计算柱端弯矩。结合第①、③步的结果,即可得到柱端弯矩。

⑤计算梁端弯矩。中间节点的梁端弯矩之和 由节点弯矩平衡条件求出,然后可近似按节点左、右梁的线刚度对 进行分配,具体详见式(2.9)。

式中 ——节点左、右梁端弯矩;

——节点上、下柱端弯矩;

——节点左、右梁的线刚度。

⑥计算其他内力。

5)反弯点法的算例

以2.7节给出的钢筋混凝土房屋的③轴线平面框架为原型,由于其梁柱线刚度比不满足反弯点法的要求,因此将框架梁的截面尺寸加大,形成了如图2.23所示的计算简图。下面采用反弯点法计算该框架在风荷载作用下的内力。

(1)抗侧刚度( d 值)

以2~5层为例,由于 = =3.6,因此可以采用反弯点法进行计算。

首先,计算各柱的抗侧刚度 d 值。该平面框架的2根中柱、2根边柱的 d 值均分别相同。

①位于Ⓑ轴、Ⓒ轴的框架柱:

图2.23 框架在风荷载作用下的计算简图
(注:梁、柱旁的数字是各构件的线刚度,单位×10 4 kN·m)

(2)反弯点高度

根据反弯点法,按照底层柱的反弯点在距柱下端2/3底层层高处、上部各层柱的反弯点在层高中点的原则可确定各柱的反弯点位置,具体结果见表2.6和表2.7(表中 表示柱反弯点位置距离该层柱下端的距离)。

(3)柱剪力和柱端弯矩

按照框架柱的 d 值按比例将楼层剪力分配给该楼层各柱,即可得各柱的剪力;然后再结合各柱的反弯点高度,可得到③轴线框架的边柱、中柱的柱端弯矩,分别见表2.6和表2.7。

表2.6 横向风荷载作用下框架中柱(Ⓑ轴、Ⓒ轴框架柱)的端部弯矩

表2.7 横向风荷载作用下框架边柱(Ⓐ轴、Ⓓ轴框架柱)的端部弯矩

(4)梁端弯矩、剪力

以第1层Ⓐ~Ⓑ轴线之间的框架梁为例,框架梁的端部弯矩、剪力的计算方法如下:

(5)柱轴力

根据框架梁的剪力可计算柱轴力。以Ⓑ轴线上框架柱为例,其底层上端的轴力为:

= =(0.85-0.65)+(2.76-2.11)+(4.87-3.73)+(6.97-5.34)+(8.00-6.13)=5.49kN

(6)内力图

综合以上结果,可绘制左风作用下框架的弯矩图、剪力图和轴力图(图2.24)。

图2.24 左风作用下3轴线框架内力图

2.5.4 水平荷载作用下计算框架结构内力的 D 值法

采用反弯点法计算规则框架的内力具有简便、快捷的优点;不足之处是计算柱剪力时采用的“梁线刚度无穷大”假定,以及假定各柱的反弯点高度为定值将导致计算误差,特别是梁柱线刚度的比值小于3时,反弯点法的误差较明显。

为了得到更准确的计算结果,可以在反弯点法的基础上对柱侧向刚度、反弯点高度的计算方法进行修正,这即是日本学者武藤清教授提出的修正反弯点法。由于修正反弯点法将修正后的柱抗侧刚度用 D 表示,故一般简称其为 D 值法。

1)对柱剪力计算方法的修正

反弯点法的柱抗侧刚度 d 仅与柱自身有关;而在 D 值法中,柱的抗侧刚度 D 需考虑梁柱线刚度的影响。

当梁线刚度相对于柱而言不大时,框架结构中间层的柱上、下端均有不可忽略的转角[图2.20(b)],同时柱两端仍然有相对水平位移。因此在框架结构中,某柱的变形、弯矩分布可表示为如图2.25所示形式。

采用结构力学的杆件转角位移方程仍然可以写出具有如图2.25(a)所示变形时的柱端弯矩表达式。当Δ u j = u j - u j -1 =1时,该柱上、下端的弯矩与节点转角有关。

对于如图2.22所示的框架结构,通过假定某中间层柱上、下端的节点转角以及与该柱上、下、左、右相邻杆件远端的节点转角均相等,可以推导框架第 j 层第 k 根中柱的剪力 V jk 为:

仍然将等截面柱上、下端产生单位相对水平位移(Δ u j =1)的柱剪力定义为该柱的抗侧刚度(用符号 D 表示),因此第 j 层第 k 根柱的抗侧刚度为:

图2.25 两端有节点转角时柱的变形与弯矩

图2.26 D 值法中修正系数 α c 的计算简图

式中 ——柱的线刚度和高度;

α c ——考虑梁柱线刚度比值对柱抗侧刚度影响的修正系数,根据其推导过程可知:

(1)对于中间层中柱、边柱[图2.26(a)],按下式计算 α c

式中 K ——梁柱线刚度比值,按式(2.13)进行计算。

(2)对于底层中柱、边柱[固结时,见图2.26(b)],按下式计算 α c

式中 K 按式(2.15)进行计算。

(3)对于底层中柱、边柱[铰结时,见图2.26(c)],按下式计算 α c

式中 K 按式(2.17)进行计算。

对于图2.26的各种类型的边柱,在计算 K 时,对于不存在的梁,该梁的线刚度取零。由以上给出的 K α c 的计算式可知,当框架梁的线刚度无穷大时, K →∞ , α c →1;当 α c =1时,式(2.11)即为反弯点法的柱抗侧刚度表达式。

求得各柱的抗侧刚度 D 之后,可按照与反弯点法类似的推导过程[式(2.3)—式(2.8)以及图2.22]得到该框架第 j 层第 k 根柱的剪力为

2)对柱反弯点位置的修正

柱反弯点的位置与上、下端的转角(或转动约束条件)有关。当柱上、下端的转角相同时,反弯点位于柱的中点;当柱上、下端的约束刚度不同时,柱反弯点总是向转角更大的柱端移动,即向约束弱的柱端靠近。

框架结构中,影响柱两端约束刚度的因素较多,主要有:

①结构总层数及该柱所在位置;

②梁柱线刚度比;

③水平荷载的分布形式;

④上层梁与下层梁的刚度比;

⑤上层与下层的层高比。

D 值法将反弯点距柱下端的距离定义为 yh ,其中 h 为柱高度, y 为柱反弯点高度比,并通过以下途径考虑上述各因素对柱反弯点位置的影响。

首先,用结构力学方法分析计算标准情况下(即各楼层层高、各层梁柱线刚度均相同的情况)的反弯点高度比 y 0 ;其次,逐次变化上述各主要影响因素(逐次改变层高、各层梁柱线刚度的取值),分别计算其对 y 0 的修正;最后,将上述结果制成表格,以供设计时查用。

D 值法计算柱反弯点位置的公式为:

式中 y 0 ——标准反弯点高度比,按附表2.1、附表2.2确定;

y 1 ——考虑上层梁与下层梁刚度比影响的高度比修正值,按附表2.3确定;

y 2 , y 3 ——考虑上层层高变化或下层层高变化影响的高度比修正值,按附表2.4确定。

按附表2.3确定 y 1 时应注意,当( i 1 + i 2 )<( i 3 + i 4 )时(下部楼层梁线刚度更大),柱反弯点上移,取 I =( i 1 + i 2 )/( i 3 + i 4 )进行查表并确定 y 1 的取值;当( i 1 + i 2 )>( i 3 + i 4 )时(上部楼层梁线刚度更大),柱反弯点下移,应取 I =( i 3 + i 4 )/( i 1 + i 2 )进行查表,同时在查得的 y 1 值前加负号 ;对于底层柱,不考虑上、下层梁刚度比的影响,取 y 1 =0。

按附表2.4确定 y 2 y 3 时应注意,若上层层高较高,反弯点向上移动 y 2 h ,若下层层高较高,反弯点向下移动 y 3 h ;对于底层柱,不考虑 y 3 的修正,取 y 3 =0;对于顶层柱,不考虑 y 2 的修正,取 y 2 =0。

3) D 值法的计算步骤

D 值法的计算步骤与反弯点法基本相同,只是计算柱侧移刚度 D 、柱反弯点高度 yh 采用的方法不同。

4) D 值法的算例

在2.7节给出的钢筋混凝土框架结构中,③轴向平面框架在风荷载、水平地震作用下的内力均采用 D 值法进行计算,其过程、结果分别详见2.7.9节和2.7.11节。

2.5.5 框架结构的侧移计算及层间侧移限值

多层多跨框架结构在水平地震作用下或风荷载作用下将产生侧向变形(竖向荷载作用下框架结构的侧移可近似忽略)。对框架结构进行设计时,应注意对框架的侧向位移进行控制,以确保结构的抗侧刚度、避免填充墙开裂等。

1)框架结构的弹性侧向变形特征

在水平荷载作用下,框架结构的侧向变形由两部分组成:由梁柱弯曲变形引起的变形(总体剪切变形)、由柱轴向变形引起的变形(总体弯曲变形),如图2.27所示。

图2.27 框架结构的侧移图

如图2.27(a)所示,只考虑梁、柱的弯曲变形时(忽略各构件的轴向变形、剪切变形,且梁柱线刚度之比较大),框架结构在水平力作用下的层间侧移呈现下部大、上部小的特征(即Δ u 1 u j ),这种侧移分布特征与悬臂杆的剪切变形曲线类似,因此称其为总体剪切变形。

对于高层框架结构,水平荷载下框架柱的轴力相当大。如图2.27(b)所示,只考虑柱的轴向变形时,在水平力作用下左侧柱(轴拉力)的轴向伸长、右侧柱(轴压力)的轴向压缩会导致框架产生侧移,其层间侧移呈现上部大、下部小的特征,这种侧移分布特征与悬臂杆的弯曲变形曲线类似,因此称其为总体弯曲变形。

对于常用的多层框架结构,其侧移变形以总体剪切变形为主(这种框架可称为剪切型框架),即计算时可仅考虑梁、柱的弯曲变形引起的侧移。对于较高的框架结构,柱轴力大,房屋结构的高宽比较大,总体弯曲变形的影响一般不再忽略,即计算框架的侧移时可同时考虑梁柱的弯曲变形引起的侧移、柱轴向变形引起的侧移。

2)多层框架结构的侧移计算

多层框架结构可仅考虑梁、柱的弯曲变形引起的侧移,因此可根据前面的柱抗侧刚度计算表达式和定义得到框架各楼层的抗侧刚度和弹性侧移的近似计算结果。

框架同一楼层各柱具有相同的层间位移Δ u j ,由柱抗侧刚度的定义可知,框架柱的弹性层间位移Δ u j 与外荷载在该层产生的层间剪力 V j 成正比,即:

式中 D jk ——第 j 层第 k 柱的抗侧刚度,也可按反弯点法取其为 d jk ;

m ——框架第 j 层的总柱数。

由式(2.20)可知,当框架柱的侧向刚度沿高度变化不大时,因层间剪力 V j 自顶层向下逐层增大,所以计算所得层间位移Δ u j 一般具有下部大、上部小,自顶层向下逐层递增的特点。

各楼层的层间位移Δ u j 之和即为框架顶点的总水平侧移 u

式中 n ——框架结构的总层数。

3)框架结构的弹性层间侧移限值

由于框架层间位移过大将导致隔墙等非承重的填充构件开裂、内部装修损坏,并影响结构的正常使用功能,甚至引起主体结构受损,为控制结构的抗侧刚度,我国规范要求对水平力(常遇地震、风荷载)作用下的最大层间侧移应进行限制。

《抗震规范》要求对钢筋混凝土结构进行多遇地震下的抗震变形验算,其楼层内最大的弹性层间位移应符合以下要求:

式中Δ u e ——多遇地震作用标准值产生的楼层内最大的弹性层间水平位移,应计入扭转变形,各作用分项系数均应采用1.0,钢筋混凝土结构各构件的截面刚度可采用弹性刚度;

[ θ e ]——弹性层间位移角限值,钢筋混凝土框架结构宜取为1/550;

h ——计算楼层层高。

按照式(2.22)对多层框架结构的弹性层间位移进行验算时,Δ u e 即为按式(2.20)计算的各楼层层间位移Δ u j 的最大值。

4)框架结构在罕遇地震下的弹塑性变形验算

我国规范要求,对某些框架结构应进行罕遇地震作用下薄弱层的弹塑性变形验算,并采用相应的抗震措施,以实现第三水准的“大震不倒”的设防要求。

《抗震规范》要求,对于高烈度区的高大钢筋混凝土单层厂房、楼层屈服强度系数小于0.5的框架结构、150m以上的结构、甲类建筑、9度区的乙类建筑、采用隔震和消能减震设计的结构等,均应进行弹塑性变形验算。

结构在罕遇地震下的薄弱层(部位)弹塑性变形可选择采用简化方法、静力弹塑性分析方法或弹塑性时程分析方法进行计算,其中不规则结构应采用空间结构模型。

结构在罕遇地震下的薄弱层(部位)弹塑性层间位移应符合以下要求:

式中Δ u p ——罕遇地震作用下楼层内最大的弹塑性层间水平位移;

[ θ p ]——弹塑性层间位移角限值,钢筋混凝土框架结构一般情况下可取1/50;

h ——薄弱层层高或单层厂房上柱高度。

5)框架结构弹性层间侧移计算及验算

以2.7节给出的钢筋混凝土框架结构为例,其在多遇地震作用下的弹性层间侧移计算及验算详见2.7.8节。此外,该结构的③轴线平面框架在风荷载作用下弹性层间侧移计算及验算详见2.7.10节。 f8jk6gDCSyjCow4BFKPnG8uGLmSEhpyXA8U4uoa5xOtcg5U7zSaQwuCKvTcrEyD+

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